Курсовая работа Коряковцев. Построение и расчёт схемы двухкаскадного усилителя
 Скачать 479.24 Kb.
|
|
СМК Ф 7.5.0-01-34
Курсовая работа
СодержаниеКурсовая работа 1 Содержание 2 Введение 3 Глава 1. Электрические усилители сигналов 4 1.1.Анализ информационных источников 4 1.2.Структура усилителя и область применения усилителей 4 1.3.Каскады усиления 6 1.4.Классы усилителей 7 1.4.1.Класс А 7 1.4.2.Класс B 8 1.4.3.Класс A/B 9 1.4.4.Класс D 10 Глава 2. Построение и расчет схемы двухкаскадного усилителя 11 2.1. Построение принципиальной схемы двухкаскадного усилителя 11 2.2. Расчёт элементов двухкаскадного усилителя 12 2.3. Принципиальная схема блока питания. 16 2.3.1. Расчет элементов схемы блока питания. 17 Заключение 20 Литература 21 Приложения 23 ВведениеЗачастую при работе со схемотехникой необходимо получить какой-либо сигнал с заданным уровнем (амплитудой или током). Но не всегда предоставляется возможность регулировать его на самом источнике. Именно для этих целей существуют усилители, коих разработано бесчисленное множество; и каждый из них имеет своё предназначение. В настоящее время какой-либо усилитель есть практически в каждом электрическом приборе. Сферы их применения так же безграничны: звук, сотовая связь, системы автоматики, измерительные приборы и т.д. В этой курсовой работе будут рассмотрены одноступенчатые и двухступенчатые усилители, а также их разработка и тестирование в соответствии с заданным техническим заданием. Объект исследования: электронные усилители. Предмет исследования: принципы работы двухкаскадных усилителей. Цель курсовой работы: построение и расчет принципиальной схемы двухкаскадного усилителя. Задачи курсовой работы: Задачи работы: Анализ информационных источников. Изучение основных типов усилителей на биполярных транзисторах. Разработка и тестирование двухкаскадного усилителя и блока питания для него. Замеры общего потребления тока схемы и расчет коэффициентов усиления. Глава 1. Электрические усилители сигналовАнализ информационных источниковНа данной момент по схемотехнике усилителей и блоков питания написано большое количество трудов, поэтому найти источники не составило труда. Основными источниками послужили учебные пособия Дорошкова, Боброва и методичка Изварина М. Ю. по исследованию биполярных транзисторов 2017 года, от куда брались в основном некоторые методологии по определению рабочей точки транзистора. Учебное пособие Боброва И. И. 2003 г, связанное напрямую со схемотехникой усилителей и разным схемам включениям транзистора, методические указания Изварина и учебное пособие Тюрина послужили для лучшего понимания принципов работы схем. Справочник Москатова по полупроводникам - здесь производился поиск необходимых компонентов для усилителя и блока питания во второй главе. Все дополнительные источники послужили резюмирующим средством для основной литературы, т.к. все самое нужное, по сути, было в них. Структура усилителя и область применения усилителейНа рисунке 1 представлены устройства, необходимые для работы усилителя.  Рисунок 1. Усилитель Под источником входного сигнала подразумевается микрофон, измерительные датчики и др., под нагрузкой акустическая система, различные исполнительные устройства. Мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя, является преобразованной мощностью его источника питания, а входной сигнал только управляет ею. Усилители питаются от источников постоянного тока. Усилители представляют собой последовательность каскадов усиления (бывают также однокаскадные усилители), которые соединены между собой, их схемотехника определяется видом нагрузки. В большинстве усилителей присутствуют обратные связи. Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить искажение сигнала (частотные и нелинейные). В некоторых случаях усилители содержат в себе термозависимые элементы. В усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания или цепи, через которые подаётся питающее напряжение через блок питания. Электронные усилители являются одним из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с использованием электрических сигналов. Высокая чувствительность, быстродействие, компактность и экономичность электронных усилителей привели к их широкому применению в измерительной технике, электротехнике и радиосвязи, автоматизации, компьютерных технологиях, а также во многих других областях и сферах. Каскады усиленияКаскад усиления — это каскад усилителя, содержащий один или несколько усилительных элементов, схемы нагрузки и соединения с предыдущими или последующими каскадами. Полупроводниковые усилительные элементы могут быть не только дискретными, но и интегрированными, часто полностью готовый усилитель реализован в одной микросхеме. В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором, общим затвором, общим источником, общим стоком и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом. Каскад с общей базой - усиливается только по напряжению, используется редко, имеет самую высокую частоту, не сдвигает фазу. Каскад с общим эмиттером - наиболее распространенный способ включения, он позволяет усилить сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим. Каскад с общим коллектором, также называемый повторителем, усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Он используется в качестве буферного усилителя. Каскадный усилитель представляет собой усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включается по схеме с общим эмиттером, а второй - по схеме с общей базой. Каскадный усилитель обладает повышенной стабильностью и низкой входной мощностью. Каскад распределенной нагрузки — это каскад, занимающий промежуточное положение между коммутационной схемой с общим эмиттером и общим коллектором. В качестве варианта каскада распределенной нагрузки используется выходной каскад усилителя мощности "с двумя подвесками". Важными свойствами являются фиксированный коэффициент усиления по напряжению, задаваемый элементами схемы, и низкие нелинейные искажения. Выходной сигнал является дифференциальным. Однотактный усилитель — это усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного элемента усилителя или одной группы элементов, соединенных параллельно. Двухтактный усилитель представляет собой усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединенных параллельно, со сдвигом фазы на 180°. Классы усилителейКласс АВ режиме работы класса А рабочая точка устанавливается на линейном участке проходной динамической характеристики. Для этого между базой и эмиттером при помощи одной из напряжения, которая называется величиной напряжения смещения. Усилители класса А обладают наибольшей точностью воспроизведения. Недостатком является крошечный КПД, который редко превышает 15-30%, и, соответственно, огромные размеры и вес становятся дополнительными проблемами. Потребление энергии также растет естественным образом. Для потребителей, стремящихся к максимальной точности воспроизведения, не стесненных в средствах и не боящихся огромной массы и габаритов - этот вариант идеален. Рабочая точка данного класса усилителей указана на рисунке 2, а схема простейшего усилителя данного класса на рисунке 3.  Рисунок 2. Рабочая точка усилителя класса А  Рисунок 3. Простейшая схема усилителя класса А Класс BРабочая точка для класса В выбирается практически в самом начале координат ВАХ, поэтому на выходе одного транзистора получаем одну полуволну. Для получения второй полуволны используют сразу два транзистора, с такой рабочей точкой, подключенных таких образом, что каждый транзистор усиливает только одну полуволну – либо положительную, либо отрицательную, все будет зависеть от прямой или обратной проводимости транзисторов. Главным недостатком такого класса является то, что он вносит искажения в сигнал из-за «ступенчатого» перехода между полуволнами. Поэтому, на низких уровнях входного сигнала будут нелинейные искажения, достигающие своего максимума. К плюсам же можно отнести; высокий КПД (50-60%), потребляемая мощность пропорциональна выходной мощности. Рабочая точка усилителя данного класса и его простейшая схема указаны на рисунках 4 и 5 соответственно.  Рисунок 4. Рабочая точка усилителя класса B  Рисунок 5. Простейшая схема усилителя класса B Класс A/BКласс АВ , это попытка объединить высокую эффективность и низкий коэффициент нелинейных искажений. При переключении усилительных элементов используется угол отсечки 90 градусов и более. Соответственно, рабочая точка расположена в начале линейного участка вольтамперной характеристики. Это позволяет добиться высоких показателей КПД – 70-80%. КНИ (КГИ) так же может быть очень небольшим – 0.0001%. Но т.к. здесь все же присутствует минимальный ток покоя, и транзисторы не запираются на время, когда сигнала на входе нет, то потребление в этот момент все же идет. Рабочая точка класса AB указана на рисунке 6.  Рисунок 6. Рабочая точка класса AB Класс DНаиболее распространенным, дешевым, высокопроизводительным и спорным классом усилителей является класс D. Ключевой режим работы транзистора – в этом режиме рабочая точка транзистора скачкообразно переходит из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, минуя линейный режим. В этом режиме элемент усиления может находится либо в открытом, либо в закрытом режиме, то есть ток в выходной цепи принимает 2 значения: Imax = Iнас и Ik = 0. Режим отсечки – оба перехода закрыты, ток базы равен нулю, ток коллектора обратному насыщению. Режим насыщения – оба перехода открыты, ток базы максимальный, ток коллектора равен току насыщения. Глава 2. Построение и расчет схемы двухкаскадного усилителя2.1. Построение принципиальной схемы двухкаскадного усилителяВ качестве первого каскада используется «n-p-n» транзистор Q2T3117А, в Electronics Workbench есть данный транзистор, а в справочнике Москатова Е.А. есть только 2Т3117А, поэтому расчеты будем делать по нему в качестве второго же используется КТ608А. Помимо транзисторов в схему необходимо установить по 2 резистора базы для каждого транзистора, а также: 1 резистор коллектора, 1 резистор эмиттера и 1 резистор нагрузки. Один конденсатор требуется установить после источника колебаний, а два других после каждого транзистора. Итоговая схема двухкаскадного усилителя будет выглядеть следующим образом (рисунок 7).  Рисунок 7. Схема двухкаскадного усилителя с обозначением элементов 2.2. Расчёт элементов двухкаскадного усилителяРасчет следует начать с выставления напряжений источника сигналов и источника питания. Возьмём их равными 5 мВ и 15 В соответственно. Ёмкость трёх конденсаторов будет равняться 10 миллифарадам. Для начала рассчитаем данные для первого каскада, построенного на транзисторе 2Т3117А. Для начала потребуется узнать максимальную мощность транзистора, её и другие характеристики можно узнать из справочника (рисунок 8).  Рисунок 8. Максимальная мощность транзистора равна 300 мВт, зная этот показатель, можно найти расчётную максимальную мощность по формуле:  . В данном случае расчётная мощность будет равна:  .Коэффициент передачи тока по справочнику  . Ток коллектора в статическом режиме находится по формуле:  В данном случае ток коллектора в статическом режиме будет равен:  Максимальный ток рассчитывается по формуле:  Для нахождения сопротивлений коллектора и эмиттера необходимо сначала найти их сумму по формуле:  Исходя из соотношения  , сопротивление коллектора  . Далее найдём ток управления базы транзистора по формуле:  Ток делителя ищется по формуле:  Для расчёта сопротивлений резисторов базы необходимо найти 2 параметра, а именно напряжение на базе и напряжение на эмиттере в режиме без входного сигнала. Вначале нужно найти второй параметр по формуле:  Напряжение на базе находится как сумма напряжений на эмиттере и на базе-эмиттере (  по следующей формуле: Как и в случае и коллектором и эмиттером, для начала необходимо найти сумму сопротивлений коллектора и эмиттера.  Сопротивление второго резистора базы найдём по формуле:  .Расчёт всех необходимый данных для первого каскада закончен, теперь следует приступить к расчёту сопротивлений базы, коллектора и эмиттера для второго транзистора, которым является КТ608А. Его данные также можно посмотреть в справочнике (рисунок 9).  Рисунок 9. Все расчёты выполним в таком же порядке. Расчётная мощность:  .Коэффициент передачи тока:  Ток коллектора в статическом режиме:  Максимальный ток:  Сопротивление коллектора и эмиттера:    Ток управления базы транзистора по формуле:  Ток делителя:   Напряжение на эмиттере без входного сигнала:  Напряжение на базе:  Сопротивления базы:   ,  Ом.Далее занесём все ранее рассчитанные параметры элементов двухкаскадного усилителя, подключим осциллограф и получим схему следующего вида (рисунок 10).  Рисунок 10. Итоговая схема двухкаскадного усилителя Открыв панель осциллографа, можно наблюдать следующую картину (рисунок 11).  Рисунок 11. Осциллограмма полученного сигнала Подставив измерительные курсоры в пиковые значения на осциллограмме, можно посчитать коэффициент усиления данного усилителя по следующей формуле:  2.3. Принципиальная схема блока питания.В этом пункте перейдем к схеме блока питания (рисунок 12).  Рисунок 12. Принципиальная схема блока питания ТР – трансформатор, преобразующий более высокое напряжение в более низкое. ДМ – диодный мост, который выпрямляет переменный ток. С – конденсатор, сглаживающий пульсации на выходе. Rб – балластный резистор, который ограничивает ток на нагрузке. Т – транзистор, который регулирует поступление тока на нагрузку. СТ – стабилитрон, который стабилизирует выходное напряжение. СД – светодиод, показывающий включение прибора. Rо – ограничительное сопротивление для светодиода. Rн – сопротивление нагрузки (усилителя). 2.3.1. Расчет элементов схемы блока питания.Исходя из технического задания, блок питания должен быть 20 В. Перейдем к расчетам элементов блока питания, чтобы на выходе получить нужное напряжение. Для начала необходимо узнать ток потребления транзисторов в статическом режиме, эти данные уже были рассчитаны в пункте 2.2. данной курсовой работы, поэтому воспользуемся ими:  .Далее рассчитаем максимальный ток потребления по следующей формуле:  Теперь рассчитаем следующие параметры:   Далее по рассчитанным выше параметрам найдем подходящий транзистор (который есть и в справочнике, и в программе ElectronicsWorkbench). Самым подходящим оказался транзистор КТ815Г, максимальная мощность которого 10 Вт. Рассчитаем максимальный ток его базы:  Затем необходимо подобрать подходящий стабилитрон для схемы. Посчитаем входное напряжение:  где  – напряжение с трансформатора, а  – напряжение на переходе коллектор-эмиттер. Для собранной схемы лучше всего подходит стабилитрон КС522А. Теперь рассчитаем сопротивление балластного резистора Rб:  где – напряжение 20 В (требуемое) + 2 В (падающее на диодах моста).После конденсатора напряжение увеличится в 1.41 раза, поэтому:  7. Затем посчитаем коэффициент трансформации  Исходя из этого ставим на перичной обмотке трансформатора 2200 витков, а на вторичной 166.8. Перейдем к диодному мосту. Главные требования к диодам:   Для наших целей ближе всего подошел диод КД102А,  ,  .9. Добавим в схему светодиод из встроенной библиотеки среды ElectronicsWorkbench. Как можно заметить по его характеристикам: напряжение будет равняться 1 В, а ток включения 10 мА. Посчитаем  , чтобы светодиод не сгорел от излишнего тока, по следующей формуле:  10. Подставляем подсчитанные значения и полученные элементы в схему блока питания в программе ElectronicsWorkbench, и видим, что на выходе 19,61 В, что почти равно 20 В, необходимым по заданию (рисунок 13). С полной схемой подключенных устройств можно ознакомиться в Приложении А.  Рисунок 13. Итоговая схема блока питания ЗаключениеВ ходе курсовой работы были изучены теоретические положения о расчете элементов усилителя и блока питания, а также рассмотрены и реализованы основные принципы построения однокаскадных и многокаскадных (в частности, двухкаскадных) усилителей сигналов. Помимо построения схем в графических редакторах, они так же были смоделированы в среде ElectronicsWorkbench, хоть и довольной старой, но при этом по сей день очень функциональной. Также был произведен расчет элементов схем усилителя и блока питания сначала «на бумаге», а затем и в программе, указанной выше. Помимо основных теоретических положений были разобраны базовые классы электронных усилителей, а также их особенности, в том числе достоинства и недостатки. По итогу цель данной курсовой работы была достигнута. Были спроектированы, описаны и реализованы двухкаскадный усилитель и простейший блок питания, выдающий на выходе напряжение, заданное вариантом в техническом задании. ЛитератураОсновная литература: Бобров, И. И. Усилители : учебное пособие / И. И. Бобров. — Пермь : ПНИПУ, 2003. — 175 с. — ISBN 5-88151-250-2. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/160306 (дата обращения: 30.12.2021). — Режим доступа: для авториз. пользователей. Дорошков, А. В. Расчет выходного каскада усилителя: Метод. указания к курсовой работе : учебно-методическое пособие / А. В. Дорошков. — Санкт-Петербург : НИУ ИТМО, 2008. — 31 с. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/43740 (дата обращения: 30.12.2021). — Режим доступа: для авториз. пользователей. Изварин, М. Ю. Исследование характеристик биполярного транзистора: методические указания / М. Ю. Изварин, И. А. Ролле, В. А. Васильев. — Санкт-Петербург: ПГУПС, 2017. — 13 с. — Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/101580 (дата обращения: 12.01.2022). — Режим доступа: для авториз. пользователей. Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам / Е. А. Москатов (2005) Тюрин, С. Ф. Схемотехника : учебное пособие / С. Ф. Тюрин. — Пермь : ПНИПУ, 2017. — 170 с. — ISBN 978-5-398-01702-1. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/160716 (дата обращения: 12.01.2022). — Режим доступа: для авториз. пользователей. Дополнительная литература: Двухкаскадный транзисторный усилитель [Электронный ресурс]. Код доступа - https://all-audio.pro/c35/instruktsii/dvuhkaskadniy-tranzistorniy-usilitel.php Двухкаскадный усилитель [Электронный ресурс]. Код доступа - https://radiostorage.net/531-dvuhkaskadnyj-usilitel-nch.html Классификация и области применения электронных усилителей [Электронный ресурс]. Код доступа - https://studopedia.ru/26_55598_klassifikatsiya-i-oblasti-primeneniya-elektronnih-usiliteley.html Радиолюбитель [Электронный ресурс]. Код доступа - http://www.radiomexanik.spb.ru/nachinayuschim/raschet-blokov-pitaniya.html Электронный усилитель [Электронный ресурс]. Код доступа - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%83%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C Электротехника [Электронный ресурс]. Код доступа - https://electrono.ru/strukturnaya-sxema-usilitelya ПриложенияПриложение А Полная схема со всеми подписанными элементами  Череповец, 2022 |