Курсовая работа: Усилитель постоянного тока

Введение

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов. Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузке. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных конденсаторов, предназначенных для отделения усилительных каскадов и нагрузки друг от друга.

В курсовом проекте рассматривается УПТ, служащий для усиления медленно меняющихся сигналов, значение которых после изменения остается постоянным.

УПТ преобразует сигнал, идущий из измерительного в аналого-цифровой преобразователь. Так как сигнал слишком мал, для того что бы прибор мог его оцифровать, сигнал надо усилить. Таким образом, усилитель постоянного тока предназначен для усиления сигналов с датчика, а также для создания входного сигнала аналого-цифрового преобразователя.

Так же в данном курсовом проекте произведено моделирование усилителя постоянного тока с помощью программного обеспечения Electronics WorkBench для сравнения полученных результатов в моделировании и ручного расчета.

1. Разработка структурной схемы источника питания

ток усилитель программный

Структурная схема источника питания усилителя постоянного тока представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема источника питания:

ПТ-- понижающий трансформатор

В -- выпрямитель

СФ -- сглаживающий фильтр

СН -- стабилизатор напряжения

Понижающий трансформатор --прибор, который необходим для понижения напряжения сети переменного тока.

Выпрямитель -- полупроводниковый преобразователь энергии, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Сглаживающий фильтр -- устройство, предназначенное для уменьшения пульсации на выходе выпрямителя.

Стабилизатор -- устройство, предназначенное для автоматического поддержания напряжения или тока при изменении входного напряжения, тока нагрузки в заданных пределах по техническому заданию на 10%.

2. Разработка структурной схемы усилительного каскада

Усилительный каскад имеет структуру, изображенную на рисунке 2.

Рисунок 2. структурная схема усилительного каскада:

ПУ - предварительный усилитель;

ФНЧ - фильтр низких частот;

УМ - усилитель мощности.

Предварительный усилитель -- усилитель напряжения, который усиливает слабый (по напряжению) электрический сигнал.

Фильтр нижних частот -- фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза) и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты.

Усилитель мощности - устройство, необходимое для преобразования небольшого по мощности электрического сигнала, поступающего от источника, в более мощный сигнал, выделяемый в нагрузку.

3. Расчёт источника питания

Источник питания в схеме усилителя постоянного тока необходим для питания микросхем. Обычно источник питания обеспечивает напряжение 15В. В схеме источника питания выделяют следующие основные части: понижающий трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор напряжения.

3.1 Расчёт параметрического стабилизатора напряжения

Основными параметрами стабилизаторов являются: коэффициент стабилизации, нестабильность выходного напряжения, внутреннее сопротивление стабилизатора, температурная нестабильность, коэффициент полезного действия.

Схема параметрического стабилизатора представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема параметрического стабилизатора напряжения

По напряжению в нагрузке выбираем стабилитрон Uст ?Uн 2С213Е. Параметры стабилитрона приведены в таблице 1. [1]

Таблица 1. Параметры стабилитрона 2С213Е

Находим ток нагрузки стабилизатора:

,

где - заданный ТЗ ток нагрузки усилителя;

In - ток потребления выбранного ОУ;

n - число использованных ОУ.

;

Выберем ток рабочей точки стабилитрона внутри рабочей области:

Рассчитаем ток, потребляемый схемой:

Выберем входное напряжение :

).

Рассчитаем сопротивление резистора R1, из напряжения на нем

.

Находим абсолютное изменение входного напряжения по нестабильности входного напряжения в %:

.

Определим изменение тока через резистор R1:

.

Исходя из того, что , проверим правильность выбора рабочей точки:

,

,

,

.

Рассчитаем изменение выходного напряжения схемы:

.

Вычислим коэффициент стабилизации стабилизатора:

.

В таблице 2 приведены параметры рассчитанного стабилизатора:

Таблица 2. Параметры рассчитанного стабилизатора

Коэффициент стабилизации рассчитанного стабилитрона слишком мал (<10). Поэтому для повышения коэффициента стабилизации используем микросхему К142ЕН6. Основные параметры микросхемы представлены в таблице 3, а схема подключения изображена на рисунке 4.

Рисунок 4. схема подключения стабилизатора

Стабилизатор напряжения имеет следующие выводы:

15- вход (+);

13-выход(+);

4-выход(-);

6-вход(-);

11-коррекция (+);

17-коррекция (-);

8-общий вывод.

Таблица 3. Параметры микросхемы К142ЕН6

Изменение напряжения на входе зависит от нестабильности питающего напряжения:

.

Рассчитаем нестабильность напряжения на выходе стабилизатора при использовании микросхемы:

.

Определим коэффициент стабилизации при использовании микросхемы:

.

Коэффициент стабилизации, по данным расчётам ,удовлетворяет следующему условию: .

Ёмкость конденсаторов цепи коррекции (С1 = С2) должна находиться в пределе (0,1..1) мкФ. Выбираются конденсаторы типа К10-17а, параметры которых представлены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры конденсатора К10-17а

3.2 Расчет выпрямителя

Выпрямитель необходим для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямители состоят из следующих основных частей:

- трансформатор - устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети;

- выпрямительный элемент, имеющий одностороннюю проводимость, необходим для преобразования переменного напряжения в пульсирующее;

- фильтр - нужен для сглаживания пульсирующего напряжения.

В курсовом проекте используется двухполупериодный выпрямитель, построенный на диодном мосте, схема которого представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. схема двухполупериодного выпрямителя

Рассчитаем ток на выходе выпрямителя:

,

где - ток, потребляемый микросхемой.

Определим сопротивление нагрузки:

.

Вычислим напряжение на выходе выпрямителя:

Выберем диоды по току , который они должны обеспечить, таким образом, чтобы и .

По данным условиям был выбран диод КД106А, параметры которого приведены в таблице 5.

Таблица 5. Параметры диода КД106А

Рассчитаем коэффициент трансформации понижающего трансформатора от 220 В до требуемого значения напряжения на выходе выпрямителя:

Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения выберем конденсатор для сглаживающего фильтра.

Выбор конденсатора производим в соответствии с условиями:

- Емкость конденсатора должна быть не меньше рассчитанного;

- Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не меньше выпрямительного.

Определим ёмкость конденсатора:

В соответствии с расчётами выберем конденсатор К50-6, параметры которого представлены в таблице 6.

Таблица 6. Параметры конденсатора К50-6

4. Расчёт усилителя постоянного тока

Усилитель постоянного тока состоит из трех каскадов:

ПУ - предварительный усилитель;

ФНЧ - фильтр низких частот;

УМ - усилитель мощности.

Диапазон изменения входного сигнала:

U_вх = 2...12 мВ.

Выходной сигнал:

U_вых = 1 В.

Рассчитаем коэффициент передачи усилителя:

.

Коэффициент передачи усилителя состоит из произведения коэффициентов передачи отдельных узлов, входящих в него:

где:

- коэффициент передачи предварительного усилителя,

- коэффициент передачи фильтра нижних частот,

- коэффициент передачи усилителя мощности.

Распределяем коэффициенты передачи отдельных узлов:

, ,

4.1 Расчет усилителя мощности

Основная задача усилителя мощности - усилить выходной сигнал фильтра нижних частот до определенного уровня учитывая коэффициент передачи всего каскада усилителя.

Схема усилителя мощности представлена на рисунке 6.

Рисунок 6. Схема усилителя мощности

Определим мощность в нагрузке:

Найдем мощность рассеивания:

Как видно, рассеиваемая мощность мала, поэтому для комплементарной пары выбираются транзисторы малой мощности.

Находим коэффициент усиления по току:

Таким образом, будем использовать усилитель мощности класса B. Выбираем комплементарную пару транзисторов (n-p-n,p-n-p) при условии , что и . Характеристики, выбранных транзисторов приведены в таблице 6:

Таблица 6 - Комплементарная пара транзисторов

Чтобы обезопасить транзисторы от выхода из строя, к комплементарной паре подключают резистор = 390 Ом. Для усилителя мощности выбираем резистор C2-23-390Ом.

4.2 Расчёт фильтра нижних частот

Фильтр нижних частот - это фильтр, который пропускает сигналы от нулевой частоты до заданной _c, называемой частотой среза.

Выбираем ФНЧ Баттерворта. В данном фильтре используется только отрицательная обратная связь. Схема ФНЧ представлена на рисунке 7.[2]

Рисунок 7 - Схема ФНЧ

Произведем расчет фильтра с расчета емкости С₁:

,

где - верхняя граница заданного частотного диапазона, то есть частота среза.

Задаются полиноминальные коэффициенты для ФНЧ 2 порядка:

b = 1,4142,

c = 1,

А = 4,15, где А - теоретический коэффициент усиления ФНЧ;

Рассчитываем емкость С₂:

Рассчитываются значения сопротивлений:

Произведем моделирование ФНЧ с помощью программного обеспечения Electronics WorkBench для того, чтобы сравнить полученные результаты в моделировании и ручного расчета. При моделировании были получены основные характеристики фильтра нижних частот - АЧХ и ФЧХ, представленные в приложении Б. По данной АЧХ можно сказать, что ФНЧ смоделирован верно, так как частотный диапазон соответствует частотному диапазону, заданному в техническом задании, а именно от 0 до 1000 Гц и коэффициент передачи фильтра нижних частот равен 4. Спад АЧХ равен:

В качестве микросхемы для ФНЧ выбираем микросхему типа К140УД6, основные характеристики микросхемы приведены в таблице 7.

Таблица 7. Основные характеристики микросхемы К140УД6