Электронные цепи непрерывного действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого

Кафедра "Промышленная электроника"

Задания и методические указания

по выполнению курсовой работы

по курсу "Электронные цепи непрерывного действия"

для студентов специальности "Микроэлектронные и микропроцессорные управляющие и информационные устройства"

Ю.А. Козусев

Гомель 2004

Задание на курсовую работу по "ЭЦНД"

Цель курсовой работы - развитие навыков проектирования функционально-законченного типового устройства промэлектроники. В соответствии с индивидуальным заданием проектируется предварительный усилитель на ИМС и усилитель мощности класса В или АВ, включая расчет тепловых режимов дискретных элементов и расчет блока питания. Объем пояснительной записки 25-30 стр. Графический материал 1-2 листов. Задание на курсовую работу рассчитано на 25 час самостоятельной работы.

Спроектировать усилитель мощности:

Исходные данные для проектирования:

Uнm (В) - амплитуда напряжения на нагрузке; Рн (Вт) - мощность на нагрузке; Rн (Ом) - сопротивление нагрузки; Iнm (А) - амплитуда тока нагрузки; Uвхm(мВ) - амплитуда входного напряжения; fн (Гц) -низшая частота усиливаемых сигналов; fв (кГц) - высшая частота усиливаемых сигналов

Группа	Uнm (В)	Рн (Вт)	Rн (Ом)	Iнm (А)	Uвхm (мВ)	fн (Гц)	fв (кГц)
ПЭ-	6+К/2	3*К+10	-	-	4*К+1	20+2*К	10+К

Содержание работы

1. Выбор схемы выходного каскада (двухтактный класса АВ)

2. Расчет напряжений питания +Еп, потребляемой мощности Ро, КПД, мощности на коллекторах оконечных транзисторов Рк

3. Выбор оконечных транзисторов, расчет площади теплоотводов (Токр. ср. макс.=30 С)

4. Расчет и выбор элементов усилителя мощности - предоконечные транзисторы, источники тока и др.

5. Выбор ОУ для усилителя мощности (соответствие по Uнm, +Еп, АЧХ, Vuвых), расчет элементов цепи ООС

Литература

1. Выбор схемы выходного каскада (двухтактный класса АВ)

усилитель имс транзистор теплоотвод

Рекомендуемая схема усилителя мощности приведена на рис. 1. Вид отрицательной обратной связи (последовательная или параллельная) студент выбирает самостоятельно.

Операционный усилитель DA обеспечивает заданное значение напряжения на нагрузке, а усилитель мощности как правило имеет коэффициент Ku1 и усиливает сигнал ОУ по току и, следовательно, по мощности. В тех случаях, когда выходное напряжение ОУ меньше Uнm, выходной каскад должен иметь Ku1, и для этого содержать транзисторы, включенные по схеме ОЭ.

Типовая схема выходного каскада приведена на рис 2, а варианты включения выходных транзисторов- на рис.3. Вид схемы выходного каскада предлагается также выбрать самостоятельно. Следует иметь в виду, что приведенная методика расчета соответствует схеме на рис.2, но основные энергетические параметры справедливы для всех вариантов схем двухтактных выходных каскадов классов В и АВ.



2. Расчет напряжений питания +Еп, потребляемой мощности Ро, КПД, мощности на коллекторах оконечных транзисторов Рк.

При заданных значениях амплитуды напряжения на нагрузке Uнm и мощности на нагрузке Рн рассчитывают

Iнm = 2 Рн / Uнm (1)

Rн = Uнm/Inm (2)

Напряжения питания выходного каскада выбирают из условия

Е=Uнm + U =Uнm +(34)В. (3)

На рис.4 построены линии нагрузки выходных транзисторов VT4-5 (рис.2) или VT3-4 (рис.3)

Pис.4 Линии нагрузки выходных транзисторов

Расчет энергетических параметров:

Потребляемая мощность

(4)

Среднее значение потребляемого тока

(5)

Выходная мощность (на нагрузке)

(6)

Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных (оконечных) транзисторов

. (7)

Коэффициент полезного действия

. (8)



Рис. 5 Типовые зависимости Po, Pн, Рк от Uнm.

Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных транзисторов, имеет максимум при

Uнм = 2E / 0,64E

(9)

3. Выбор оконечных транзисторов, расчет площади теплоотводов (Токр. ср. макс.=30 С)

Выходные транзисторы выбираются по предельно-допустимым параметрам:

(10)

(11)

(12)

По справочникам подбирают транзисторы, удовлетворяющие предельным параметрам (11-12). Желателен подбор комплиментарных пар n-p-n и p-n-p транзисторов, имеющих близкие параметры: КТ 814-КТ 815, КТ 816-КТ 817, КТ 818-КТ 819,

КТ 825-КТ 827 и др. Для дальнейших расчетов необходимы параметры:

· Статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером МИН,

· Максимально-допустимая температура коллекторного перехода Ткмакс,

· Тепловое сопротивление коллектор корпус Rtк-к [град/Вт].

Часто в справочниках не приводят не значение Rtк-к, а функциональные (графические) зависимости максимально допустимой мощности на коллекторе от температуры корпуса. Методика определения Rtк-к показана на рис. 6

Исходя из расчетной максимальной электрической мощности (9) определяют требуемое общее тепловое сопротивление

(13)

где Тос = (35 40) 0С -температура окружающей среды,

Т = (510) 0С - температурный запас.

Общее тепловое сопротивление складывается из составляющих

(14)

где Rtк-т -тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод,

Rtт-с -тепловое сопротивления теплоотвод - окружающая среда.

Величина Rtк-т определяется качеством теплового контакта корпус - теплоотвод. При отсутствии электрической изоляции между корпусом и радиатором можно принять Rtк-т = (00,2) град/Вт. Если применяется электрическая изоляция, когда на общий радиатор устанавливаются два или более транзисторов, имеющих разные потенциалы коллекторов (корпусов), то принимают Rtк-т=(0,20,5)град/Вт.

Тепловое сопротивления теплоотвод - окружающая среда Rtт-с является характеристикой теплоотвода (радиатора), которая позволяет определить его минимально -допустимую площадь.

(15)

где kt -коэффициент, зависящий от условий теплообмена радиатора с окружающей средой.

Для черненого алюминиевого ребристого теплоотвода без принудительной вентиляции на основе эмпирических данных можно принять

(16)

Из (14) определяют

(17)

и рассчитывают искомую величину

. (18)

4. Расчет и выбор элементов усилителя мощности - предоконечные транзисторы, источники тока и др.

Резисторы R3-R4 предотвращают режим обрыва базы выходных транзисторов при запирании предоконечных транзисторов и выбираются в пределах 100-500 Ом.

Входной ток выходных транзисторов VT4-5 определяется

. (19)

Если транзисторы имеют различные параметры, то расчет ведется по наименьшему значению . Для увеличения коэффициента усиления по мощности (по току) применяют составные транзисторы. Требования к предоконечным транзисторам VT2-3 (или VT1-2 для рис. 3) по предельно-допустимым параметрам:

(20)

(21)

(22)

После выбора предоконечных транзисторов определяют входной ток усилителя мощности:

. (23)

Достаточным усиление по току можно считать в том случае, если Iвхm5мА, что соответствует типовому значению выходного тока ОУ. В противном случае входной ток можно уменьшить:

а) подбором транзисторов с большими значениями ,

б) использование дополнительных транзисторов (три последовательно),

в) применение цепей смещения с усилением по току (см. рис. 8).

Назначение цепи смещения - уменьшение свойственных классу В переходных искажений путем нейтрализация зоны нечувствительности двухтактных выходных каскадов. Напряжение Uкэ транзистора VT1 (рис. 2) устанавливают равным

Uкэ 1=Uсм = Uбэотп 2 + Uбэотп 3 + Uбэотп 4 + Uбэотп 5 (24)

где Uбэотп - напряжение отпирание соответствующих транзисторов.

Если входные ВАХ транзисторов отсутствуют, то можно ориентировочно принять Uбэотп 0,50,6 В.

В схеме на рис. 3а

Uкэ 1=Uсм = Uбэотп 2 + Uбэотп 3

Для схемы рис. 3б дополнительное смещение отсутствует ввиду того, что зона нечувствительности скомпенсирована последовательным включением база - эмиттерных переходов разнотипных транзисторов,

Транзистор VT1 (рис.2) включен по схеме с коллекторной стабилизацией - с отрицательной обратной связью по напряжению Uкэ. Напряжение на нем

(25)

Определив требуемое значение Uсм и задавшись например R1=1 кОм, рассчитывают R2. В качестве R2 выбирают подстроечные резисторы примерно удвоенного номинала, чтобы иметь возможность перекрыть погрешности расчетов, вызванные неопределенностью учитываемых характеристик транзисторов.

Источники тока Io обеспечивают режим стабилизации Uсм и их величина должна не менее тока (23):

Io Iвхm (26)

Схема источника тока приведена на рис. 7.

Ток Io - это ток коллектора VT1, включенного по схеме с фиксированным потенциалом базы (резисторы R1-R2), эмиттерной стабилизацией (R3) и термокомпенсацией (VD1). Потенциал базы Uб для сохранения активного режима транзистора должен удовлетворять условию

Uб Uвхm+0,5Uсм. (27)

После выбора транзистора VT1 по предельным параметрам Uкэ > 2Е, Iк > Iо, Рк > E Io, можно выбрать ток делителя Iдел = (5-10) Iоб = (5-10) Iо/ и рассчитать резисторы

R1=[E-(Uб+Uпр)]/Iдел (28)

R2=Uб/(Iдел +Iоб) (29)

R3= Iдел R1/Iо (30)

Расчет второго источника тока на p-n-p транзисторе не отличается от рассмотренного. Если требуется дополнительное усиление по току, применяют вариант цепи смещения (рис. 8, а). Требования к VT1: Uкэ > 2Е, Iк > Iо+ Iвхm, Рк>EIo.

Следующий вариант цепи смещения (рис. 8, б) обеспечивает кроме усиления по току усиление и по напряжению за счет включения VT1 по схеме ОЭ. Стабилитрон VD1 подбирают по Uст Е, чтобы постоянная составляющая Uвх была близка к нулю. Требования к VT1 по предельным параметрам такие же, как и в схеме рис. 8а.

5. Выбор ОУ для усилителя мощности (соответствие по Uнm, +Еп, АЧХ, Vuвых), расчет элементов цепи ООС

Операционный усилитель DA (рис.1) должен обеспечивать требуемые амплитуды тока и напряжения на входе выходного каскада, а также обладать необходимыми динамическими параметрами: f1 >> fв, Vuвых > 2Umfв. Следует иметь в виду типовые характеристики ОУ широкого применения:

Uвых ОУ=10-12 B,

Rн мин = 2 кОм (Iвых = 5 мА),

f1=0,5-1 МГц,

Vuвых = 0,5-1 В/мкс.

При Uвых ОУ < Uym рекомендуется:

а) если допускают характеристики, повысить на требуемую величину напряжения питания ОУ:

б) использовать специальные ОУ с повышенными Еп и Uвых;

в) применять вариант схемы рис. 8б.

Литература

1. Ю.А. Козусев. Методические указания к лабораторным занятиям по курсу "Электронные цепи непрерывного действия", часть 1, для студентов специальности 20.05. Гомель. ГПИ. 1990. N1831

2. Ю.А. Козусев. Практическое пособие к лабораторным занятиям по теме "Исследование усилителей мощности" курса "Электронные цепи непрерывного действия" для студентов специальности Т.07.02. Гомель. ГПИ. 1997. N2147

3. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебн. пособие для вузов. - М: Радио и связь, 1989.

4. Гусев В.Г., Гусев. Г..М. Электроника. Издание второе. М: Высш. шк., 1991.

5. Лапин В.И. Электроника. Учебное пособие. для вузов. Ростов н/Д. Феникс. 2000г. 446с.

6. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Акимов и др. Мн.: Беларусь, 1994.

7. Резисторы: Справочник/ В.В. Дубровский и др.; Под ред. И.И. Четвертакова-2-е изд. М.:Радио и связь, 1991.

8. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков и др. -М.: Энергоиздат, 1982.

9. Гутников В.С. «Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. -Л.: Энергоатомиздат, 1988.

10. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / C. В. Якубовский и др.- М.: Радио и связь, 1989

Размещено на Allbest.ru