Аннотация к курсовой работе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

Одесский национальный политехнический университет

Кафедра информационных систем

РАСЧЕТНО - ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ

ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

''Промышленная электроника''

На тему: „Проектирование интегрирующего усилителя на базе операционного”.

Вариант 27.

Студента гр. ЕС-082 _____________________ Постол П.М.

подпись

Руководитель проекта ____________________ Ковальков В.И.

подпись

''___" ______________ 2010 р.

Одесса 2010

Аннотация к курсовой работе

Курсовая работа посвящена проектированию и расчетам узлов интегратора на базе операционного усилителя. В ней проводится графоаналитический расчет конечного каскада мощности, разработана принципиальная схема и рассчитана передаточная характеристика.

Анотація до курсової роботи

Курсова робота присвячена проектуванню й розрахункам вузлів інтегратора на базі операційного підсилювача. У ній проводиться графоаналітичний розрахунок кінцевого каскаду потужності, розроблені принципова схема й розрахована передатна характеристика.

The summary to course work

Course work is devoted to designing and calculations of units of the integrator on the basis of the operational amplifier. In it is carried out graphic-analasing calculation of the final cascade of capacity, the basic circuit is developed and the transfer characteristic is designed.

Введение

Быстрое расширение областей применения электронных устройств – одна из характерных особенностей современного научно-технического прогресса. Этот процесс в определенной степени связан с внедрением усилительных устройств в универсальные и управляющие вычислительные комплексы; периферийное оборудование и т.д.

Из всего многообразия использования усилительных устройств при решении различных технических задач следует отметить их применение в аналоговых вычислительных машинах, где они являются составляющей частью решающих элементов, реализующие заданные математические функции. Решающие элементы и их сочетания выполняют различные математические операции (сложение, интегрирование, логарифмирование и т.д.).

Наиболее часто встречаются виды операционных усилителей в линейных схемах. Линейными считаются схемы, у которых входной и выходной сигналы связаны линейным оператором. Такими являются аналоговые интеграторы, дифференцирующие схемы, преобразователи тока-напряжения и др.

Именно проектированию и расчету узлов оператора на базе операционного усилителя и посвящена данная курсовая работа.

Такие усилители преобразовывают входные сигналы в интегральные функции времени. Для интегратора требуется операционный усилитель, работающий в инвертирующем режиме, то есть:

1. токи через входные зажимы операционного усилителя отсутствуют;

2. суммирующая точка является «виртуальной землей»;

3. ток, попадающий в суммирующую точку из входных цепей, равен току, проникающему в цепи обратной связи [2].

1. Описание структурной схемы

Схема выполнена на основе интегратора (1), промежуточного усилителя (2), усилителя мощности (3).

Интегратор (1) предназначен для преобразования входных сигналов в интегральные функции времени. Для интегратора требуются один операционный усилитель работающий в инвертирующем режиме [2].

При использовании операционного усилителя (ОУ) с идеальными характеристиками

, (1.1)

где – масштабный коэффициент.

Коэффициент передачи такой цепи:

, (1.2)

где – дифференциальное входное сопротивление операционного усилителя;

k – коэффициент усиления ОУ.

Рисунок 1.1.

Схема работы операционного усилителя в инвертирующем режиме. [1]

Усилитель мощности (2) предназначен для работы с мощной нагрузкой. Современные усилители небольшой мощности (до нескольких десятков ватт) выполняют по бестрансформаторным схемам, что позволяет уменьшить габариты, массу стоимости и расширить полосу пропускания устройства. Из-за значительной по величине выходной мощности целесообразно использовать каскад выходной мощности, реализованный на дискретных элементах. Так как выходные каскады работают в разных режимах: А, Б, АБ, необходимо выбрать наиболее целесообразный из них.

Режим А предусматривает низкий КПД, требует мощные трансформаторы, поэтому при наших мощных нагрузках он не подойдет. В режиме Б КПД более высокое, но имеется значительное нелинейное искажение. Целесообразно использовать двухтактный усилитель мощности с бестрансформаторным выходом, работающий в режиме АБ, тем более, что выходные каскады являются основными потребительскими источников питания. Этот режим значительно уменьшает нелинейные искажения и обеспечивает высокий КПД. Двухтактные схемы выполняют на комплементарных транзисторах, что транзисторах, что упрощает схемные построения.

Для согласования интегратора с усилителем мощности используют промежуточный усилитель (3). Для того, чтобы стабилизировать коэффициент усиления, исключить влияние нестабильности его параметров, целесообразно использовать каскад мощности и промежуточный усилитель охватить глубокой отрицательной связью. Коэффициент усиления определяется только коэффициентом передачи обратной связи, в которую можно включить стабильные пассивные элементы (8) Поскольку интегратор инвертирует , целесообразно, чтобы промежуточный усилитель тоже его инвертировал и поэтому случался фазовый сдвиг. В следствие чего промежуточный усилитель должен выполняться инвертирующим включением.

Основным требованием, предъявляемом к каскадам усилителей мощности, является обеспечение в заданном режиме максимально большой величины мощности сигнала, но эта мощность должна быть получена при допустимом уровне нелинейных и частотных искажений, а также при меньшем потреблении мощности от источника питания.

Питание усилителя необходимо осуществлять с сети, поскольку он вырабатывает больший ток, мощность, напряжение. Каскад мощности может питаться нестабильным напряжением, так как его коэффициент усиления не зависит от питающего напряжения.

Структурная схема источника питания включает следующие узлы: трансформатор (4), диодный выпрямитель (5), фильтр (6), стабилизатор напряжения (7).

Трансформатор (4) предназначен для повышения или понижения переменного напряжения с целью получения требуемой величины постоянного напряжения на выходе. При выборе трансформатора необходимо ориентироваться на стандартный, выпрямительный, однополупериодический (так как двухполупериодический дает большую пульсацию).

Диодная схема выпрямителя (5) необходима для получения из двухпериодной синусоидальной кривой однополярной полуволны напряжения.

Фильтр (6) необходим для выделения постоянной составляющей в изменяющемся от времени сигнале. Так как необходимо сглаживать сигнал, необходимо использовать фильтры большой емкости порядка тысяч микрофарад.

Принцип действия стабилизатора напряжения (7) состоит в том, что при изменении входного напряжения под действием колебаний питающей сети напряжение стабилизации на стабилитроне меняется незначительно. Так как нагрузка включается параллельно стабилитрону, напряжение на нагрузке тоже изменяется незначительно. Лишнее напряжение при этом будет падать на балансном резисторе. Качество стабилизации определяется коэффициентом стабилизации:

, (1.3)

показывает во сколько раз относительное напряжение на выходе стабилизатора меньше вызвавшего его изменения напряжения на выходе.

2.1 Расчет интегрального усилителя

Выполним расчет интегрирующего усилителя, собранного на основе операционного усилителя.

Рисунок 2.1

Схема интегрируемого усилителя на основе операционного усилителя

В качестве DA1 выбираем кремниевый операционный усилитель общего использования К140УД1.

Выпишем его параметры:

= 2 мА;

= 13 В;

= 2 мА;

= 50000;

= 1 МГц;

= 15 В;

Зная постоянную интегрирования и выбрав значение емкости из диапазона С= 0, 001 – 1 мкФ., найдем сопротивление резистора ;

Ом=14 кОм, (2.1)

Выберем из стандартного ряда Е24: =15 кОм.

Найденное значение должно удовлетворять следующим условиям:

; (2.2)

= 100 кОм; (2.3)

Найденное значение удовлетворяет этим условиям.

Для того, чтоб выбрать резистор, найдем значение сопротивления ;

Ом = 140 кОм (2.4)

Найденное значение должно удовлетворять следующим условиям:

; (2.5)

= 100 кОм – 1МОм (2.6)

Определяем как параллельное соединение элементов , .

= 15 кОм; (2.7)

Найдем коэффициент передачи интегрирующего усилителя:

= 4,25 (2.8)

Найдем выходное напряжение на минимальной рабочей частоте:

B (2.9)

2.2.1 Расчет выходного каскаду

В задании к курсовой работе указаны сопротивления нагрузки

= 18 Ом и действующее значение напряжения на нагрузке = 7 В.

Используя эти значения, определим мощность, которая выделяется на нагрузке (рисунок 1.3).

Вт, (2.10)

Рисунок 2.2

Схема выходного каскаду

Найдем ток нагрузки:

A, (2.11)

Определим величину напряжения источника питания:

B, (2.12)

где - величина, соответствующая нелинейному участку выходных характеристик транзистора.

Выберем из ряда напряжений, рекомендованных Госстандартом .

=10 В.

Для выбора транзисторов нам необходимо определить мощность, которая рассеивается в коллекторных переходах.

Вт, (2.14)

Вт,(2.15)

где - мощность, использованная каскадом от источника питания.

По найденным значениям , , выбираем транзисторы VT3, VT4, у которых максимально допустимые паспортные данные немного превышают полученные расчетные значения:

, (2.16)

то есть

По справочнику |3| выбираем транзисторы:

VT3 – КТ817А и VT4 – КТ816Б.

Для выбранных транзисторов выпишем их параметры:

(2.17)

У данных транзисторов должны быть одинаковые характеристики и коэффициент передачи по току.

Определим коэффициент усиления по току, обеспечиваемый выходным транзисторным каскадом:

, (2.18)

Так как меньше минимального коэффициента по току транзисторов VT3, VT4, то необходимо выбрать еще одну комплементарную пару составных транзисторов.

Этот каскад является усилительным каскадом класса АБ на составных транзисторах (см. рисунок 1.5).

Из-за того, что с увеличением выходной мощности все труднее выбирать комлементарные транзисторы на выходе схемы у транзисторов VT3 и VT4 одинаковая проводимость, а у VT1 и VT2 она разная.

Определим коэффициент усиления по току, который необходимо обеспечить транзисторами VT1 и VT2.

, (2.19)

Определим коллекторный ток транзистора VT1:

, (2.20)

Выберем комплементарную пару маломощных транзисторов VT1 и VT2, паспортные данные которых превышают полученные расчетные значения.

VT1 – КТ815А; VT2 – КТ814А.

Выпишем параметры этих транзисторов:

(2.21)

Рисунок 2.4

Усилительный каскад класса АБ на составных транзисторах

2.2.2. Расчет усилителя мощности по постоянному току

Этот расчет проводим графоаналитическим методом (рисунок 2.5)

Графические построения проводим с помощью выходных и входных вольтамперных характеристик транзистора. На выходных характеристиках проводят так называемую линию нагрузки каскада с постоянным током, изображающую геометрическое место точек, координаты которых соответствуют возможным значениям точки покоя каскада.

Графическое уравнение линии нагрузки имеет вид:

В, (2.22)

В связи с этим построение линии нагрузки удобно провести по двум точкам, которые характеризуют режим холостого хода:

и короткого замыкания: (2.23)

Рабочая точка усилительного каскада находится только на нагрузочной прямой. Линия нагрузки усилительного каскада по постоянному току представляет собой геометрическое место точек, координаты которых соответствуют возможным значениям рабочей точки данного каскада. Преимущество данного метода заключается в его наглядности.

По выходным характеристикам транзисторов определим рабочую точку каждого из них.

Нагрузочная характеристика транзисторов: см. (2.23).

Транзистор КТ817А, КТ816А:

Транзистор КТ814А, КТ815А:

В режиме АВ постоянный ток коллектора:

, (2.24)

Выбираем маломощные диоды в цепи делителя у которых:

, (2.25)

;

Суммарное падение напряжения должно составить в соответствии со схемой (рисунок 2.2) величину, равную

(2.26)

то есть:

;

По вольтамперной характеристике выбранных диодов определяем значение тока, при котором будет обеспечиваться такое напряжение. Для обеспечения такого напряжения выберем три диода КД102А, тогда ток делителя составит 75 мА.

С точки зрения температурной стабильности режима покоя необходимо, чтобы выполнялось условие:

, (2.27)

Ток , должен быть не больше чем .

- условие выполняется.

Выбираем резисторы в цепи делителя. Находим расчетные значения сопротивлений по формуле:

Ом, (2.28)

Выбираем типы резисторов, значения сопротивлений которых соответствуют стандартному ряду Е 24: 1,5;

Определяем мощность резистора делителя по формуле:

Вт, (2.29)

Дата добавления: 2015-07-15