Разработка усилителя мощности со стабилизированным источником питания

Разработка усилителя мощности со стабилизированным источником питания

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“Белорусско-Российский университет”

Кафедра «Электротехника и Электроника»

Курсовой проект

по дисциплине

«Элементы электроники»

Тема работы:

«Разработка усилителя мощности со стабилизированным

источником питания»

Разработал Исаченко В.И.

ст. гр. ЭОАР-073

Проверил к.т.н. Болотов С.В.

Содержание

Введение

. Анализ исходных данных

. Разработка СЭП и источника питания

.1 Выбор и расчет элементов усилительного каскада

.2 Расчет источника питания

. Разработка модели устройства

. Результаты моделирования

Заключение

Список использованных источников

Приложение А.

Приложение В.

Введение

Электроника- понятие, включающее в себя, в:

. Физике - область, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах.

2. Технике - электронные приборы и устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и используется для преобразования электромагнитной энергии (например для передачи, обработки и хранения информации). Наиболее характерные виды таких преобразований: генерирование, усиление, приём электромагнитных колебаний с частотой до  Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений ( -  Гц). Возможность таких преобразования обусловлена малой инерционностью электрона.

В данной курсовой работе нам необходимо спроектировать усилитель мощности. Под усилителем понимают устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала. Данные устройства широко распространены и могут применяться в различной технике. Наибольшее распространение усилители получили в звуковой технике.

1. Анализ исходных данных

Под усилителем мощности понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка RH и мощность PH, рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков-сотен Вт. Поэтому мощные каскады, как правило, бывают выходными - оконечными. В качестве нагрузки могут выступать различные исполнительные устройства систем управления (например, обмотки реле, электродвигатели).

Усилители мощности могут быть однотактными и двухтактными. Однотактные усилители чаще применяют при относительно малых выходных мощностях (до 3…5 Вт). Как правило, в однотактной схеме транзистор работает в режиме А, в двухтактных схемах - в режимах АВ или В.

Усилители мощности подразделяются на трансформаторные и бестрансформаторные. Несмотря на то, что трансформаторы характеризуются незначительными потерями энергии и позволяют оптимизировать условия работы усилительного элемента, при которых обеспечиваются необходимая выходная мощность, высокий КПД и низкий уровень нелинейных искажений, тем не менее они сравнительно редко применяются в транзисторных и особенно в аналоговых микросхемах, так как при их использовании увеличиваются габаритные размеры, масса и стоимость усилителя.

Все бестрансформаторные двухтактные схемы можно разделить на две группы: с одним или двумя источниками питания и с управлением от однофазного или от парафазного напряжения.

Анализируя данные структуры усилителей и параметры, указанные в задании на курсовую работу выбираем схему двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с общим коллектром, работающим в режимах В, АВ с двумя источниками питания. Схема такого каскада представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с общим коллектором, работающим в режимах В, АВ с двумя источниками питания

В двухтактном оконечном каскаде на комплементарных транзисторах с двумя источниками питания транзисторы включены по схеме с ОК (эмиттерные повторители) в режиме работы В или АВ. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении нагрузки RН практически отсутствует, так как не-большие начальные токи, протекающие через транзисторы VT1 и VT2, взаимно вычитаются. При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК. Следовательно, выходной сигнал Ukm на сопротивлении нагрузки Rн практически равен входному, а усиление мощности достигается за счет усиления тока Iэm. Во время другого полупериода открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

2. Разработка СЭП усилителя мощности и источника питания

.1 Выбор и расчет элементов усилительного каскада

При расчете усилителя мощности обычно заданы мощность PH и сопротивление RH.

Таблица 1 -Исходные данные к курсовой работе

Начнем расчет с определения значения мощности, которую должны выделять транзисторы, и составляющие коллекторного тока и напряжения:

P ³ 1,1 Р_н (2.1)

P³49,5=50 Вт

P ³50 Вт

(2.2)

 (2.3)

Далее выбираем напряжения источников питания.

, (2.4)

Е_к -≈35 В

U_OCT - напряжение, отсекающее нелинейную часть выходных характеристик транзистора в области малых коллекторных напряжений (U_OCT ~0,3---1,5 В).

Затем выбираем транзисторы. Выбираем транзисторы по предельным параметрам:

 (2.5)

 (2.6)

 (2.7)

 (2.8)

Принимаем транзисторную коллекторную пару КТ816г и КТ817г со следующими параметрами:

U_КЭдоп = 80 В - максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер

I_{К доп} =3 А - максимально допустимый постоянный ток коллектора

Р_Кдоп= 25Вт - максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора (с теплоотводом)

t°_{nep max} = 125°С - максимальная температура коллекторного перехода

f_гp = 3МГц - граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером

= 25 - статический коэффициент

Определим параметры входной цепи. Ток смещения базы Ioб, соответствующий найденной рабочей точке О, при наихудшем транзисторе, имеющем βmin, и амплитуда переменной составляющей входного тока Iбм рассчитываются как:

 (2.9)

 (2.10)

Входное напряжение для схемы с ОК, не обеспечивающей усиления по напряжению, определяется:

 (2.11)

 (2.12)

Входная мощность сигнала, требуемая для получения заданной мощности в нагрузке, составляет:

 (2.13)

Далее рассчитаем коэффициент усиления по мощности:

 (2.14)

Потребляемая каскадом потенциальная мощность:

 (2.15)

 (2.16)

Коэффициент полезного действия каскада:

 (2.17)

Затем производим расчет сопротивления каскада:

 (2.18)

 (2.20)

 (2.21)

По ряду Е12 определяем значения резисторов:

Входное сопротивление каскада.

С учетом делителя подачи смещения при включении с общим коллектором определяется:

 (2.22)

Определение уровня нелинейных искажений.

Для оценки уровня нелинейных искажений используют сквозную динамическую характеристику каскада, которая строится с помощью семейства статических выходных и динамической входной вольт-амперной характеристик транзистора. На графике семейства статических выходных вольт-амперных характеристик устанавливается зависимость входного тока (тока базы) от выходного (тока коллектора) в точках пересечения семейства статических выходных вольт-амперных характеристик с нагрузочной прямой переменного тока. Затем с помощью динамической входной вольт-амперной характеристики определяются значения входных напряжений по найденным значениям тока базы и вычисляются значения ЭДС генератора, который имеет внутреннее сопротивление Rp (выходное сопротивление предыдущего каскада )

(2.23)

 (2.24)

; ; В

 (2.25)

 (2.26)

 (2.27)

 (2.28)

Рисунок 2 - Сквозная характеристика

E_{r max}=60,5В; I’_км=2,6A

E_{r ср}=34,02В; I’_ср = 2,45A;

E_{r min.} =7,54В; I_{к min} = 1,3A.

I_км=(1+b)I’_км =(1+0,1) ·2,6=2,86 А (2.29)

I₁=(1+b)I₁ =(1+0,1) ·2,45=2,695 А (2.30)

I_ок=2bI_{к min} =2·0,1·1,3=0,26 А (2.31)

I₂=-(1-b)I₁ = -(1-0,1)·2,45= -2,205 А (2.32)

I_кmin= - (1-b)I_км = - (1-0,1)·2,6= - 2,34 А (2.33)

Далее определяем амплитуды гармоник тока коллектора:

 (2.34)

(2.35)

 (2.36)

 (2.37)

 (2.38)

Коэффициент гармоник для схемы ОЭ:

 (2.39)

При включении же с общим коллектором отрицательная обратная связь снизит коэффициент гармоник до величины:

 (2.40)

По условию Кг = 1,5 %, поэтому это значение нас удовлетворяет.

Определим емкость разделительного конденсатора:

 (2.41)

По ряду Е12 округляем до Ср = 2,2 мкФ

Определим площади дополнительного теплоотвода (радиатора), транзистор охлаждающего:

 (2.42)

F’ -коэффициент теплоотдачи (F’ = (1,2... 1,4)* 10^-3 Вт/см² град);

t°_{nep max} максимальная температура коллекторного перехода (t°_{nep max} (Ge) = 90...100°С,°_neрmax(Si)-150...200°C)

t°_{Cp max} - максимально возможная температура окружающей среды;

R_tПК - величина теплового сопротивления транзистора.

R_tПК ≈ 1,5град/Вт при P_кдоп ≤ 12 Вт

R_tПК ≈ 3град/Вт при P_кдоп ≤ 30 Вт

R_tПК≈ 5…10град/Вт при P_кдоп > 30 Вт

Pk - мощность, выделяемая в транзисторе (Pкв≈0,5Р; Pк_АВ≈0,7P)

Вывод: В результате расчетов была принята схема двухтактного выходного каскада на составных транзисторах с двухполярным источником питания. Для нормальной работы усилителя принимается напряжение источника питания Ек = 35 В. При выборе транзисторной пары (КТ816г и КТ817г) учитывалось, что транзистор должен быть комплиментарным, т.е. с противоположными типами проводимости и одинаковыми параметрами. Далее был произведен расчет параметров усилителя: Кр = 22,43; КПД = 66%; Р_вх = 2,006 Вт; Р₀ = 74,01 Вт; R_BX = 333 Ом. Данная схема обеспечивает коэффициент гармоник = 1,2%, при сопротивлении генератора Rг = 333 Ом.

2.2 Расчет источника питания

Согласно заданию выбираем однофазную мостовую схему выпрямления. По таблице 2 определяются ориентировочные значения параметров вентилей Uобр, Iпр.ср, Iпр, а также полная мощность трансформатора Sтр.

Для ориентировочного определения этих параметров следует задаться значением вспомогательных коэффициентов B и D. Для мостовой схемы B = 0,95…1,1; D = 2,1…2,2.

Таблица 2 - Основные параметры выпрямительных схем

 (2.43)

 (2.44)

Параметры трансформатора:

 (2.45)

 (2.46)

 (2.47)

Параметры диодов:

 (2.49)

 (2.50)

 (2.51)

Выбираем тип вентилей. При этом необходимо выполнить условия:

; (2.52)

; (2.53)

. (2.54)

Выбираем диоды 1N5401 со следующими параметрами:

Сопротивление вентилей в прямом направлении:

 (2.55)

Определяем активное сопротивление обмоток трансформатора:

 (2.56)

Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:

 (2.57)

где  - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (для двухполупериодной схемы со средней точкой ; для мостовой схемы );

p - число чередующихся секций обмоток (если вторичная обмотка наматывается после первичной (или наоборот), p=2; если первичная обмотка наматывается между половинами вторичной обмотки p=3).

Определяется угол φ, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:

 (2.58)

где n_в - количество последовательно включенных и одновременно работающих вентилей (n_в=1 - для схемы со средней точкой; n_в=2 - для мостовой схемы).

Находим основной расчётный коэффициент:

, (2.59)

где m - число фаз выпрямителя, m=2.

По найденному значению A и углу φ определяются вспомогательные коэффициенты B, D, F (приложение В) и по таблице 2 находятся необходимые параметры трансформатора и вентиля: U₂, I₂, S₂, I₁, S₁, S_тр, U_обр, I_пр.ср, I_пр, I_прmax. Проверяется правильность выбора вентилей.

В=1,35

D=1,9

F=4,8

H=1400

Уточняем параметры:

Параметры трансформатора:

 (2.60)

 (2.61)

 (2.62)

 (2.63)

Параметры диодов:

 (2.64)

 (2.65)

 (2.66)

Рассчитаем сглаживающий фильтр:

 (2.67)

где 0.67 коэффициент сглаживания мостовой схемы.

Определим R_ф:

 (2.68)

R_ф≈7,38Ом

Далее определим Cф:

 (2.69)

Так как k_cг > 25 рекомендуют использовать многозвенные LC-фильтры. При этом коэффициент сглаживания каждого звена k_{cг зв}=.

 (2.70)

Выбираем стабилизатопр напряжения LM317AH:

Определяется:

 (2.71)

Определяется величина балластного сопротивления:

 (2.72)

3. Разработка модели устройства

электроника физика усилитель мощность каскад

Моделирование устройств в электронике имеет свои особенности, обусловленные характерными свойствами используемых полупроводниковых приборов и других элементов схем.

Пакет прикладных программ Multisim имеет более широкие возможно-сти по сравнению с пакетом Workbench. Пакет Multisim предназначен для моделирования как простых, так и достаточно сложных электрических цепей. Он позволяет проводить дополнительные исследования цепей с помощью различных приборов.

Моделирование нашего усилителя начнем с источника питания. Для этого в базе элементов Multisim выбираем источник переменного синусоидального напряжения, диоды для диодного моста, катушки индуктивности и конденсаторы для сглаживающего фильтра, стабилизатор напряжения.

Затем начинаем собирать усилитель. Выбираем в базе транзисторы, сопротивления для обеспечения необходимого смещения и емкости, служащие в качестве разделительных конденсаторов. В качестве нагрузки будем использовать сопротивление номиналом 12 Ома.

Для анализа данных будем использовать двухканальный осциллограф, подключаемый к источнику входного сигнала и к выходу на нагрузке. В качестве источника входного сигнала будем использовать функциональный генератор, который будет подавать на схему сигнал синусоидальной формы.

Для отслеживания величины тока будем использовать мультиметр, подключенный в разрыв между выходом усилителя и нагрузкой. Для измерения нелинейных искажений будем использовать измеритель нелинейных искажений.

4. Результаты моделирования

Осциллограммы напряжений в контрольных точках:

Рисунок 3 - Осциллограммы напряжений

Значение токов и напряжений при максимальном напряжении:

Iвых = 2,146А

Uвых = 25,74В

Значение токов и напряжений при номинальном напряжении:

Iвых = 2,056А

Uвых = 24,672В

Рисунок 3 - Осциллограмма работы сглаживающего фильтра и источника питания

Анализируя результаты моделирования приходим к выводу, что усилитель очень хорошо работает при номинальном напряжении источника питания, выдает необходимый ток нагрузки, но имеет чуть больший коэффициент нелинейных искажений равных 1,578% (по заданию задано 15%). Источник питания выдает необходимое напряжение и имеет минимальные пульсации равные 0,023.

При моделировании усилителя на повышенном напряжении источника питания усилитель выдает очень небольшие нелинейные искажения.

Делаем вывод, что усилитель реализовать, исходя из данных задания и расчетов, нам удалось.

Заключение.

В ходе выполнения курсовой работы был разработан усилитель мощности на 45 Вт, был проведен полный расчет всех элементов усилителя, был рассчитан и спроектирован источник питания, сглаживающий фильтр. На основании всех этих расчетов было произведено моделирование спроектированного устройства и произведен анализ его работы.

Список использованных источников:

1. Гершунский Б.С. Расчет электронных схем.- Москва.-122с.

2.       Москатов Е.А . Полупроводниковые приборы. - М.: Журнал «Радио», 2005.-205с.ил

.        Горюнов Н.Н, Клейман А.Ю. - Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. - М.:Энергия, 1979,744с.ил

Приложение А

Выходные и входные характеристики транзисторов КТ816г и КТ817г

Приложение В

Зависимости коэффициентов B,D,F,H от А