Разработка электронного усилителя с эллиптическим фильтром.. Курсовая_Нурисламов М.Ф._БАТЗУ-19-01. Министерство науки и высшего образования российской федераци

Название	Министерство науки и высшего образования российской федераци
Анкор	Разработка электронного усилителя с эллиптическим фильтром
Дата	06.01.2022
Размер	367.56 Kb.
Формат файла
Имя файла	Курсовая_Нурисламов М.Ф._БАТЗУ-19-01.docx
Тип	Курсовая #324805

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИ И

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный университет науки и технологий
имени академика М.Ф. Решетнёва»
Институт заочного обучения.

институт/ факультет/ подразделение
Кафедра автоматизации производственных процессов.

кафедра/цикловая комиссия

КУРСОВАЯ РАБОТА

Разработка электронного усилителя с эллиптическим фильтром.

тема проекта (работы)

Руководитель ____________ М.С. Лурье.

подпись, дата инициалы, фамилия
Обучающийся БАТЗУ19-01,192414027 ____________ М.Ф. Нурисламов.

номер группы, зачетной книжки подпись, дата инициалы, фамилия

Красноярск 2021

ЗАДАНИЕ

На курсовую работу по курсу «Электротехника и электроника».

Тема работы:Разработка электронного усилителя с эллиптическим фильтром.
Вариант №28

Таблица 1 - Исходные данные

Е_Г, В	R_Г, кОм	R_Н, Ом	Р_Н, Вт	Тип фильтра	Тип аппрокси- мации	Порядок фильтра	f_c, Гц	f_н, Гц	f_в, Гц
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
0,05	5.0	10	0,4	ФВЧ	Эллиптич q1=0,5 дБ q2=-40 дБ	4	350

Графическая часть 1 лист.
1. Рассчитать и разработать схему усилителя с заданными параметрами.

2. Спроектировать блок питания для разработанных электронных устройств
При выполнении задания использовать литературу, перечень которой приведён в библиографическом списке пособия по курсовой работе на стр. 222.

Срок представления работы«___» _____________ 2021 г.

С одержание
Введение. 4

1. Расчет усилителя. 5

1.1. Структурная схема усилителя. 5

1.2. Определение основных параметров усилителя. 5

1.3. Выбор схемы и параметров входного каскада. 6

1.4. Выбор схемы и параметров активного фильтра. 8

1.5. Выбор схемы и параметров усилителя мощности. 10

1.6. Расчет теплового режима и расчет радиатора. 11

2. Проектирование блока питания. 12

2.1 Определение исходных данных и выбор схемы. 12

2.2 Расчет выпрямителя. 13

2.3 Расчет трансформатора. 14

Заключение. 16

Библиографический список. 17

Графическая часть. Схема электрическая принципиальная. 18

Перечень элементов. 19

Введение
Дисциплина «Электротехника и электроника» является базовой при подготовке специалистов в области электро- и радиотехники, телекоммуникаций, компьютерных технологий. Эта дисциплина обеспечивает начальную схемотехническую подготовку студентов для освоения специальных дисциплин.

Электротехника и электроника является дисциплиной, в которой студенты впервые сталкиваются с необходимостью одновременного обеспечения широкого комплекса противоречивых параметров функционирования проектируемых устройств, квалифицированной работы с рядом учебников и пособий, со справочной и периодической литературой, т.е. с тем комплексом вопросов, который характеризует реальное проектирование радиоэлектронных устройств. Приобретению навыков в данном вопросе и служит курсовое проектирование.

Целью проекта является составление и расчёт принципиальной схемы усилителяс заданной АЧХ формируемой при помощи активного фильтра, а также расчет блока питания для разработанного устройства.

1. Расчет усилителя

1.1. Структурная схема усилителя

Общая структурная схема усилителя, с источником сигнала и нагрузкойR_Н, показана на рис. 1.1

1 – Источник сигнала

2 – Входной каскад

3 – Активный фильтр

4 – Усилитель мощности
Рисунок 1.1- Структурная схема усилителя.
От источника 1, имеющего параметры Е_Г и R_Гсигнал подается на входной каскад 2, осуществляющий согласование сопротивления R_Г и входа усилителя, а также усиление сигнала до необходимого уровня, коэффициент усиления входного каскада обычно 15-25 раз. С выхода входного каскада усиленный сигнал подается на активный фильтр 3 (в данной работе ФВЧ), осуществляющий формирование заданной АЧХ, схема фильтра выполнена на повторителе напряжения, коэффициент усиления которого равен единице. Усилитель мощности 4 усиливает сигнал до уровня, обеспечивающего выделение в нагрузке заданной мощности.

1.2. Определение основных параметров усилителя.

Основными параметрами усилителя являются:

1) R_BX – входное сопротивление;

2) U_H – действующее значение напряжения на нагрузке;

3) I_H– действующее значение тока в нагрузке;

4) K_U – коэффициент усиления по напряжению.

Входное сопротивление усилителя R_BX_, должно быть на много больше внутреннего сопротивления источника сигнала R_Г. Так как величина R_Гуказана в задании на проектирование, то выбираем:

Ом (1.1)

Принимаем

кОм.

Действующее значение напряжения на нагрузке найдем по заданным P_H и R_Н:

(1.2)

где К=1.1 – коэффициент некоторого запаса.

В

По известному U_H найдем I_H:

А (1.3)

Коэффициент усиления по напряжению найдем по формуле:

(1.4)

Рассчитав основные параметры усилителя распределим усиление по каскадам. Общий коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления входящих в него каскадов:

(1.5)

где

– коэффициенты усиления входного каскада, активного фильтра и усилителя мощности.

Для дальнейшего расчета распределим усиление следующим образом:

1.3. Выбор схемы и параметров входного каскада

Основной схемой включения ОУ в усилительных устройствах является инвертирующее включение, как имеющее более стабильный коэффициент усиления, меньшее выходное сопротивление, расширенную линейную область передаточной характеристики, кроме того при таком включении значительно ниже синфазная помеха. Хотя при этом получается относительно низкое входное сопротивление и повышенный уровень шумов.

Оценим возможное входное сопротивление каскада по схеме инвертирующего усилителя:

кОм (1.6)

, поэтому в качестве входного каскада выберем ОУ в схеме инвертирующего усилителя по простой схеме. Схема каскада показана на рис. 1.2

Рисунок 1.2- Входной каскад.

Коэффициент усиления инвертирующего каскада:

(1.7)

Хотя он и определяется сопротивлениями указанных резисторов, это не значит, что они могут быть выбраны произвольно.В практических схемах не рекомендуется устанавливать R₂ более 1МОм. Входное сопротивление этой схемыR_вх=R₁, а так как R_вхопределено ранее (формула 1.1), то

кОм. По формуле (1.7) можно определить сопротивление R₂:

кОм (1.8)

Далее определим

кОм (1.9)

Округляем до стандартных значений:

Для входного каскада применим операционный усилитель К140УД6, который имеет цепи внутренней коррекции и не требует подключения внешних элементов.

1.4. Выбор схемы и параметров активного фильтра

По заданию требуется спроектировать эллиптический активный фильтр верхних частот четвертого порядка с частотой среза f_C=350 Гц, уровнем минимумов пульсаций АЧХ в полосе пропусканияq₁=0,5 дБ и уровнем максимумов пульсаций в полосе задерживания q₂=-40 дБ. Чтобы получить фильтр четвертого порядка используем каскадное соединение двух звеньев второго порядка.

Для реализации неполиномиальных фильтров, а именно к таким относятся фильтры эллиптические, наиболее подходит биквадратное звено, рис. 1.3.

Рисунок 1.3- Биквадратное звено второго порядка
Операторная передаточная функция фильтраW(p) это отношение изображения выходного напряженияU_вых(p) к входному U_вх(p):

(1.11)

У неполиномиального фильтра операторная передаточная функция записывается в виде произведения:

(1.12)

гдеc₁ и b₁безразмерные коэффициенты.

Из таблицы (ПриложениеВ [4]) выписываем значения коэффициентов для эллиптического фильтра с заданнымиq₁=0,5 дБ и q₂=-40 дБ:

(1.13)

Рассчитываем величины элементов первого звена:

(1.14)

(1.15)

Величину С2 принимаем равной С1:

мкФ (1.16)

Определяем величину сопротивления R1:

Ом (1.17)

Округляем до стандартного значения: R1=8,2 кОм

кОм (1.18)

Находим R3:

Ом (1.19)

Округляем до стандартного значения:R3=11 кОм

Ом (1.20)

Округляем до стандартного значения: R7=16 кОм

кОм (1.21)

Ом (1.22)

Округляем до стандартного значения: R5=75 кОм

кОм (1.23)

Аналогичные расчеты проведем для второго звена:

Ф (1.24)

Ом (1.25)

Округляем до стандартного значения:

кОм

кОм (1.26)

Находим R3:

Ом (1.27)

Округляем до стандартного значения:

кОм

Ом (1.28)

Округляем до стандартного значения:

кОм

кОм (1.29)

Ом (1.30)

Округляем до стандартного значения:

кОм

кОм (1.31)

Для активного фильтра верхних частот выбираем ОУ аналогичный примененному во входном каскаде – К140УД6.

1.5. Выбор схемы и параметров усилителя мощности

В реальных промышленных электронныхсхемах актуальной является задача получения максимальной мощности полезного сигнала в нагрузочном устройстве, в качестве которого может выступать обмотки электродвигателей, реле, громкоговорителей и другие элементы электрических цепей. Каскады усиления, которые решают эту задачу называют усилителями мощности (УМ).

Получение заданной мощности в нагрузке обеспечивается соответствующим выбором схемы и активного прибора УМ. Наибольшее распространение для получения мощностей свыше 1 Вт получили двухтактные схемы, как имеющие больший КПД, хотя проигрывающие однотактным схемам по линейности. Поэтому современные УМ строят, как правило, по бес трансформаторным двухтактным схемам. При таком построении УМ состоит из двух частей: предварительного каскада на ОУ обеспечивающего усиление по напряжению и оконечного каскада на мощных транзисторах обеспечивающего усиление по току. Существует ряд типов ОУ которые в своей структуре уже содержат как каскады предварительного усиления так и выходной каскад на мощных транзисторах. Одним из них являетсяОУ типа К157УД, выходной ток которого 0,3А, рассеиваемая мощность без теплоотвода 0,5Вт выходное напряжение ± 12 В. Схема включения ОУ К157УД показана на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Схема включения ОУ типа К157УД1

Из формулы 1.6, с учетом полученных коэффициентов усиления входного каскада и активного фильтра, определяем требуемый коэффициент усиления по напряжению УМ:

(1.25)

Задавшись величиной

кОм, определяем величину R₁:

кОм (1.26)

Округляем до стандартного значения:

Определяем величину

кОм (1.27)

Округляем до стандартного значения:

Определяем напряжение питания УМ:

В

Выбираем из стандартного ряда:

В.

Среднее значение тока, потребляемого УМ от источника питания:

А (1.29)

где

- собственный ток потребления ОУ.

1.6. Расчет теплового режима и расчет радиатора.

Определяем максимальную тепловую мощность, выделяемую внутри корпуса ОУ:

Вт (1.30)

Так как допустимая мощность рассеяния К157УД без радиатора

Вт, то условие

выполняется и применение внешнего теплоотвода не требуется.

2. Проектирование блока питания

2.1 Определение исходных данных и выбор схемы

Целью расчета является определение токов и напряжений трансформатора, его мощности, выбор диодов, определение емкости конденсатора фильтра.

Исходными данными для расчета являются:

U₀– постоянное напряжение на выходе выпрямителя;

I₀– ток на выходе выпрямителя;

U_c– сетевое напряжение;

f_c– частота питающей сети;

K_П%– коэффициент пульсаций.

В так как это напряжение необходимое для питания УМ, а особых требований к питанию ОУ входного каскада и активного фильтра не предъявляется, и ОУ типа К140УД6 допускают питание таким напряжением.

(2.1)

где

– токи, потребляемые входным каскадом, активным фильтром и усилителем мощности.

Во входном каскаде и активном фильтре применены ОУ типа К140УД6, потребление которых составляет 3мА, потребление усилителя мощности определено формулой 1.24, тогда

и:

(2.2)

Принимаем запасом,

2.2 Расчет выпрямителя

Применим мостовой выпрямитель со средней точкой и мостовым фильтром, рис. 2.5.

Рассчитаем среднее значение выпрямленного тока вентиля:

(2.3)

Определяем внутреннее сопротивление вентиля:

(2.4)

Рисунок 5 – Схема выпрямителя
Определяем внутреннее сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке:

(2.5)

ГдеK=2,2 расчетный коэффициент схемы мостового выпрямителя со средней точкой;

j=3 А/мм² – плотность тока в обмотках;

B=1,2 Тл – индукция магнитного поля в сердечнике.

Определяем основной расчетный коэффициент:

(2.6)

По графикам, рисунок 3.6[1], определяем вспомогательные коэффициенты B, D, F:

B=1,5, D=1,8, F=4,5

Определяем обратное напряжение на вентиле:

В (2.7)

Амплитудное значение тока вентиля:

А (2.8)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

В (2.9)

Ток вторичной обмотке трансформатора:

(2.10)

Действующее значение тока через вентиль:

А (2.11)

Габаритная мощность трансформатора:

Вт (2.12)

Из справочника выбираем диоды, которые по своим параметрам превосходят расчетные значения – однофазный мост 2Ц412А

Определяем емкость конденсатора фильтра:

мкФ (2.13)

Выбираем из стандартного ряда –2000 мкФ.

2.3 Расчет трансформатора

Для выбора магнитопровода необходимо найти произведение площадей поперечного сеченияS_C стали магнитопровода и окнаS_OK для размещения обмоток:

см⁴ (2.14)

где

– коэффициент полезного действия трансформатора;

–коэффициент заполнения окна медью;

– коэффициент заполнения поперечного сечения сердечника сталью.

По таблице 3.2[1] выбираемброневой ленточный сердечник ШЛ10Х16, у которогоS_CS_OK=4 см⁴, S_C=1,6см⁴, S_OK=2,5 см⁴,рис. 2.6.

Определяем число витков в первичной обмотке:

вит (2.15)

где

– потери напряжения в первичной обмотке (определяются по рисунку 3.8[1])

Определяем число витков во вторичной обмотке:

вит (2.16)

где

– потери напряжения во вторичной обмотке (определяются по рисунку 3.8[1]).

Рисунок 2.6 – Ленточный магнитопровод типоразмера ШЛ10х16.

Диаметр провода вторичной обмотки без учета толщины изоляции:

мм (2.17)

Ток в первичной обмотке:

А (2.18)

Диаметр провода первичной обмотки без учета толщины изоляции:

мм (2.19)

Полученные диаметры проводов округляем до ближайших стандартных по таблице 3.3[1]:

Для первичной и вторичной обмоток выбираем провод ПЭВ-2 с диаметром провода с изоляцией:

для первичной обмотки – 0,414мм;

для вторичной – 0,63мм.

Заключение

В данном курсовом проекте рассчитывался активный фильтр с усилителем и выпрямитель с емкостным фильтром.

В результате расчетов определены величины резисторов и конденсаторов входящих в схему и выбраны их номиналы из стандартного ряда Е24. Составлена принципиальная схема устройства и перечень элементов.

Устройство имеет АЧХ соответствующую эллиптическому ФВЧ четвертого порядка, выходная мощность устройства –0,4 Вт на нагрузке 10 Ом.Выходное напряжение выпрямителя двуполярное, ±9В, ток нагрузки 150 мА.

Требования, изложенные в задании на курсовую работу выполнены.

Библиографический список:
1. Аксенов, А. И. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы: справочник / А. И. Аксенов, А. В. Нефедов, А. М. Юшин. – Москва: Радио и связь, 1993. – 224 с. – Текст: электронный // Booksee.org : [сайт]. – URL: https://booksee.org/book/481590 (дата обращения: 13.03.2021).
2. Джонсон, Д. Справочник по активным фильтрам: перевод с английского / Д. Джонсон, Дж. Джонсон, Г. Мур. – Москва: Энергоатомиздат, 1983. – 128 с. – Текст: электронный // Booksee.org : [сайт]. – URL: https://booksee.org/book/563774 (дата обращения: 14.03.2021).
3. Лурье, М. С.Электротехника и электроника. Промышленная электроника: учебное пособие / М. С. Лурье, О. М. Лурье. – Красноярск: СибГТУ, 2013. – 111 с. – Текст: непосредственный.
4. Новаченко, И. В. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: справочник / И. В. Новаченко, В. М. Петухов, И. П. Блудов, А. В. Юровский. – Москва: КУбК-а, 1995. – 384 с. – Текст: электронный // Booksee.org : [сайт]. – URL: https://booksee.org/book/564345 (дата обращения: 06.03.2021).
5. Пейтон, А. Дж. Аналоговая электроника на операционных усилителях: практическое руководство / А. Дж. Пейтон, В. Волш. – Москва: БИНОМ, 1994. – 352 с. – Текст: электронный // Booksee.org : [сайт]. – URL: https://booksee.org/book/782046(дата обращения: 06.03.2021).