Курсовой проект Расчёт ждущего мультивибратора Пояснительная записка кп 14Р3б. 24. 00. 00. 000 Пз

• Название: Курсовой проект Расчёт ждущего мультивибратора Пояснительная записка кп 14Р3б. 24. 00. 00. 000 Пз
• Дата: 06.03.2023
• Размер: 0.92 Mb.
• Имя файла: Kursovaya_zhduschiy_multivibrator_2_kurs_mikroelektronika_2.docx
• Тип: Курсовой проект; #971393

Министерство образования Республики Беларусь

Филиал БНТУ

«Минский государственный политехнический колледж»

Специальность

2-36 04 32 «Электроника механический транспортных средств»

Курсовой проект

Расчёт ждущего мультивибратора

Пояснительная записка

КП 14Р3б.24.00.00.000 ПЗ

Разработал А. А. Шлапак

Руководитель Т. А. Бобровничая

2022
Содержание

Введение 4

1 Литературный обзор 5

2 Анализ исходных данных 8

3 Разработка электрической структурной схемы ждущего мультивибратора на p-n-p транзисторах 9

4 Разработка электрической принципиальной схемы ждущего мультивибратора на p-n-p транзисторах 10

5 Расчёт ждущего мультивибратора 11

6 Выбор элементной базы 17

Заключение 18

Литература 19

Перечень ТНПА 20



Введение

Задача формирования электрических импульсов и других видов сигналов решается с помощью специальных формирователей или генераторов, относящихся к классу нелинейных устройств. Для создания электрических импульсов служат импульсные генераторы.

Длительность генерируемых импульсов может составлять от единиц наносекунд до сотен миллисекунд при скважности от двух до десятков и сотен тысяч. По способу возбуждения различают импульсные генераторы с самовозбуждением (автоколебательные), внешним, или посторонним возбуждением и генераторы, работающие в ждущем или заторможенном режиме.

Ждущие импульсные генераторы отличаются от импульсных генераторов с внешним возбуждением тем, что параметры импульсов, генерируемых ждущими генераторами, практически не зависят от формы внешних (запускающих импульсов).

Для обеспечения работы в ждущем режиме применяются специальные схемотехнические меры, вследствие чего цепь ПОС начинает действовать только после подачи на вход генератора запускающего импульса.

Отличительной особенностью большинства генераторов импульсов является наличие двух устойчивых состояний равновесия. Переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется не плавно, а скачкообразно и имеет лавинообразный характер в начальной стадии. Такой процесс называется регенеративным, а устройства работа которых основана на использовании этого процесса – регенеративными.

Генераторы импульсов нашли широкое применение в радиолокации, радиосвязи, телевидении, вычислительной технике.

Курсовой проект по дисциплине «Основы электроники и микроэлектроники» является завершающим этапом изучения учебной дисциплины. Целью этого курсового проекта является закрепление знаний и их применение на опыте. Задача данного проекта – научиться рассчитывать ждущий мультивибратор и разрабатывать структурную и принципиальную схемы этого импульсного генератора.

Литературный обзор

Ждущий мультивибратор — это простой генератор, вырабатывающий одиночный прямоугольный импульс по команде – более короткому импульсу запуска. Так как он вырабатывает всего один импульс, второе название ждущего мультивибратора – одновибратор. Принцип работы основан на зарядно=разрядном процессе конденсатора. Простейшей является схема одновибратора на биполярных транзисторах, которая изображена на рисунке 1.1



Рисунок 1.1 – Ждущий мультивибратор на биполярных транзисторах

Достоинства схемы:

-незначительное влияние обратного тока коллектора на длительность импульсов;

-малое время восстановления и легкий запуск;

-возможность формирования весьма широких импульсов при незначительном времени.

Недостатки схемы:

-низкая нагрузочная способность;

-низкий КПД;

-наличие резисторного делителя напряжения.

Ждущий мультивибратор также может строиться на базе логических элементов. Схема данного генератора импульсов представлена на рисунке 1.2



Рисунок 1.2 – Ждущий мультивибратор на логических элементах

Достоинства схемы:

-хорошие эксплуатационные характеристики;

-простота конструкции;

-высокая температурная стабильность:

Недостатки схемы:

-малый частотный диапазон;

-низкое быстродействие.

Недостатком всех схем мультивибратора на транзисторах является отличие форм выходных импульсов от прямоугольных. Чтобы избавиться от этого недостатка существует схема мультивибратора на ОУ.



Рисунок 1.3 – Мультивибратор на ОУ

Достоинства схемы:

-большой коэффициент усиления напряжения;

-простота конструкции;

-высокая стабильность частоты и скважности.

Недостатки схемы:

- наличие напряжения смещения нуля.

Анализ исходных данных

Требуется разработать ждущий мультивибратор со следующими основными параметрами:

• 
  Амплитуда выходных импульсов U_ки=8В;
  
• 
  Длительность импульса tи=20мкс;
  
• 
  Длительность выходных импульсов tн1≤115мкс;
  
• 
  tc1≤18 мкс;
  
• 
  Период следования импульсов Т=1020мкс;
  
• 
  Максимальная температура окружающей среды t◦=+40◦С
  

Наиболее принципиальное требование заключается в обеспечении максимально возможной амплитуды выходных импульсов, такому требованию соответствует мультивибратор на полевых транзисторах.

Высокое входное сопротивление полевых транзисторов позволяет конструировать мультивибраторы на очень низкие частоты повторения импульсов при малых ёмкостях времязадающих конденсаторов. Благодаря этому форма выходных импульсов оказывается менее искажённой, а скважность больше, чем у мультивибраторов на биполярных транзисторах и других элементах. Поэтому более высокими характеристиками будут обладать приборы, разработанные на полевых транзисторах. Однако они требуют высоких токов баз и не имеют такой надёжности и компактности трассировки на плате, как биполярные транзисторы, что позволяет закрыть глаза на повышенные выходные характеристики устройств на полевых транзисторах.

Исходя из вышеприведённых особенностей можно сделать вывод, что в рамках масштабного производства и стабильности работы наиболее целесообразной будет схема мультивибратора на биполярных транзисторах с управляющим p-n-p переходом.



Разработка электрической структурной схемы ЭУ

Структурная схема приведена в чертеже:

- ИП – источник питания, отвечающий за питание всей схемы и её запуск;

- ДН – резисторный делитель напряжения;

- ФИ – формирователь импульсов;

- ТК – транзисторные ключи, принцип работы схемы основан на запуске через данные ключи;

- Н – нагрузка в виде Rн, конечного потребителя или минуса ИП.

В состоянии, называемом “Установившимся режиме ожидания” мультивибратор остается до подачи пускового импульса. При подаче пускового импульса проходящие токи вызывают лавинообразный процесс, при котором один из ключей окончательно закрывается, второй окончательно открывается.

При кратковременном нажатии кнопки запуска, на базово-эмиттерный переход одного ключа подается отпирающее напряжение и транзистор открывается. При этом напряжение заряженного ФИ, через открытый коллекторно-эмиттерный переход ключа окажется приложенным к эмиттерно-базовому переходу второго ключа обратной полярностью. В результате второй транзистор закроется(начало выходного импульса), а ток, который ранее проходил через открытый коллекторно-эмиттерный переход второго ключа, будет проходить через базово-эмиттерный переход первого ключа. Этот ток удерживает первый ключ в открытом состоянии. Одновременно происходит перезаряд ФИ(от напряжения ИП одной полярности, до напряжения 0,7…1,0В противоположной полярности). Когда ФИ перезарядится, его сопротивление увеличится, и ток, который ранее протекал через малое сопротивление ФИ и открытый переход коллектор-эмиттер первого ключа, потечёт на базу второго транзистора, заставляя его открыться(конец выходного импульса). В результате ток, ранее идущий на базу первого транзистора, потечёт через открытый переход коллектор-эмиттер второго транзистора на минус ИП. Падение потенциала базы первого ключа вызовет его закрывание. До прихода нового импульса запуска, происходит «быстрый» заряд ФИ. После этого ждущий мультивибратор переходит в режим ожидания нового импульса запуска.

Структурная схема представлена в графической части.

3. Разработка электрической принципиальной схемы ЭУ

В начальный момент подачи питания практически никаких переходных процессов в ждущем мультивибраторе не происходит. После подачи питания по цепям ждущего мультивибратора протекает два основных тока, стремящихся открыть транзисторы: — VT2 по пути: «+ источника питания - резистор R1 - малое сопротивление разряженного С1 - базово-эмиттерный переход VT2 - —источника питания»; VT1 по пути: «+ источника питания - резистор - резистор R3 - базово-эмиттерный переход VT1 - — источника питания». Поскольку сопротивление резистора R1, конденсатора С1 и параллельно подключенного к этой цепи резистора R2 намного меньше сопротивления последовательно включенных резисторов R4 и R3, то базовый ток транзистора VT2 значительно превосходит базовый ток транзистора VT1. Поэтому транзистор VT2 открывается. База транзистора VT1 оказывается шунтирована на эмиттер VT1 через резистор R3 и малое сопротивление открытого перехода коллектор-эмиттер транзистора VT2. В результате этого транзистор VT1 закрывается. Одновременно происходит «быстрый» заряд конденсатора С1 по пути: «+ источника питания - резистор R1 - конденсатор С1 - базово-эмиттерный переход VT2- — источника питания». Конденсатор зарядится до значения, равного напряжению источника питания. В таком состоянии, являющимся «Установившимся режимом ожидания импульса запуска» ждущий мультивибратор и остается до прихода импульса запуска.

Для того, чтобы открыть транзистор VT1 необходимо на его базу относительно эмиттера подать импульс положительной полярности. На чертеже представлена схема ждущего мультивибратора с запуском положительным напряжением от источника питания. Как пример, используется обыкновенная кнопка. Резистор R5 используется для того, чтобы ограничить ток, прикладываемый к базово-эмиттерному переходу транзистора. В момент запуска (пока транзистор VT2 открыт) резистор R5 совместно с резистором R3 образуют делитель напряжения.

Принципиальная электрическая схема представлена в графической части.

Расчёт ждущего мультивибратора на p-n-p транзисторах

Исходные данные: амплитуда выходных импульсов Uки=8В; tc1≤18 мкс; длительность импульса Ти=20мкс; период следования импульсов Т=120мкс; максимальная температура окружающей среды t◦=+40◦С.

Выбор транзистора определяется теми же параметрами, что и в мультивибраторе. Находим скважность по формуле:

Q=T/Tи,

где T – период следования импульсов, мкс;

Ти – длительность импульса, мкс.

По формуле рассчитываем скважность:

Q=1020/20=51.

Предельная частота находится по формуле:

,

Где Q – скважность,

t_и – длительность импульса, мкс;

Используя формулу вычислим предельную частоту:



Напряжение источника питания рассчитываем по формуле:



Где U_ки – амплитуда положительного импульса, В;

U₁^’ – напряжение, В;

Обычно принимают U₁^’≈(0,2÷0,3)Е_к. Поэтому выбираем U₁^’≈0,25Е_к, и тогда, используя формулу, находим напряжение источника питания:

Е_к≈1,5U_ки=1,5×8=12 В.

Принимаем Е_к=14,5 В.

Следовательно, максимальное допустимое напряжение между базой и коллектором находим по формуле:

U_КБмакс=2Е_к,

Где E_к – напряжение источника питания, В.

Используя формулу, вычислим максимальное допустимое напряжение между базой и коллектором:

U_КБмакс=2×14.5=29В

Требуемый коэффициент передачи по току:



где К_нас – коллектор в режиме насыщения.

В ждущих мультивибраторах K_нас≈1.2-1.4. Тогда, воспользовавшись формулой, рассчитаем коэффициент передачи по току:



По рассчитанным параметрам подходят транзистор МП20А, который был использован в расчете мультивибратора.

Рассчитываем сопротивления резисторов Rк2 и R1. Определяем допустимый ток коллектора транзистора VT2 в режиме насыщения при заданной температуре t◦окр=+40°С:



Тогда сопротивление резистора Rк2: (

,

где Uки — амплитуда положительного импульса, В;

I_К2нас — ток коллектора в режиме насыщения, мА.

Воспользовавшись формулой, рассчитаем сопротивление В:



Принимаем Rк2=270 Ом

Вычисляем R₁ по формуле:



Сопротивление резистора Rк1:

Rк1=(2-3)270=(2-3)270=(540-810)=750 Ом

Сопротивление резистора R3 определяем из неравенства





Сопротивление резистора R2 определяем по формуле:



Сопротивление резистора Rб2:



Используя формулу, расчитываем Rб2:

=58,5кОм

Проверяем влияние обратного тока коллектора на длительность импульса:



Таким образом, влияние будет незначительным.

Рассчитываем ёмкость конденсатора:





Проверяем длительности фронта и среза импульса t_ф≈t_c≈3t_a=3×0.16/20×10⁶=0,24 мкс. При таких значениях t_ф и t_c форма импульса будет удовлетворительной.

Время восстановления ёмкости конденсатора:

t_a≈4Rк1C≈4×750×850×10^-12≈2,55 мкс

Проверяем, успевает ли зарядиться ёмкость С до прихода следующего импульса t_u=T-t_и=1020-20=1000 мкс, t_u t_a, схема будет возвращаться в исходное состояние задолго до прихода следующего импульса.

Рассчитываем резистор R, его сопротивление выбирается из условия R≥(5-6)Rк1, следовательно R≥(5-6)×750; R=3,75-4,5кОм. Выбираем значение 4,3 кОм.

Ёмкость С_р должна успевать разрядиться за промежуток между входными импульсами. Поэтому данную ёмкость обычно принимают:



где Rи – сопротивление источника сигнала, его значение принимаем за 1 кОм.



Диод выбирается по значению допустимого обратного напряжения, в данном случае подойдет диод Д9В, у которого максимальное значение обратного напряжения U_{обр.макс.}=30В≥2Е_к.

Выбор элементной базы

Согласно схеме нужно подобрать элементы: VT1, VT2, R1, R2, R3, Rк1, Rк2, Rб2, R, C1, Cр, VD1.

Исходя из расчетов транзисторами VT1 и VT2 являются транзисторы МП20А со следующими параметрами: U_КБмакс=30 В, h21б=2 МГц, h21э=300, Iк_нас=232 мА, Pрасс.=0,15Вт.

Далее требуется подобрать коллекторные резисторы. Для этого требуется рассчитать рассеиваемую мощность по формуле:

P_Rрасс.=Pvt_{РАССном}

Так как у выбранных транзисторов Pрасс=0,15 Вт, то резисторы подбираем соответственно:

Rк1 - Бескорпусной резистор O603-0,1-750Ом±1%

Rк2 – Корпусной резистор CF-50-0,5-270Ом±5%

Подбор всех остальных резисторов проводится исходя из требуемого сопротивления:

R1 – Проволочный резистор SQP-5W-91RJ (91Ом±5%, 5 Вт)

R2 – Корпусной резистор С1-4-0,5-3.3кОм±5%

R3 – Корпусной резистор С2-23-0,25-10кОм±1%

Rб2 – Корпусной резистор МО-50-0,5-58,6кОм±5%

R – Корпусной резистор МО-200-2-4,3кОм±5%

Далее проводим подбор конденсаторов исходя из их номиналов ёмкостей по расчету:

C1 – Конденсатор керамический К10-17Б М1500 850пФ±5%

Cр. – Конденсатор керамический КМ-5Б М1500 4500пФ±5%

Диод выбран исходя из вычислений:

VD1 – Д9В

Заключение

В данной курсовой работе были достигнуты поставленные цели по изучению и расчету ждущего мультивибратора. Были сформированы навыки по сравнению мультивибраторов, разработке структурной схемы, разработке электрической принципиальной схемы, расчету ждущего мультивибратора и выбору элементной базы по заданным критериям. Успешно выполнены задачи по сравнению ждущего мультивибратора с другими подобными ему генераторами импульсов. Так же выполнено построение структурной схемы, и расчет схемы, а после был сделан выбор элементной базы. В ходе работы было выяснено, что ждущий мультивибратор на биполярных транзисторах один из лучших среди аналогов. Главное достоинство его заключается в простоте схемы и стабильных выходных параметрах. Мультивибраторы находят широкое применение в различных электронных устройствах. Генераторы данного вида используются также при калибровке других электронных схем. Таким образом, задание на курсовой проект выполнено успешно и в полном объёме.

Литература

1. Криштафович, А. Г. Основы промышленной электроники / А. Г. Криштафович. - М. : Высшая школа, 1985.

2. Бельский, А. Я. Электронные приборы : электронные компоненты и аналоговые устройства. Учеб. – метод. Пособие / А. Я. Бельский. – Минск : БГУИР, 2013.

3. Бочаров, Л. Н. Расчет электронных устройств на транзисторах / Л. Н. Бочаров. - М. : Энергия, 1978.

Перечень ТНПА

ГОСТ 2.102-68 ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

ГОСТ 2.104-2006 ЕСКД Основные надписи.

ГОСТ 2.105-95 ЕСКД Общие требования к текстовым документам

ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.302-68 ЕСКД. Масштабы.

ГОСТ 2.710-81 ЕСКД Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

ГОСТ 2.721-74 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.

ГОСТ 2.728-74 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы.

ГОСТ 2.747-68 ЕСКД Обозначения условные графические в схемах. Размеры условных графических обозначений.

ГОСТ 3.1130-93 ЕСТД. Общие требования к формам и бланкам документов.

ГОСТ 3.1201-85 ЕСТД. Система обозначения технологической документации.

ГОСТ 12.1.019-79 ССБТ Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.

ГОСТ 1494-77 Электротехника. Буквенные обозначения основных величин.

ГОСТ 19880-74 Электротехника. Основные понятия. Термины и определения.

СТО 07-2011 Правила выполнения текстовых документов.