Расчет усилителя постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Усилитель постоянного тока со светодиодом в нагрузке по постоянному току

Рассчитать усилитель постоянного тока со светодиодом в нагрузке по постоянному току:

преобразовать принципиальную электрическую схему так, чтобы в ней остались только элементы, влияющие на режим работы по постоянному току;

выбрать активные компоненты;

выбрать напряжение источника питания;

выбрать положения рабочих точек на характеристиках активных компонентов;

рассчитать цепи схемы по постоянному току;

выбрать номиналы и типы рассчитанных пассивных компонентов;

рассчитать потребляемые усилителем ток и мощность;

составить перечень элементов и изобразить их конструкции и расположения выводов. Транзисторы типа n-p-n. Изменение выходного тока Iвых ±4 мА.

Рисунок 1. Схема принципиальная



Введение

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют устройства, предназначенные для усиления по напряжению и по мощности сигналов постоянного или медленно меняющегося по величине тока. Они широко используются в электронных вычислительных устройствах, измерительной технике, управляющих и следящих системах и в ряде других областей.

Усиление сигналов постоянного тока можно осуществить двум принципиально различными методами: непосредственно по постоянному току и с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный.

Недостатком УПТ с преобразованием является относительная сложность схемы, содержащей, кроме усилителя, ряд других элементов. Поэтому наиболее часто в электронной аппаратуре используются УПТ с непосредственным (прямым) усилением сигнала.

Существуют разнообразные схемы УПТ прямого усиления. Основной особенностью их является гальваническая связь между каскадами усилителя, при которой выход одного каскада соединяют со входом последующего или непосредственно проводником или через омические сопротивления.

Использование гальванической связи обусловливает две особенности усилителей постоянного тока: непостоянство «нулевого» уровня выходного напряжения или тока, который подвержен самопроизвольному изменению (дрейфа нуля), и своеобразие схем каскадов и усилителей в целом.

Дрейф нуля может быть вызван нестабильностью напряжений источников питания, изменением параметров усилительных элементов и деталей схемы вследствие их старения, колебаний окружающей температуры (особенно при использовании транзисторов) и т.д. Особенно опасен дрейф в первых каскадах УПТ, так как при малых U_вх напряжение дрейфа становится сравнимым с усиливаемым сигналом или даже превышает его. Если не принять мер к ослаблению дрейфа, напряжение U_вых будет недопустимо искажено.

Основной задачей разработки усилителей постоянного тока является рациональное построение схемы, обеспечивающее (при выполнении прочих требований) возможно меньшую величину дрейфа.

Для снижения дрейфа применяют стабилизированные источники питания, охватывают каскады усилителя отрицательной обратной связью. Однако, наиболее действенным и экономически выгодным методом уменьшения дрейфа является использование балансных усилительных каскадов.



Расчет принципиальной электрической схемы по постоянному току:

Рассчитать усилитель со светодиодом в нагрузке по постоянному току.

Напряжение питания каскада Е_п = 5В.

Для этого преобразуем принципиальную электрическую схему так, чтобы в ней остались только элементы, влияющие на режим работы по постоянному току, все элементы заданной цепи влияют на режим работы при постоянном токе.

Т.к. в нагрузке присутствует светодиод, который должен светить - то расчет данного усилителя должен начинаться именно с выбора рабочей точки светодиода. Из вольтамперной характеристики нашего диода (ИПД04А-1К) видно, что, диод будет работать стабильно при:

I_д=16 мА

U_д=1.6 В

I_д - ток светодиода

U_д - прямое напряжение на зажимах светодиода в рабочей точке

Далее выбираем типы транзисторов VT2. В данной схеме усилителя. Для оптимального режима работы транзистора необходимо выполнение условий:

U_кэ.max> Е_п,

I_к.max> (1, 5...2) Im_н,

Р_к.max> P_к0,

где U_кэ.max максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером;

I_к.max - максимально допустимый ток коллектора;

Р_к.max - максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора;

P_к0 - Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в рабочей точке.

Из нашей схемы видно, что: I_к0 = I_д0,

I_к0 - ток покоя в цепи коллектора VT2.

Этим условиям соответствует транзистор КТ315Ж, который обладает следующими параметрами:

U_кэ.max=20 В> Е_п = 5 В,

I_к.max = 100 мА> (1, 5...2) I_mн = 24…32 мА,

Р_к.max = 150 мВт_,

Проверим выполнение условия Р_к.max> P_к0:

P_к0=U_кэ0*I_к0 = 2*0.016 = 32 мВт

Условие выполняется.

Далее построим нагрузочную прямую и выберем рабочую точку (см. рис.2), так чтобы при изменении выходного тока рабочая точка транзистора не смещалась за пределы рабочей области. Откуда найдем напряжение покоя на VT2:

U_кэ02 = 2 В

U_бэ02 = 0.55 В

I_б0 = 0.25 мА

Входная и выходная статические характеристики транзистора КТ 315Ж приведены на рис. 2. На семействе выходных статических характеристик проводим линии U_кэ.max, I_к.max, Р_к.max, ограничивающие область нормальной работы транзистора.

Транзисторы VT1 и VT2 примем одной группы и серии.

Суммарное сопротивление транзисторов R₅ и R₆ равно:

R₅+R₆ = (E_п - U_д - U_кэ02)/ I_к02 = (5 - 1.6 - 2)/0.016 = 87.5 Ом

Для обеспечения стабильной работы нужно учесть следующее:

U_R6 + U_кэ02 = U_R5 + U_д0 = 0.5 E_п,

Откуда

U_R5 = 0.5E_п - U_д0

U_R5 = 0.5*5 - 1.6 = 0.9 В

R₅ = U_R5/I_к0

R₅ = 0.9/1.6*10^-3 = 56.25 Ом

U_R6 = 0.5E_п - U_кэ0

U_R6 = 0.5*5 - 2 = 0.5 В

R₆ = U_R6/I_к0

R₆ = 0.5/1.6*10^-3 = 31.25 Ом

Принимая номинальные значения сопротивлений резисторов:

R₅ = 55 Ом, R₆ = 30 Ом

Мощности, рассеиваемые на резисторах равны:

P_R5 = (I_к02)² * R₅ = (0.016)² * 55 = 14 мВт

P_R6 = (I_к02)² * R₆ = (0.016)² * 30 = 7.68 мВт

Принимаем резисторы R₅ и R₆ типа МЛТ-125

Напряжение на резисторе R₄ и переходе коллектор эмиттер транзистора VT1 равно напряжению на переходе база эмиттер транзистора VT2 и резисторе R₆: ток усилитель вольт транзистор

U_R4 + U_кэ01 = U_бэ1 + U_R6 =0.5+0.55 = 1.05 В

В целях обеспечения базового смещения транзистора VT2 напряжение коллектор эмиттер транзистора VT1 примем равным:

U_кэ1 = 1 В

Резистор R₃ совместно с резистором R₄ и транзистором VT1 образуют делитель напряжения в цепи базы транзистора VT2. Ток этого делителя примем равным 5I_б0. Рабочая точка транзистора VT2 имеет следующие координаты:

U_кэ01 = 1 В

I_к01 = 1.25 мА

I_б01 = 0.05 мА

U_бэ01 = 0.45 В

Напряжение на резисторе:

U_R4 = 1.05 - 1 = 0.05 В

Сопротивление резистора равно:

R₄ = U_R4/I_к01 = 0.05/1.25 = 40 Ом

Принимаем номинальное значение сопротивления резистора:

R₄ = 40 Ом

Мощность, рассеиваемая на резисторе R₄ равна:

P_R4 = (I_к01)² * R₄ = 1.25 * 40 = 0.07 мВт

Принимаем резистор R₄ типа МЛТ-125

Напряжение на резисторе R₃ равно:

U_R3 = E_п - U_кэ01 - U_R4 = 5 - 1 - 0.05 = 3.95 В

Сопротивление резистора равно (примем I_к01 = I_д0):

R₃ = U_R3/ (I_к01 + I_б01) - 3.95/1.5 = 2633 Ом

Примем номинальное значение сопротивления резистора:

R₃ = 2.6 Ом

Мощность, рассеиваемая на резисторе R₃ равна:

P_R3 = (I_к01 + I_б01)²*R₃ = 2.25 * 2.6 = 5.85 мВт

Принимаем резистор R₃ типа МЛТ-125

Выберем ток делителя равным 5I_б0 и найдем напряжение на сопротивлении R₂

U_R2 = U_бэ01 + U_R4 = 0.45 + 0.05 В

и значение сопротивления:

R₂ = U_R2 / 5I_б01 = 0.5/0.25 = 2 кОм

Принимаем номинальное значение сопротивление резистора:

R₂ =2 кОм

Мощность, выделяемая на R₂ равна:

P_R2 = (5I_б01)²*R₂ = (0.25*10^-3)² * 2*10³ = 0.125 мВт

Примем резистор R₂ типа МЛТ-125

Найдем значение сопротивления R₁

R₁ = (E_п - U_R1)/6I_б01 = (5 - 0.5)/0.05*6*10^-3 =15 кОм

принимаем номинальное сопротивление на резисторе:

R₁ = 15 кОм

Мощность, выделяемая на R₁ равна:

P_R1 = (6I_б01)^2*R₁ = 1.35 мВт

Принимаем резистор R₁ типа МЛТ-125.

Определяем ток и мощность, потребляемые каскадом в режиме покоя. Потребляемый ток равен:

I_П = I_к01 + I_к02 + I_б0 + 5I_б0 = 16+1.25+0.25+0.25 = 17.75 мА

Потребляемая мощность равна:

P_п = I_п * E_п = 88.75 мВт

Рисунок 2. Выходные характеристики

Рисунок 3. Входные характеристики



Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы были получены навыки по расчету усилителя постоянного тока со светодиодом в нагрузке по постоянному току, на базе биполярного n-p-n транзистора. Все расчеты производились по параметрам приведенным в техническом задании в соответствии с вариантом, а так же выбранными самостоятельно.



Список литературы

1.Вопросы интенсификации дипломного проектирования: Учеб, пособие для вузов радио и электротехнических специальностей / Под. ред. В. Г. Кабарухина, Таганрог: ТРТУ, N110. 1988, 18с.

2.Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е изд. перераб, и доп. М.: Энергия, 1977, 572с.

3.Мамонкин И. Г. Усилительные устройства: Учеб, пособие для вузов. 2-е изд. перераб, и доп. И: Связь, 1977, 360с.

4.Гершунский Б. С. Справочник по расчёту электронных схем. Киев: Вишашк. 1983.240с.

5.Резисторы: Справочник / Под ред. И. И. Четверткова В. М. Терехова. М.: Радио и связь, 1987. 352с.

6.Н. Остапенко Г. С. Усилительные устройства: Учеб, пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1989. 400с.

Размещено на Allbest.ru