Проектирование электронных усилителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

КАФЕДРА управления в технических системах

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

Вариант 03

по дисциплине: Электротехника и Электроника. Электроника

РАБОТУ ВЫПОЛНИЛ

СТУДЕНТ ГР. 3217КС Иванов Е.В.

Санкт - Петербург 2015



Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Расчет оконечного каскада усиления, работающего в классе В

2.1 Выбор транзисторов мощного каскада усиления

2.1.1 Расчет и Выбор транзисторов

2.2 Расчет площади теплоотвода и числа параллельно включаемых транзисторов

2.2.1 Расчет конструкции ребристого теплоотвода

2.3 Расчет величин сопротивлений уравнительных резисторов

2.4 Расчет термостабилизирующих резисторов выходного каскада

3. Расчет предварительных каскадов усиления

3.1 Выбор транзисторов предварительных каскадов усиления

3.2 Расчет сопротивлений резисторов промежуточных каскадов усиления

4. Расчет внешних цепей усилителя

4.1 Расчет коэффициента усиления охватываемой части усилителя и коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи

4.2 Расчет параметров внешних цепей усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению

4.3 Расчет требуемой точности и выбор типа резисторов

5. Принципиальная электрическая схема и основные показатели качества усилителя



Введение

усиление теплоотвод транзистор каскад

Усилительно-преобразовательные устройства, входящие в состав разнообразных систем автоматического управления (САУ), оказывают существенное влияние на статические и динамические характеристики САУ в целом. Среди многообразия усилительно-преобразовательных устройств в настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы проектирования транзисторных усилителей медленно меняющихся сигналов, как имеющие весьма широкое распространение.

В учебном пособии рассматриваются следующие основные вопросы проектирования электронных усилителей:

- классификация усилительных устройств по классам работы и схемно-техническим решениям построения схем;

-выбор силовых транзисторов и проектирование конструкции теплоотвода;

-компоновка усилителя, расчет оконечных и предоконечных каскадов усиления;



1. Исходные данные

Параметры	Единицы измерения	Данные
	Ом	4
	А	1,0
	Гц	100
	Гн	--

Источник сигнала, сопротивления по входам
	1	2	3
	0,3кОм	0,2кОм	0,1кОм

Показатели качества усилителя
Коэф. Передачи по входам	Входные сопротивления , кОм
1	2	3	1	2	3
400	25	20	20	20	20

Схема включения транзисторов в выходном каскаде: ОК,ОК



2. Расчет оконечного каскада усиления, работающего в классе В

2.1 Выбор транзисторов мощного каскада усиления

2.1.1 Расчет и Выбор транзисторов

Полученное в ходе расчетов значение напряжения источника питания следует округлить до ближайшего большего из номинальных напряжений:

2,4 - 3,0 - 6,0 - 6,3 - 9,0 - 10 - 12,5 - 15 - 20 - 24 - 27 - 30 - 40 - 48 - 60 - 80 В.

В соответствии с рядом номинальных напряжений полученное значение округляем до = 6В.

Таким образом, из справочных данных выбираем транзисторы КТ814А и КТ815А, удовлетворяющие условиям, паспортные данные которых приведены в таблице 1:

Выбранные типы транзисторов представляют собой комплиментарную пару, что облегчает расчет проектируемого усилителя.

Таблица 2.1

Паспортные данные транзистора

Параметры	Единицы измерения	Марки транзисторов и тип их проводимости
		КТ816В p-n-p	КТ817В n-p-n
	В	25	25
	В	0,6	0,6
	В	5	5
	В	1,5	1,5
	А	1,5	1,5
	А	0,5	0,5
	мА	0,05	0,05
	мА	--	--
	Вт	10	10
	--	20	20
	--	--	--
		10	10
		95	95
		150	150
	кГц	3000	3000
		0,865	0,865
m	г	0,7	0,7

2.2 Расчет площади теплоотвода и числа параллельно включаемых транзисторов

Рассмотрим расчет площади радиатора в виде плоской пластины и числа параллельно включенных транзисторов для следующих исходных данных:

Транзисторы марки КТ816В(КТ817В); ;

Определяем область допустимых значений:

т.е. .

Таблица 2.2

N
3	-19,98	2,59
2	1,32	1,73
1	9,3	0,865

Результаты расчетов и в виде графиков показаны на рисунке №2.2

Из графика я выбрал оптимальное количество транзисторов равное одному, так как физически невозможно взять колличество равное двум транзисторам.

2.2.1 Расчет конструкции ребристого теплоотвода

Проведем расчет конструкции ребристого теплоотвода для следующих данных: мощные транзисторы марки КТ816В(КТ817В), которые имеют площадь основания (габаритная площадь) ; ;; число параллельно включенных транзисторов N=1 и площадь основания плоского радиатора =9,3, из рекомендаций, принимаем площадь основания ребристого радиатора , зададимся размерами основания H=2см, D=2.5см, толщина .

Тепловой коэффициент проектируемого радиатора

Находим радиус эквивалентной окружности:

Затем определяем коэффициенты:

Из справочных данных определяем критерий по ближайшим к полученным значениям . В результате принимаем .

Далее определяем коэффициент теплоотдачи поверхности радиатора

По известным и из правочных данных определяем g=0.9, а затем величину перегрева радиатора в области монтажа транзистора; среднеповерхностный перегрев радиатора и теплоотвода:

Используя значения в соответствии со справочными данными, определяем коэффициент А=1,27. Далее вычисляем коэффициенты (дл покрашенного радиатора:

суммарный коэффициент:

эффективный коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности радиатора:

По найденному значению определим площадь ребристой поверхности радиатора:

Определим число ребер n, приняв с=1мм и b=3мм:

В заключении расчета конструкции радиатора определим высоту ребер:

Так как по расчетам мы выбирали один транзистор, значит расчет для общего теплоотвода не нужен.. Тогда размеры основания примем Н=2.5см, D=2см, а его толщина

2.3 Расчет величин сопротивлений уравнительных резисторов

Проведем расчет величин уравнительных резисторов для схемы, изображенной на рисунке 2.3, в которой в параллель включены три транзистора КТ814А(КТ815А), обеспечивающие Примем допустимую разницу температур коллекторов транзисторов

Входное сопротивление транзистора КТ816В(КТ817В) при :

Примем величину поскольку данные о максимальном значении коэффициента усиления в справочнике отсутствуют. Определяем максимальное значение крутизны переходной характеристики транзистора по постоянному току:

Рис. 2.3 Схема подключения уравнительных резисторов в выходной каскад

Схема, показанная на рис. 2, используется при конечной стыковке всего усилителя в целом и показывает расположение резисторов в выходном каскаде усилителя мощности. Так как при разработке используются комплементарные пары транзисторов, то данная схема будет такой же и у обратных транзисторов (“n-p-n”-переход).

Округлим полученное значение в соответствии с рядом номинальных величин (ряд Е24) . Мощность резистора определяется по формуле:

Полученное значение мощности не превышает 2Вт, поэтому можно принять МЛТ номиналом 4,7Ом, мощность 2Вт, имеем массу 3,5г, диаметр и длину корпуса 8,6мм и 18,5мм соответственно (объем составляет ).

2.4 Расчет термостабилизирующих резисторов выходного каскада

Проведем расчет термостабилизирующего резистора выходного каскада.

Для определения в соответствии построим зависимости и Для следующих исходных данных: транзисторы марки

КТ816В(КТ817В), m=2;

Определим температурный потенциал:

а затем, подставляя исходные данные, получаем функциональные зависимости

и :

где аргумент функции изменяется в пределах:

Таблица 2.4

№			з
1	0.051	24,4	0,54
2	0,75	615	0,57
3	0,1	1064	0,55
4	0,16	1799	0,5
5	0,7	2606	0,43
6	0,38	3136	0,37
7	0,49	3543	0,33
8	0,6	3857	0,3
9	0,71	4124	0,27
10	0,82	4345	0,25
11	0,93	4550	0,23
12	1,05	4740	0,21

Как видно на рисунке 2.4, функция имеет экстремум при Следовательно, данное значение является оптимальным.



3. Расчет предварительных каскадов усиления

3.1 Выбор транзисторов предварительных каскадов усиления

В параллель включены три транзистора КТ814А(КТ815А), входное сопротивление которых , тогда:

Значение получено в предыдущих расчетах. Тогда, исходя из условий, выбираем комплиментарную пару транзисторов КТ 3132(2Т3132), параметры которых приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Паспортные данные транзисторов

Параметры	Единицы измерения	Марки транзисторов и тип их проводимости
		КТ3132 p-n-p	2Т3132 n-p-n
	В	10	10
	В	0,6	0,6
	В	1	1
	В	0,8	0,8
	А	0,05	0,05
	А	0,1	0,1
	мА	0,005	0,005
	мА	--	--
	Вт	0,35	0,35
	--	80	80
	--	240	240
		--	--
		--	--
		150	150

3.2 Расчет сопротивлений резисторов промежуточных каскадов усиления

Схемные решения промежуточных каскадов зависят от схемы включения выходного(мощного) каскада (схема с общим коллектором), а также от числа каскадов, расположенных между операционным усилителем-сумматором и оконечным каскадом. Рассмотрим типовые варианты построения промежуточных каскадов, расчет которых ведется графо-аналитическим построением области допустимых значений, ограниченной прямыми, соответствующим условиям:

достаточности входного напряжения;

ограничения тока базы транзистора максимально допустимым значением;

требуемого входного сопротивления каскада;

обеспечение требуемой термостабильности;

обеспечения требуемого тока нагрузки;

Ограничения максимального допустимого значения обратного напряжения база-эммитер.

ВАРИАНТ №2

Проведем расчет усилительного каскада для следующих исходных данных: напряжение источника питания составляем 15В; ток нагрузки каскада(входной ток следующего каскада усиления) сопротивление нагрузки усилительного каскада(входное сопротивление следующего каскада) В качестве усилителя-сумматора предварительно выбираем операционный усилитель К1400УД9, максимальное напряжение на выходе которого минимальное допустимое значение сопротивления нагрузки Поскольку данные о внутреннем сопротивлении микросхемы отсутствуют, то для расчетов принимаем

В соответствии с методикой выбора транзисторов, изложенной в подразделе 3.1, для предварительного усилителя выбираем комплиментарную пару транзисторов КТ 3132(2Т3132), основные параметры которых приведены в таблице 3.1.

Условие 1:

Условие 2:

Условие 3:

Условие 4:

Условие 5:

Условие 6:

Полученные результаты показаны на рисунке 3.2, где номера графиков соответствуют условиям 1-6. Из полученной области выбираем ;



4. Расчет внешних цепей усилителя

4.1 Расчет коэффициента усиления охватываемой части усилителя и коэффициента передачи цепи отрицательной обратной связи

Покажем построение области допустимых значений и для следующих исходных данных:

усилитель имеет три входа, коэффициенты передачи по которым:

усиления по всем входам

сопротивление нагрузки

коэффициент усиления усилителя мощности

выходное сопротивления усилителя мощности

входное сопротивление усилителя мощности

коэффициент усиления операционного усилителя

;

, то выбранный тип операционного усилителя подходит для использования его в качестве предварительного усилителя-сумматора.

Допустим, что в паспортных данных на операционный усилитель дается лишь одно (минимально гарантированное) значение коэффициента усиления. Поскольку

. Для следующих исходных данных: усилитель имеет три входа, коэффициенты передачи по которым: погрешность воспроизведения коэффициентов усиления по всем входам .

Значение коэффициента обратной связи в рассматриваемом случае

Тогда можно определить минимальное значение коэффициента усиления операционного усилителя

Таким образом, полученное значение больше, чем минимально гарантированное значение коэффициента усиления операционного усилителя выбранного типа. Для дальнейших расчетов принимаем и уточняем значение с учетом

4.2 Расчет параметров внешних цепей усилителя с параллельной отрицательной обратной связью по напряжению

Рассмотрим расчет параметров внешних цепец усилителя для следующих исходных данных:

усилитель имеет три входа, коэффициенты передачи по котрым:

внутренне сопротивления: датчика сигнала управления корректирующей обратной связи главной обратной связи

отклонение внутренних сопротивлений от номинальных значений

максимально возможные значения напряжений, поступающих на входы усилителя:

остаточные напряжения источников входных сигналов:

допустимое значение напряжения покоя

Также допустим, что выбранный в ходе предыдущих расчетов операционный усилитель, имеет следующие параметры: ; ;

; ; ; ; ; ; .

В рассматриваемом примере напряжение питания усилителя допустимая разность температур и время безоткатной работы =2000 ч.

;

+

;

В результате получаем функциональные зависимости

Результирующая формула (кривая 1):

Второе условие ограничения на погрешность резисторов внешней цепи вычисляется следующим образом (кривая 2):

;

С учетом следующих ограничений , получаем условия:

Из области допустимых значений (рисунок 4.2) выбираем

Определяем сопротивление, стоящие в цепи обратной связи:

.

Находим сопротивления входных цепей усилителя:

4.3 Расчет требуемой точности и выбор типа резисторов

Рассмотрим расчет требуемой точности на примере резистора С2-50. Полагаем, что в предыдущих расчетах определена допустимая точность резисторов внешних цепей их технического задания известен рабочий интервал температур от -60 до +60 и время наработки

Значение номинальных сопротивлений резисторов С2-50, соответствующие ряду Е24, имеют производственный допуск; что превышает допустимую точность . Поэтому будем рассматривать резисторы С2-50 необходимо рассчитывать, как соответствующие ряду Е96 с производственным допуском

Таблица 4.3

Погрешности резисторов различных типов

№ п./п.	1	2	3
Номинальная мощность, Вт	0,5	0,25	0,25
Тип резистора	С2-23-0,5	C2-33И	C2-50
Номинальный ряд	Е96	E96	E96
,%	0,5	1,0	2,0	0,5	1,0	2,0	0,5	1,0	2,0
(ТКС), до + 20	350	350	250
(ТКС), от + 20	100	250	100
	1,0	2,0	4,0	1,0	2,0	4,0	1,0	2,0	4,0
	0,4	1,0	0,4
	2,8	2,8	2,0
Время наработки , ч	25000	20000	20000
	0,2	0,4	0,8	0,25	0,5	1,0	0,25	0,5	1,0
	1,1	1,8	3,2	1,75	2,5	4,0	1,15	1,9	3,4
	3,5	4,2	5,6	3,55	4,3	5,8	2,75	3,5	5,0
V,	20,7	22,6	14,4
m, г	0,15	0,2	0,15

Покажем примеры расчетов для резистора С2-50:

Определяем погрешности от изменения температуры окружающей среды :

- для нижнего предела температуры (-60)

- для верхнего предела температуры (+60)

Так как в справочных данных не приведена информация об , то принимаем

.

Рассчитываем погрешности от старения R_t в зависимости от :

- для резистора с производственным допуском

- для резистора с производственным допуском

- для резисторов с производственным допуском

В заключение определяем общую величину погрешности резистора:

- для резистора с производственным допуском

- для резистора с производственным допуском

- для резисторов с производственным допуском

По аналогии производится расчет для резисторов С2-33И, С2-50, МТ и P1-4-0,5.

Исходя из данных таблицы, окончательно выбираем резисторы С2-23-0,5 (производимые номиналом от 0,2 Ом до 1 МОм), с производственным допуском 0,5%, которые имеют лучшие массогабаритные параметры, большую длительность безотказной работы и удовлетворяют полученной точности усилителя мощности.

Также, для резисторов сопротивлением более 1 МОм, выбираем тип С2-50 (производимые номиналом от 1 Ом и свыше 1 МОм), с производственным допуском 2%, по тем же причинам, что и для резисторов С2-23-0,5.



5. Принципиальная электрическая схема и основные показатели качества усилителя

5.1 Перечень элементов принципиальной схемы электронного устройства

Таблица 5.1

Зона	Позиционное обозначение	Наименование	Количество	Приме- чание
		Резистор МЛТ-0,5 Резистор МЛТ-0,5	12 2
		Резистор С2-23-0,5	4
		Транзистор КТ 502 В(КТ 503 В)	2
		Транзистор КТ 816 В(КТ 817 В)	12
	DA	Усилитель - сумматор	1

Принципиальная электрическая схема указана на рисунке 5.1



Список литературы

1 “Проектирование электронных усилительных устройств систем автоматического управления” / В.Ф. Шишлаков. Санкт-Петербург, 2005 г.

2 «Транзисторы для аппаратуры широкого применения» / Б.П. Перельман. Москва «Радио и связь», 1981 год.

3 «Транзисторы. Справочник. Выпуск 1144» / О.П. Григорьев. Москва «Радио и связь», 1989 год.

Размещено на Allbest.ru