Усилитель постоянного тока

 

 

Министерство образования и науки Российской Федерации

Пензенский государственный университет

Кафедра «Автоматика и телемеханика»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Усилитель постоянного тока

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Электроника»

 

 

 

 

 

Выполнил:  ст. гр.    10ПА-1

                                                                                          Артамонов В.В.

 

                                                                      Проверил: к. т. н., доцент 

                                                                                          Пащенко В. В. 

 

Нормоконтролер: Саул Е. Н.

 

 

 

 

 

Пенза, 2012

 

Реферат

 

Пояснительная записка содержит   листов формата А4, 9 рисунков, 11 таблиц, 1 лист формата А3.

 

 

ДИОД, ТРАНЗИСТОР, МИКРОСХЕМА, ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ

 

Объектом исследования является усилитель постоянного тока.

Цель работы – закрепление теоретических знаний, полученных при изучении курса, а так же приобретение навыков расчёта и проектирования электронной аппаратуры.

В процессе работы производился расчёт блока питания, трёх каскадов усиления и погрешности (температурной погрешности и погрешности от нестабильности питающего напряжения).

Разработан усилитель постоянного тока с заданными параметрами.

 

 

 

Оглавление

 

 

 

 

 

Введение

 

Усилители постоянного тока предназначены для усиления сигналов, медленно меняющихся во времени, спектр которых содержит гармонические составляющие с частотой вплоть до ω=0. Верхний частотный диапазон усилителей постоянного тока определяется свойствами используемых элементов.

В зависимости от назначения различают усилители напряжения, тока, мощности.

В зависимости от типа использованных в усилителе активных элементов различают усилители ламповые, полупроводниковые, магнитные, оптоэлектронные, диэлектрические. В ряде случаев усилители выполняют комбинированными, с применением активных компонентов различных типов.

Усилители - устройства, построенные на основе операционных усилителей, отличаются хорошими рабочими характеристиками, высокой чувствительностью, малыми габаритами. Операционный усилитель представляет собой усилитель электрических сигналов, выполненный в виде интегральной микросхемы. Такой усилитель характеризуется высоким коэффициентом усиления, высоким входным и малым выходным сопротивлением.

Операционные усилители, как правило, имеют два входа: инвертирующий и неинвертирующий, и один выход. Сигнал, поданный на инвертирующий вход, имеет на выходе противоположную фазу. Кроме того операционные усилители имеют выводы для подключения двух источников питания, для установки нулевого напряжения на выходе при Uвх=0, для частотной коррекции и т. д.

В связи с тем что коэффициент усиления операционных усилителей достаточно велик, схемы на ОУ работают в линейном режиме только при введении отрицательной обратной связи. При её отсутствии или при введении положительной обратной связи схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции генераторов сигналов.

 

1 . Разработка структурной схемы

 

Разработка усилителя начинается с разработки структурной схемы. Структурная схема – схема, определяющая основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи .

Структурная схема усилителя постоянного тока приведена на рисунке 1.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1

Т – сетевой понижающий трансформатор;

В – выпрямитель;

СФ - сглаживающие фильтры;

СТ – стабилизатор напряжения;

УН – усилитель напряжения;

ФНЧ – фильтр низких частот;

УМ – преобразователь напряжение-ток.

 

Усилитель постоянного тока состоит из двух основных частей: источника питания и непосредственно усилителя. В структурной схеме источник питания состоит из понижающего трансформатора, имеющего две вторичные обмотки, выпрямителя на диодных мостах и служащего для  преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное, а также сглаживающего фильтра и стабилизатора напряжения. В состав же усилителя входят предварительный усилитель, фильтр нижних частот и усилитель мощности. Понижающий трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения. Выпрямитель преобразует переменное напряжение в напряжение одной полярности (пульсирующее). Пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются конденсаторами. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации на выходе выпрямителя. Стабилизатор уменьшает изменения напряжения на нагрузке (стабилизирует напряжение), вызванные изменением напряжения сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой. Стабилизатор напряжения может быть разработан как на дискретных элементах (стабилитрон), так и на интегральной микросхеме.

Значительную мощность в нагрузке выходной каскад может обеспечить при достаточно большой амплитуде входного сигнала. Очень часто имеющийся в распоряжении сигнал очень маленький, поэтому существует необходимость в его предварительном усилении до величины, необходимой на входе выходного каскада. Эту задачу выполняет один или несколько каскадов, называемых каскадами предварительного усиления, которые являются усилителями напряжения.

Предварительный усилитель усиливает входной сигнал до некоторого уровня, подаваемого на вход усилителя мощности, который усиливает сигнал до требуемого уровня.

Фильтр нижних частот, собранный на выходе предварительного усилителя, выделяет полосу рабочих частот.

Усилитель мощности – этот последний каскад обеспечивает необходимую мощность путем увеличения тока.

 

 

2. Расчёт источника питания

 

В схемах источников питания выделяются следующие основные части:  понижающий трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения.

Структурная схема источника питания приведена на рисунке 2.

Рисунок 2.

1.  Расчёт параметрического стабилизатора напряжения

 

Важнейшими параметрами стабилизатора напряжения являются коэффициент стабилизации ,  выходное сопротивление. Чем больше коэффициент стабилизации, тем меньше изменяется выходное напряжение при изменении входного. У простейших стабилизаторов величина составляет единицы, а у более сложных − сотни и тысячи.

По напряжению в нагрузке выбирается стабилитрон , выбираем стабилитрон КС456А. Параметры стабилитрона приведены в таблице 1.

Таблица 1

Тип	Uст, В	rст, Ом	I ст min, мА	Iст max, мА
КС456А	15	12	3	36

Схема параметрического стабилизатора напряжения представлена на рисунке 3.

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Рисунок 3

Для начала найдем ток нагрузки:

Вычислим ток нагрузки стабилизатора:

Выбирается ток рабочей точки стабилитрона  внутри  рабочей  области при условии:

 Iст min< IA < Iст max . 

IA – ток рабочей точки.

Рассчитаем ток, потребляемый схемой:

.

Теперь выбираем Uвх = Uст + (2…7) В

Вычислим сопротивление резистора R1:

.

По данным ТЗ (нестабильность питающего напряжения 10%) определяется абсолютное изменение входного напряжения стабилизатора .

 

Находим изменение тока через R:

,

где rст – дифференциальное сопротивление стабилитрона (по справочным данным).

Исходя  из  того, что  дифференциальное   сопротивление   стабилитрона    rст << Rн  определяется

Проверяется правильность выбора рабочей точки:  

       .                      

Далее следует определить изменение выходного напряжения схемы:

В конце концов вычисляется коэффициент стабилизации стабилизатора:

 

 

Основные параметры стабилизатора:

 

 

Так как коэффициент стабилизации слишком мал, то от схемы со стабилитроном придётся отказаться. Вместо стабилитрона необходимо взять интегральную микросхему К142ЕН6. Основные параметры микросхемы представлены в таблице 2, а схема включения показана на рисунке 4.

 

Таблица 2

Тип	Uвых, В	Uвх.мах, В	IпИМС, мА	Кст, %/В	ТКUвых, %/град
К142ЕН6	±15±0,3	30	±7,5	0,0015	0,02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4

 

4-выход(-)

6-вход(-)

8-общий

11-коррекция(+)

13-выход(+)

15-вход(+)

17-коррекция(-)

 

Начинаем расчет с изменения входного напряжения:

Отсюда нестабильность напряжения на выходе стабилизатора находиться:

Вычислим изменение напряжения на выходе стабилизатора:

С помощью найденных значений получим коэффициент стабилизации микросхемы:

Получили хороший коэффициент стабилизации, который вполне удовлетворяет условиям.

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Расчёт выпрямителя, коэффициента трансформации и сглаживающего фильтра.

Выпрямитель собирается на четырёх диодах. Выбор диодов производят по току, который они должны обеспечить, т. е. по току  на входе стабилизатора напряжения, и напряжению на диодах, которое должно быть больше напряжения на входе выпрямителя.

Схема включения выпрямителя показана на рисунке 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5

 

Найдем входной ток стабилизатора:

Входное сопротивление стабилизатора находиться:

 

Вычислим напряжение на входе выпрямителя:

Диод должен отвечать следующим параметрам: и Iпр мах = 400мА > 39,5мА, Uобр. мах = 100В > 34,54В. Выбираем диод, параметры которого приведены в таблице 3.

 

Таблица 3

Тип диода	Номинальные значения		Рассчитанные значения
Д202	Iпр.ср.мах, мА	Uобр.мах, В	Iпр, мА	Uвх, В
	400	100	39,5	34,54

 

Производим расчет коэффициента трансформации понижающего трансформатора:

Как видно из последней формулы , это значит что трансформатор понижающий.

 

Выпрямленное напряжение имеет существенные пульсации, поэтому широко используют сглаживающие фильтры − устройства, уменьшающие эти пульсации.

 

Параметры, которые мы должны учесть: однополярное напряжение, величина напряжения 20В (но это действующее значение, т.е. при выборе элемента из справочника будем брать напряжение не ниже ). Частота, заданная в техническом задании равна 50Гц, но так как используется в качестве выпрямителя двухполупериодная мостовая схема, то реальная частота равна 100Гц. 

Частота пульсаций для двухполупериодного выпрямителя:

Входная частота:

Параметры конденсатора приведены в таблице 4.

Таблица 4

Тип конденсатора	Ёмкость, мкФ		Напряжение, В
	расчётная	номинальная	расчётное	номинальное
К50-29	17,95	100	22	63