Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою

Курсовий проект на тему: "Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою"




Анотація



У курсовому проекті розглядається побудова електронного пристрою.

Проект реалізований у програмному середовищі Word 2003, моделювання схеми зроблене в середовищі Electronics Workbench



		
Зміст

		

		Введення

		Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою 

		Вибір і розрахунок принципових схем вузлів пристрою 

		Моделювання на ЕОМ роботи функціональних вузлів пристрою

		Висновок і виводи по відповідності характеристик і параметрів пристрою вимогам технічного завдання 

		Список літератури

		


Введення



Генератори гармонійних коливань являють собою пристрої, призначені для перетворення енергії джерел живлення постійного струму в енергію гармонійного вихідного сигналу напруги (струму) необхідної амплітуди й частоти.

Тому що генератор сам є джерелом сигналу, він не має входу. Генератори будуються на основі підсилювачів з ланцюгами позитивного зворотного зв'язку, які працюють у режимі самозбудження на фіксованій частоті. Як ланцюги зворотного зв'язку можуть використовуватися резонансні L-C або R- Схеми чому відповідає два типи генераторів.

L-C генератори звичайно використовуються для формування радіочастотних сигналів, де габаритні характеристики елементів коливальних контурів у звуковому діапазоні частот стають неприйнятними. У звуковому діапазоні генератори будуються на базі використання резонансних R-C схем, і як підсилювачі звичайно застосовуються ОУ.




1. Обґрунтування й вибір функціональної схеми пристрою



Генератор синусоїдальної напруги складається з генератора, що задає, і підсилювача потужності





ПЗЗ









КЧЗЦ

РР

ПП

ПП

П               

          



Uвих



Rн

НЗЗ

СА





Джерело

живлення




	Мал. 1 Функціональна схема генератора синусоїдальної напруги (ГСН)

	

ланцюг, що комутирується (К.Ч.З.Ц.);

підсилювач (П.);

ланцюг позитивного зворотного зв'язку (П.З.З.);

стабілізатор амплітуди (С.А.);

регулятор рівня вихідної напруги (Р.Р.);

попередній підсилювач (П.П.);

підсилювач потужності (П.П.);

ланцюг негативного зворотного зв'язку (Н.З.З.);

джерело живлення (Д.Ж.).

Від генератора, що задає, подається напруга синусоїдальної форми, стабільної амплітуди й частоти на вхід підсилювача. Звичайно під час роботи амплітуда вихідної напруги генератора, що задає, не міняється й для установки потрібної величини напруги на навантаженні в схему включений регулятор амплітуди. Перебудова частоти генератора, що задає, виробляється в межах якого-небудь діапазону плавно, а зміна діапазонів виробляється дискретно.

Звичайно плавна перебудова частоти виробляється в межах декади, тобто 







де Кп - Коефіцієнт перебудови, - максимальна частота в діапазоні, - мінімальна частота в діапазоні.

З огляду на розкид параметрів ланцюгів, для гарантованого одержання будь-якої частоти, з передбачених технічним завданням, уводять коефіцієнт запасу, тоді







Величина вихідної напруги генератора, що задає, у технічному завданні не обмовляється й може вибиратися кожної в розумних межах. Без утруднень можна одержати амплітудне значення цієї напруги в межах 3...10 В.

Тоді при зазначеній на мал. 1 структурі підсилювача потужності глибина зворотного зв'язку велика, а виходить, він має гарні якісні показники у всім частотному діапазоні (малі нелінійні перекручування, стабільний коефіцієнт підсилення, низький вихідний опір і т.д.).




2. Вибір і розрахунок принципових схем вузлів пристрою 



Розрахунок генератора, що задає.

По стабільності частоти й ширині частотного діапазону сигналу на практиці найбільш підходящим є генератор з мостом Вина





C

10C

100C

1000C

0.1R

0.9R

R2

R3

C1

R*

R4     































Одержали 4 декади з урахуванням коефіцієнта запасу:

20Гц-200Гц

200Гц-2000ГЦ

2000Гц-20000Гц

20000Гц-200000Гц

З урахуванням коефіцієнта запасу:

1) 18Гц-220Гц

2) 180Гц-2200Гц

3) 1800Гц-22000Гц

18000Гц-220000Гц

При використанні моста Вина як частотний  ланцюг генератора для виконання умов самозбудження необхідно:1 щоб міст Вина включався в ланцюг позитивного зворотного зв'язку.

2 щоб коефіцієнт передачі підсилювача на частоті резонансу моста Вина був не <3

Для керування частотою вихідної напруги як резистори можуть використовуватися здвоєні потенціометри. З огляду на, що динамічний діапазон регулювання рідко >20 дБ для його розширення крім змінних резисторів можуть використовуватися набори конденсаторів з декадним номіналом, може бути здійснене широко полюсне регулювання.

Резонансна частота моста Провина 







Задамося 



З=1000пФ тоді R=1/(2*3.14*200000*0.1*1000*10^-12)=7957 Ом



Тоді 0,1R=795.7 Ом, 0,9R=7161.9 Ом

У ланцюзі негативного зворотного зв'язку можуть використовуватися польові транзистори, що працюють на початкових ділянках вихідних характеристик.

Вибираємо польовий транзистор з n-каналом, так щоб Rк.>1кОм при Uзи=-1У.

Як такий транзистор беремо КП323А-2, у якого Rк=5У/2,5mA=2кОМ при Uзи=-1У


Кu=1/Кuоос=1/3. Отже, R2||Rк/(R2||Rк+R3)



Одержуємо R2=2 кому, R3=2кОм

Задамося. З=10мкФ, тоді R*=1Мом R4=1000кОм/100=10кОм

Вибираємо діод, що працює на Д101

У якості ОУ беремо 140УД23

Розрахунок регулятора рівня

Регулятор рівня вибираємо виходячи з наступних умов: регулятор є вихідним опором ОУ, повинне бути більше або дорівнює 2кОм,з іншої сторони опір регулятора рівня повинне бути на порядок менше, ніж вхідний опір підсилювача потужності, менше ніж 50кОм. Рівень регулювання сигналу становить 50%,те номінали опорів будуть однакові. 



Uвих=Uвх*R2/(R1+R2)

Uвих/Uвх=1/2

R1=R2=2кому



Розрахунок підсилювача потужності

Підсилювач потужності складається з попереднього підсилювача, каскаду й ланцюга загального зворотного зв'язку. 

Попередній підсилювач виконуємо на операційному підсилювачі.

Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності визначається як Ки=Uвих/Uвх=20/3=6, Uвх приймаємо 3У.

Коефіцієнт підсилення каскаду визначаємо як Киок=Uвих/10=2, де 10 ця вихідна напруга операційного підсилювача.

Одержуємо коефіцієнт підсилення ОУ без зворотного зв'язку Ки/Киок=6/2=3

Операційний підсилювач вибираємо по частотній характеристиці при наявності зворотного зв'язку й швидкості наростання вихідної напруги в часі

Швидкість наростання вихідної напруги =2*3,14*200000*10=12,5У/мкс

Глибина зворотного зв'язку Ки=0,166

Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності з негативним зворотним зв'язком



К=, 



де Кf=10%, коефіцієнт нелінійних перекручувань без зворотного зв'язку, - коефіцієнт нелінійних перекручувань із обліком негативного зворотного зв'язку. К=(10/0,2-1)/0,166=295,тоді коефіцієнт підсилення операційного підсилювача з обліком ООС Коу=295/2=147,5

на частоті 200000 коефіцієнт підсилення ОУ Коу>43дБ

Частота зрізу f1>fm*Ки=1,2МГц

Даним вимогам відповідає 140УД23 з параметрами 

Uп=15У, Rн=2кому, Uвих.макс=10У, вхідний струм Iвх=0,2на, частота одиничного посилення f1=10МГц, Vuвих.макс=30У/мкс.

Залежність коефіцієнта підсилення від частоти наведена в додатку.

Для живлення ОУ встановлюємо стабілізатори на стабілітронах КС515 з 

Uст=15У при струмі стабілізації Iст=5мА, у цьому випадку спадання напруги на резисторах R буде визначатися як UR=22-15=7У



IR=Iоу+Iст=10+5=15мА

R=7/15=466.6Ом

P=U*I=7*15*10^-3=0.105Вт




3. Моделювання на ЕОМ роботи функціональних вузлів пристрою



Розрахунок каскаду





		

C1

R1

R4

R3

R2

C2

R5

R7

R6

R10

R8

R9

VD1-4

VT1

VT3

VT2

VT4





















Вихідний каскад може бути виконаний по трансформаторній схемі. Критерієм для ухвалення рішення може служити співвідношення між залишковою напругою на транзисторі при максимальному струмі навантаження й амплітудою напруги на навантаженні.

Варто віддавати перевагу трансформаторному каскаду.  

Вибір транзисторів для вихідного каскаду підсилювача потужності роблять по потужності, що розсіюється в ньому, граничній частоті посилення й допустимих напружень і струмам.

Для вихідного каскаду підсилювача, що працює із двома джерелами живлення, напруга кожного джерела вибирається з умови 



Ек=Uвих.макс+Uост

Ек=20+2=22У


Найбільша напруга на транзисторі в такому каскаді приблизно дорівнює подвоєній напрузі живлення:Uкеюмакс=2*22=44У

Найбільша потужність, виділювана в кожному транзисторі вихідного каскаду для синусоїдального сигналу дорівнює 

Визначаємо Rн



Ом. Тоді Рк.макс= =7,85Вт



Вибір транзисторів по струму 



А



Частотні властивості вихідних транзисторів повинні відповідати необхідній смузі пропущення всього підсилювача. Гранична частота підсилювача 



fгр.=2...4fмакс=4*200000=800кГц



Вибираємо пари комплементарних транзисторів КТ 853-КТ829, які мають параметри Uкем=45-100У, Iк=8А, Рк=60Вт, 

Уточнюємо Uост=1,5У, тоді, 



 



Отже, варто віддати перевагу каскаду.

По отриманій потужності розраховуємо площу радіатора по формулі


=123,045 кв



Де Кт коефіцієнт тепловіддачі, що залежить від матеріалу, конструкції й способу обробки тепловідводу.

Для чорненого ребристого алюмінієвого тепловідводу звичайно приймають Кт=0,8*10^-3Вт/З*кв. tп - температура переходу, звичайно неї приймають на 5...10 градусів нижче гранично припустимої

tc-температура середовища, максимальна температура за завданням

Rпп - Тепловий опір перехід-корпус

Rкк - Тепловий опір корпус - тепловідвід. 

Вибираємо Iко=0,05Iк.макс=0,08А

Струм бази визначаємо в такий спосіб Iб.макс=Iк.макс/ =2мА

Напруга база- емитер максимальне визначає по вхідних характеристиках транзисторів.Uбе=1,7У

Номінальні значення резисторів базових ланцюгів вихідних транзисторів визначаємо по формулі:



 =752 Ом, 



де Uбе.откр=1У

Потужність, що розсіюється на резисторі 



Р= =3,61мВт



Транзистори для каскаду підсилювача потужності повинні мати наступні параметри:




Uке.макс=32У, Iк.VT1.макс=Iб.VT3.макс=Iк.VT3.макс/ =2мА, Рк.макс=Uке.макс*Iк.макс=0,064Вт



Цим вимогам відповідає пари комплементарних транзисторів КТ 3102-КТ3107, що мають:Uке.макс=40У, Iк=100мА, Рк=150мВт, 

Резистори R8 і R9 визначають коефіцієнт підсилення, тому 



R9/(R8+R9)=1/Киок=1/2 

R9=R8



Струм через резистори R9 і R8 повинен бути на порядок більше чим струм бази вихідного транзистора IR8,R9 >10Iб.ок



Uвих/(R8+R9)>10Iб.ок

Uвих/10Iб.ок>R8+R9

1кому>R8+R9

R8=R9=500 Ом



Ланцюг зсуву розраховуємо з умови спокою каскаду



Iко=0,08А

Iб.п.ок= Iко/ =100мА/750=130мкА, 



(беремо струм спокою колектора приблизно рівним 100мА)

Струм бази спокою оконечного каскаду є струмом спокою колектора предоконечних транзисторів, тобто Iк.VT1.п.=Iб.VT3+IR7



IR7=Uб.е.п.ок/R7=1.1/820=1.3мА




(напруга база-емитер спокою оконечного каскаду знаходимо по вхідних характеристиках транзистора VT3)



Iк.VT1.п.=1,4мА

Iб.VT1.п= Iк.п.VT1/ =1.4*0.001/60=23мкА



По вхідній характеристиці транзистора VT1 визначаємо напруга база-емитер спокою, що рівне прямому спаданню напруги на діодах.



Uпр.=Uбе.п.=0,6У(при Iпр.>10Iб.п.VT1, Iпр.=0,23мА)



Підбираємо діод КД228, що має наступні характеристики:

Iпр.макс=7,5А

Uпр.макс=0,65У

Розрахуємо резистори R5 і R6



IR5=Iб.п.VT1+Iд.=0,25мА

UR5= Eк-Uб.е.п.VT1=22-0.6=21.4В

R5=21.4/0.25мА=85,6кОм

РR5=21.4*21.4/85600=0.00535Вт



Опір R1 визначає вхідний опір підсилювача потужності, і повинне становити порядку 10 кОм. Беремо R1=47 кОм, тому що цей опір рекомендований для більшості підсилювальних пристроїв.



R3=47кОм (для того щоб не було розбалансу)

РR1=Uвх 2/Rн=0,1914мВт

PR3=6.148мВт



Опір R2 визначає коефіцієнт передачі РОЗУМ у цілому,

ми задалися =1/Ки=0,15



R2/(R2+R3)=0.15

R2=8294Ом



Напруга на вході, що інвертує, дорівнює напрузі на що не інвертує й дорівнює 3У



Р=U^2/R=0.001Вт



Конденсатор З1 вибираємо з умови, що C1 і R1 високочастотний фільтр першого порядку, =R1*C1>1/2* *fн 



З1=0,17мкФ

		2=C2*R2>1/2* *fн

	З2=6мкФ

		

		
4. Висновок і виводи по відповідності характеристик і параметрів пристрою вимогам технічного завдання

	

	Розрахунок джерела живлення

	

TS1

VD1-VD4

C1

C2

+

+

R1

R6

VD3

VD4

R2

R3

R4

R5

R7

R8

R9

R10

VT1

VT2

VT3

VT5

VT6

VT7

	

	

	

















Напруга на виході випрямляча Uвих.випрям=Uост+Uвих.макс. Вибираємо Uост=2У, тоді Uвих.випрям.=22+2=24У

Напруга пульсацій на конденсаторі фільтра береться в межах 10% від робочої напруги, і дорівнює 



Тоді З= =2560мкФ



З урахуванням напруги пульсацій Uвих.випр=24+4=28У

Ми одержали напругу на виході випрямляча при найнижчій напрузі в мережі (-15%), тоді на рівні 220У ми будемо мати напругу



28/0,85=33У




а при максимальній напрузі мережі (при +10%)



33*1.1=36.3В



Робоча напруга ми вибрали правильно.

Сформуємо вимоги до трансформатора:









Вибираємо трансформатор ТПП259 з габаритною потужністю Р=31Вт

Вибираємо діоди для мостового випрямляча по наступних параметрах









Даним параметрам задовольняємо діод Д202 з параметрами 







Проведемо розрахунок стабілізатора напруги

Як транзистор VT1 беремо потужний транзистор, що повинен мати параметри: 






Вибираємо ті ж транзистори що й для підсилювача потужності, КТ853,КТ829.

Транзистори для диференціального каскаду стабілізатора повинні мати наступні параметри:







Беремо транзистори КТ3102,КТ3107, які мають наступні характеристики







Як елемент, що задає опорну напругу стабілізатора, вибираємо стабілітрон КС191Ж с напругою стабілізації 








Розрахуємо значення резисторів, що входять у каскад.









Розрахуємо значення резисторів дільника напруги. Струм дільника на порядок вище чим струм бази транзистора VT3







Резистор R4 дозволяє підбудувати номінал напруги, тобто з 220кОм 10% піде на підстроювання, таким чином R4=22кОм



R5+R3=198кОм

R3/R5=1/2

R3=66кОм

R5=132кОм



Усі розрахунки виконані за умовами завдання.




Список літератури



1. Гудилін О.Є. Керівництво до курсового проектування по електронних пристроях автоматики. Методичні вказівки. – К., 2004

2. Гендин Г.С. Усе про резистори. – К., 2000

3. Перельман Б.Л. Напівпровідникові прилади. – К., 2006