Устройство с заданной амплитудно-частотной характеристикой

4

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра Автоматизации механосборочного производства

Курсовая работа

По дисциплине: Общая электротехника и электроника

На тему: “Устройство с заданной АЧХ ”

Руководитель

Смирнов В.А.

Автор проекта

Киселев Ю.А. МТ - 393

Челябинск

2004

Техническое задание

Разработать устройство с заданной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Параметры устройства:

мВ,

Вт,

Ом,

дБ,

дБ,

Гц,

Гц.

Анализ ТЗ

Основная задача проектирования устройства с заданной АЧХ - обеспечение требований ТЗ при минимальном числе каскадов, минимальном напряжении питания и наиболее дешевыми средствами. Поставленную задачу будем осуществлять четырьмя каскадами: Блок формирования АЧХ, Усилитель на основе ОУ, Каскад промежуточного усиления, Выходной каскад. Также будет рассчитан источник питания для данного устройства.

Ниже приведена структурная схема устройства с заданной АЧХ:

В расчете необходимо стремиться к максимальному КПД усилителя >70% и минимально возможному напряжению питания .

Поскольку в ТЗ заданы параметры входного сигнала и нагрузки, расчет начнем с построения АЧХ.

1. Построение АЧХ

Номинальная выходная мощность определяется выражением:

; В

Определим номинальный коэффициент усиления

Минимальная частота при которой обеспечивается равна

Гц

Поскольку при проектировании блока формирования АЧХ будут использоваться звенья первого порядка, т.е. наклон АЧХ 20 Дб/дек. Следовательно, зная и рассчитаем максимальную частоту , при которой обеспечивается .

;

Гц

Аналогично определим максимальную частоту при которой обеспечивается

Гц

2. Синтез корректирующих звеньев

Для формирования амплитудно-частотной характеристики нашего устройства будет использовать активные фильтры. К преимуществам активных фильтров следует отнести: способность усиливать сигнал, лежащий в полосе их пропускания, легкость настройки, малые веса и объем, простота каскадного включения. К недостаткам отнесем необходимость источника питания усилителя.

В нашем устройстве есть каскад промежуточного усиления с заданным , поэтому для получения устройства с заданной АЧХ (рис. 1) необходимо это учесть, т.к. , где -- макс. коэф. усиления по корректирующим звеньям.

Чтобы получить заданную АЧХ подключим последовательно 3 звена:

Первое:

при f=0

Выберем R3= 250 Ом

кОм (Е24)

т.к. fmin определяется:

то задаваясь С1=150 мкФ определим R1:

Ом

Второе:

; возьмем С3=1,5 мкФ (Е6), тогда:

мкФ (Е6)

Третье:

принимаем С4=330 пкФ

Ом (Е24)

=(R6+R5)C4; Ом (Е24)

Выберем операционный усилитель: uA741C, для которого В

3. Расчет выходного каскада

По АЧХ (рис. 1) определяем что макс. коэф. усиления

Отсюда определяем

В

мА

Выходной каскад, по сути, является усилителем мощности, который предназначен для обеспечения заданной мощности нагрузки , при заданном сопротивлении нагрузки . Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных составляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзисторов и возникают нелинейные искажения входного сигнала, что не допускается. Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима работы. Минимально возможный уровень нелинейных искажений можно обеспечить в режиме класса А, а максимально возможный КПД - в режиме классов В или АВ.

Усилители мощности бывают однотактные и двухтактные, причем первые работают в режиме класса А, а вторые - в режиме классов В или АВ. Однотактные усилители мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт). По ТЗ Вт, следовательно будем рассчитывать двухтактный усилитель мощности.

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки , при расчете должен быть решен вопрос о выборе напряжении питания усилителя .

Напряжение питания выберем на 15% больше чем

В

При выборе источника питания Uпит необходимо использовать номинальный ряд: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 60 В. Следовательно напряжение питания нашего усилителя возьмем равным 24В.

Выберем транзисторы.

Для этого оценим ток коллектора:

мА

А

В

Вт

Выберем транзисторы, удовлетворяющие нашим требованиям и приведем их характеристики в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики транзисторов

Тип транзистора	Структура	Pmax, Вт	Iк.max, А	Uкэ.max, В	в	fгр, МГц
2N5191	npn	40	4	60	25	2
2N5194	pnp	40	4	60	25	2

Оценим ток базы

Выбираем диод (Табл. 2), для обеспечения тока смещения.

Таблица 2. Характеристики диода КД521А

Тип диода	Iпр.max, А	Uпр, В
КД521А	50	1

Примем ток через диод равным 20 мА, чтобы

Для наглядности дальнейших расчетов приведем схему промежуточного и выходного каскада:

Найдем R9:

В соответствии с рядом Е24: R9=560 Ом

,

что удовлетворяет условиям эксплуатации.

4. Тепловой расчет

При протекании тока через транзисторы VT2 и VT3 на них выделяется тепловая энергия, что приводит к нагреву корпуса. Чтобы температура корпуса не стала чрезмерной, тепло необходимо отводить во внешнюю среду с помощью радиаторов.

- зависимость напряжения БЭ от абсолютной температуры, примерно 2 мВ/⁰С

- превышение температуры над начальной

- температурный потенциал p-n перехода 25 мВ

Примем =80 ⁰С.

Изменение температуры корпуса, возникающее при выделении мощности на транзисторе определяется по формуле:

- полное тепловое сопротивление

=0,54 ⁰С/Вт

,

где = 3,12 ⁰С/Вт, =0,5 ⁰С/Вт

то = -3,08 ⁰С/Вт < 0, т. е. радиатор не нужен.

5. Расчет промежуточного каскада

Промежуточным каскадом в данной работе называем усилительный каскад с общим эмиттером. Он позволяет усилить сигнал как по напряжению, так и по току.

Тогда

Выбираем транзистор:

Выбираем транзистор BD137-16, характеристики которого представлены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики транзистора BD137-16

Тип транзистора	Структура	Pк.max, Вт	Iк.max, А	Uкэ.max, В	в	fгр, МГц
BD137-16	npn	8	1,5	60	100	50

По второму закону Кирхгоффа:

Тогда

Возьмём I_к.н=30 мА.

Тогда

По второму закону Кирхгоффа:

В соответствии с рядом Е24: R6=3,0 кОм

По второму закону Кирхгоффа:

В соответствии с рядом Е24: R8=13 кОм

Тогда подставив в формулу все значения получим

, отсюда С5=15,8 мкФ

По Е6: С5=15мкФ

6. Расчет источника питания

Вторичные источники питания предназначены для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств. Предполагается, что вторичные источники в свою очередь получают энергию от первичных источников питания, вырабатывающих электричество - от генераторов и т.д. питать электронные устройства непосредственно от первичных источников обычно нельзя.

Вторичные источники питания являются одними из наиболее важных устройств электроники.

В данном случае схема вторичного источника питания

4

1. Трансформатор предназначен для гальванической развязки питающей сети и нагрузки и изменения уровня переменного напряжения.

Выберем трансформатор: ТПП248 127/220-50

Напряжения вторичных обмоток

II - 20 В

II^| - 20 В

III - 20 В

III^| - 20 В

IV_к - 4 В

V_к - 4 В

2. В качестве выпрямителя будем использовать однофазный мостовой выпрямитель. Диодный выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее (коэффициент пульсации ). Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. В данной работе будем использовать уже готовый диодный мост DF01.

DF01 U_обр.max=100 В, I_пр.max=1 A

3. Выпрямленное напряжение будет иметь существенные пульсации, поэтому следует использовать сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации напряжения на выходе выпрямителя.

Примем е=0,05, тогда

Выбираем конденсаторы С7, С14, С15: 1000 мкФ?300В. Емкости конденсаторов С6, С9, С12 возьмем равными 0,1 мкФ - они необходимы для устранения шумов. Емкости полярных конденсаторов С8, С10, С11, С13 равными 1 мкФ- они также необходимы для устранения шумов.

4. Стабилизатор - уменьшает изменения напряжение на нагрузке, вызванные изменением напряжением сети и изменением тока, потребляемого нагрузкой.

Выбираем стабилизаторы: MC78M05CT и MC79M05BT характеристики которых представлены в таблице 4.

Таблица 4. Характеристики стабилизаторов

Тип	Uвых.н, В	Iвых.н, А
MC78M05CT	5	0.5
MC79M05BT	-5	-0.5

Заключение

Выполнена курсовая работа на тему: “Устройство с заданной АЧХ ”. В ходе работы выполнены расчеты по построению корректирующих звеньев, промежуточного усилительного каскада, выходного каскада, источника питания, а также выполнена их электрическая принципиальная схема.

Литература

1 В.И. Лачин, Н.С. Савелов Электроника. Ростов-на-Дону. Изд.: «Феникс».2000г.

2 Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Москва. Изд.: «Высшая школа».1991г.

3 Сидоров И.Н., Скорняков С.В.Трансформаторы бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Москва. Изд.: «РАДИО и СВЯЗЬ». 1999г.

4 Каталог/2003. Активные элементы. Промэлектроника.