Курсовая. Алмагамбетов%20курсовая%20пример. Расчёт элементов импульсного усилителя
 Скачать 393.9 Kb.
|
|
ОРАЛ АҚПАРАТТЫҚ ТЕХНОЛОГИЯЛАР КОЛЛЕДЖІ УРАЛЬСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ КУРСТЫҚ ЖҰМЫС КУРСОВАЯ РАБОТА Тақырыпқа: На тему:« Расчёт элементов импульсного усилителя» Мамандык Специальность: 1013000 «Механообработка, контрольно-измерительные приборы и автоматика в промышленности» Топ Группа: группа №12-к Оқушы Учащийся: Алмагамбетов Исатай Оразович Жоба жетекшісі Руководитель проекта: Шайхиева Гульдана Ануарбековна Орал – 2020ж. ОРАЛ АҚПАРАТТЫҚ ТЕХНОЛОГИЯЛАР КОЛЛЕДЖІ УРАЛЬСКИЙ КОЛЛЕДЖ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ «Бекітемін» Бөлім менгерушісі ________________ «____»_____20__ж. КУРСТЫҚ ЖҰМЫСҚА ТАПСЫРМА ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ Оқушы Учащийся: : Алмагамбетов Исатай Оразович (аты - жөні) (фамилия, имя, отчество) Бөлім Отделение: Техническое Тақырып Тема: «Расчёт элементов импульсного усилителя» Жобаға берілетін нәтижелер Исходные данные к проекту: напряжение питания Ek=8 (В); входное напряжение Uвх=50 (мВ); выходное напряжение Uвых=4 (В); сопротивление нагрузки Rн=3 (кОм); длительность импульса tи=50 (мкс); длительность фронта импульса tф =2 (мкс); емкостное сопротивление нагрузки Сн=4 (пФ); полярность импульса: отрицательный. Общий требуемый коэффициент усиления: K=80; Түсінік хаттың мазмұны (өндеуге арналған сұрақтар тізбесі) Содержание пояснительной записки (перечень вопросов, подлежащих разработке)
Курстық жобаның жетекшісі Руководитель курсового проектирования: Шайхиева Гульдана Ануарбековна Аты - жөні, лауазымы /фамилия, имя,отчество, должность/ ____________________________________________________________________________________________________________________________________жұмыс орыны, телефон /место работы и телефон / Тапсырманың берілген күні /дата выдачи задания «16» 03 2020 ж./г. Оқушының жобаны тапсыру уақыты Срок сдачи учащимися проекта « 18 » 04 2020 ж./г. Курстық тапсырма циклдық комиссия отырысында қаралды Курсовое задание рассмотрено на заседании цикловой комиссии «____»________20___ж./г. Пәндер комиссиясының төрағасы /председатель цикловой комиссии/____________________ қолы/подпись/ Тапсырма орындауға қабылданды/задание принято к исполнению/_____________________ қолы/подпись/«____»________20_____ж./г. СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ В современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять большей энергией. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т.д. При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, приеме радиосигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители. Усилитель - устройство, осуществляющее увеличение энергии управляющего сигнала за счет энергии вспомогательного источника. Входной сигнал является как бы шаблоном, в соответствии с которым регулируется поступление энергии от источника к потребителю. В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время - интегральные микросхемы. Усилители на микросхемах обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые массу и размеры, высокую чувствительность. Они позволяют усиливать очень слабые электрические сигналы. Усилители электрических сигналов (далее просто усилители), применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой построения всей аппаратуры. Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской, музыкальной и во многих других областях и приборах. В современной радиотехнике многие приборы работают в импульсном режиме, то есть сигнал представляет собой пульсации, а не колебания. Устройство таких приборов, проходящие в них процессы и есть вопросами, которые рассматривают при проектировании импульсной техники. Импульсная техника широко применяется в автоматике, вычислительной технике, многоканальной радиосвязи, радиоизмерениях и т.д. Импульсные усилители также нашли применение во многих устройствах, связанных с счётно-решающей техникой, радиолокацией и другими областями техники. Основным требованием к импульсному усилителю является то, что он должен минимально искажать форму усиливаемых импульсов. Для этого усилитель должен быть широкополосным с достаточно равномерной частотной характеристикой. Импульсные усилители являются частным случаем видеоусилителей, предназначенных для усиления сигнала с частотным спектром от десятков герц до десятков мегагерц. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИМПУЛЬСНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ В современной радиотехнике многие приборы работают в импульсном режиме, то есть сигнал представляет собой пульсации, а не колебания. Устройство таких приборов, проходящие в них процессы и есть вопросами, которые рассматривают при проектировании импульсной техники. Импульсная техника широко применяется в автоматике, вычислительной технике, многоканальной радиосвязи, радиоизмерениях и т.д. Импульсные усилители также нашли применение во многих устройствах, связанных с счётно-решающей техникой, радиолокацией и другими областями техники. Импульсный усилитель напряжения является предварительным усилителем сигнала, обеспечивающим нормальную работу УМ. Для расчета импульсного усилителя необходимо иметь следующие исходные данные. Основным требованием к импульсному усилителю является то, что он должен минимально искажать форму усиливаемых импульсов. Для этого усилитель должен быть широкополосным с достаточно равномерной частотной характеристикой. Импульсные усилители являются частным случаем видеоусилителей, предназначенных для усиления сигнала с частотным спектром от десятков герц до десятков мегагерц. Импульсные усилители нашли широкое применение во многих устройствах, связанных с автоматикой, счетно-решающей техникой, радиолокацией, радиоизмерениями и другими областями техники. Импульсный усилитель должен минимально искажать форму импульсов. Для этого усилитель должен быть широкополосным с достаточно равномерной частотной характеристикой. Условно считают, что полоса пропускания импульсных усилителей лежит в приделах от десятков килогерц до единиц и десятков мегагерц. Импульсные усилители являются частным случаем видеоусилителей, предназначенных для усиления сигналов с частотным спектром от десятков герц до десятков мегагерц. Обычно импульсный усилитель строится на основе резистивного усилительного каскада, обладающего наиболее равномерной частотной характеристикой в сравнительно широком диапазоне частот. Однако для расширения полосы пропускания как в сторону низких, так и в сторону высоких частот в схему вводятся специальные цепи частотной коррекции. Эти усилители могут различаться между собой по типу, числу активных элементов и особенностям электрической схемы. Следствием этого является большое разнообразие различных схем усилителей, поэтому анализ схемных решений готовых усилителей импульсов проводить затруднительно и нецелесообразно. Здесь имеет смысл провести анализ и выбор отдельных усилительных каскадов. Импульсные усилители выполняются на полупроводниковых приборах и электронных лампах. Широкое использование электронных ламп в усилителях обусловлено их большим входным сопротивлением (в отсутствие сеточных токов) и безинерционностью вплоть до частот порядка сотен мегагерц. Чаще всего в импульсных усилителях применяются пентоды, так как они обладают малой проходной ёмкостью. За счёт этого входная динамическая ёмкость оказывается не большой и дополнительного искажения формы импульсов не происходит. Усилители на полупроводниковых триодах имеют особенности обусловленные свойствами самого триода. Сравним целесообразность применения транзисторов и электровакуумных ламп в качестве активных элементов. Нестабильность рабочей точки, а также несоответствие её реального и выбранного положений в транзисторных каскадах проявляется в значительно большей степени, чем в ламповых. Это объясняется тем, что изменение параметров транзисторов при колебании температуры, а также их разброс в настоящее время более значительны, чем у ламп. Схемными способами в транзисторных усилителях можно обеспечить такую же стабильность рабочей точки, как и в ламповых каскадах. При этом несколько увеличивается мощность, потребляемая усилителями, но всё же она остаётся на один два порядка меньше, чем в ламповых каскадах. Поэтому в тех случаях, когда транзисторные схемы способны выполнить ту же задачу, что и ламповые, им следует отдать предпочтение. Если учесть также современную тенденцию развития радиоэлектроники, состоящую в разработке высоконадежных схем при минимальном потреблении энергии, то преимущества транзисторных схем становится ещё более очевидными. Первым каскадом импульсного усилителя должен быть каскад согласования. Для выдачи импульсов большой мощности в нагрузку схема должна содержать выходной каскад, транзистор в котором должен работать в режиме большого сигнала. Между выходным и входным каскадом в случае необходимости, устанавливаются промежуточные каскады, необходимые для усиления импульсов до уровня (формы) необходимого для нормальной работы выходного каскада. Для инженерных расчётов принимают реально достижимый коэффициент усиления каскада Kl. При амплитуде входного сигнала Uвх = 3 В и амплитуде выходных импульсов Uвых = 300 В коэффициент усиления усилителя равен:   Выходной каскад Для того чтобы усилитель имел минимальный входной ток, не нагружал предыдущие каскады, выбираем с запасом количество каскадов равное трём.  Рисунок 1 Структурная схема импульсного усилителя Чтобы снизить требования к величине напряжения высоковольтного выпрямителя UB в схеме используется резонансный заряд накопителя – длинной линии. Важнейшие технические показатели усилителя Коэффициенты усиления Коэффициентом усиления по напряжению, или просто коэффициентом усиления К, называется величина, показывающая, во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше, чем на его входе:  .Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов: K = K1 K2 …Kn. Входное и выходное сопротивления Входное сопротивление усилителя в любом случае представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя:  Выходное сопротивление Rвых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки Rн. Выходная мощность При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна:  Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счёт нелинейности характеристик усилительных элементов при больших амплитудах сигналов. Поэтому чаще всего усилитель характеризуют максимальной мощностью, которую можно получить на выходе при условии, что искажения, не превышают заданной (допустимой) величины. Эта мощность называется номинальной выходной мощностью усилителя. Коэффициент полезного действия:  ,где P0 – мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания. Номинальное входное напряжение Это напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Оно зависит от типа источника усиливаемых колебаний. Диапазон усиливаемых частот Эта та область частот, в которой коэффициент усиления изменяется не больше, чем это допустимо по техническим условиям. Уровень собственных помех усилителя Динамический диапазон амплитуд. Искажения в усилителе При усилении электрических сигналов могут возникнуть нелинейные, частотные и фазовые искажения: Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванное нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик намагничивания трансформаторов или дросселей с сердечниками. Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах. Причиной частотных искажения является присутствие в схеме усилителя реактивных элементов – конденсаторов, катушек индуктивности, ёмкости монтажа и т.д. с. Фазовые искажения, вносимые усилителем, оцениваются по его фазо-частотной характеристике (ФЧХ), представляющей собой график зависимости угла сдвиг фазы входного напряжения усилителя от частоты. Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты. Идеальной ФЧХ является прямая, начинающаяся в начале координат. РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО УСИЛИТЕЛЯИмпульсный усилитель напряжения является предварительным усилителем сигнала, обеспечивающим нормальную работу УМ. Для расчета импульсного усилителя необходимо иметь следующие исходные данные: напряжение питания Ek=8 (В); входное напряжение Uвх=50 (мВ); выходное напряжение Uвых=4 (В); сопротивление нагрузки Rн=3 (кОм); длительность импульса tи=50 (мкс); длительность фронта импульса tф =2 (мкс); емкостное сопротивление нагрузки Сн=4 (пФ); полярность импульса: отрицательный. Общий требуемый коэффициент усиления: Kу = 80; Данный усилитель будет содержать 2 каскада. Коэффициент усиления на каждом каскаде К1=10 и К2=8 Коэффициент усиления каскада характеризует статический коэффициент передачи тока h21Э, который также характеризует усилительные свойства транзистора. Численное значение этого параметра показывает, во сколько раз ток коллектора больше вызвавшего его тока базы. Чем больше коэффициент h21Э, тем большее усиление сигнала может обеспечить данный транзистор. При измерении этого параметра транзистор включают по схеме с ОЭ. Определяем требуемый коэффициент передачи базового тока транзистора в схеме с общим эмиттером:  [3]где kз - коэффициент запаса равный: 1,3, Rвх. э =h11э=1000 Ом. Выбор транзистора Рассчитываем общий коэффициент усиления:  [2]Для выбора транзистора также необходимо рассчитать его предельную частоту:  (3)где t`ф - длительность фронта импульса, приходящаяся на один каскад, рассчитываемая по формуле:  Исходя из этих параметров и учитывая, что на практике транзистор необходимо выбирать с большей предельной частотой, так как с повышением частоты входного сигнала коэффициент h21э транзистора уменьшается, из справочника был выбран транзистор КТ837А, обладающий следующими характеристиками: h21Эмин=20; fh21этреб = 2∙107 (Гц); РКмакс=150 (мВт) при t=200 C; tмакс=1000 С; IКпост=100 (мА); является транзистором p-n-p типа. Расчет оконечного каскада Первым шагом в выборе режима работы транзистора по постоянному току является определение рабочей точки. Определение рабочей точки для первого каскада было произведено графоаналитическим методом.  Рисунок 2. Графоаналитический метод определяющий рабочую точку первого каскада. Данный метод заключается в построении на графике выходной характеристики транзистора рабочей прямой. Рабочая прямая проходит через точки Uкэ=Eк и Iк=Eк÷Rн и пересекает графики выходных характеристик (токи базы). Для достижения наибольшей амплитуды при расчёте импульсного усилителя рабочая точка была выбрана ближе к наименьшему напряжению т.к у оконечного каскада импульс будет отрицательный. По графику выходных характеристик (рис.2) были найдены значения IКпост=4,5 мА, UКЭпост=0,5 В, а также IБпост. =0,1мА. Для нахождения напряжения база-эмиттер UБЭпост на графике входных характеристик было отложено значение IБпост (см. рис 3).  Для рабочей точки оконечного каскада были найдены следующие значения: UКЭпост=0,5 (В); IКпост=4,5 (мА); IБпост=0,1 (мА); UБЭпост=0,4 (В); Расчет сопротивлений оконечного каскада Входное сопротивление транзистора определяется по формуле (4):  [4]Формула [4] в последствии понадобится для вычисления коэффициента усиления каскада без отрицательной обратной связи (ООС). Определяем максимальную мощность:  Для того чтобы транзистор удовлетворял условиям проекта должно выполняться соотношение [5]:  [5]где  [6]Соотношение [5] выполняется, так как 0,0225<0,075, поэтому данный транзистор удовлетворяет условиям проекта. Общее сопротивление коллекторной цепи по постоянному току для оконечного каскада рассчитывается по формуле [7]:  [7]Для расчёта усилителя по переменному току необходимо первоначально по формулам [8] и [9] вычислить значения коэффициента усиления каскада без отрицательной обратной связи и требуемого коэффициента усиления соответственно.  [8]  где RвхЭ рассчитывается по формуле [4].  [9]Глубина обратной связи каскада рассчитывается по формуле [10].  [10]где kос = kтреб = 10. По формуле [11], рассчитываем сопротивление, обеспечивающее отрицательную обратную связь:  [11]где определяется формулой [10]. Коллекторное сопротивление Rк рассчитывается по формуле [14].  [14]где (RК+RЭ) определяется формулой [7]. Разделительное сопротивление R2 вычисляется по формуле [15].  [15]где RЭ и IДел определяются формулами [13] и [16] соответственно.  [16]Разделительное сопротивление R1 вычисляется по формуле:  Входное сопротивление рассчитывается по формуле:  2.2. Расчет первого каскада усилителя Рисунок 4. График первого каскада Поскольку на первый каскад подается положительный импульс, рабочая точка выбирается на оси тока базы, причем так, чтобы рабочая прямая пересекалась с этой осью в точке, проекция которой на ось Uкэ будет иметь наибольшее напряжение. По рабочей точке первого каскада были найдены следующие значения: Uкэпост = 7 (В) Iкпост = 1 (мА) Iбпост = 0,05 (мА) Uбэп = 0,35 (В) Для расчёта усилителя по переменному току необходимо первоначально по формулам (8) и (9) вычислить значения коэффициента усиления каскада без отрицательной обратной связи и требуемого коэффициента усиления соответственно. где RвхЭ рассчитывается по формуле [4].  Глубина обратной связи каскада рассчитывается по формуле [10].  где kос = kтреб = 25. Глубину обратной связи также можно вычислить по формуле [11].  Из формулы [12] легко получить формулу для расчета сопротивления, обеспечивающего отрицательную обратную связь [12].  где определяется формулой [10]. Коллекторное сопротивление Rк рассчитывается по формуле [14].  где (RК+RЭ) определяется формулой [7]. Разделительное сопротивление R2 вычисляется по формуле [15].  где RЭ и IДел определяются формулами [13] и [16] соответственно.  Разделительное сопротивление R1 вычисляется по формуле:  Входное сопротивление Rвх1 усилителя находят по формуле: Расчет емкостей усилителяДля определения ёмкостей конденсаторов, обеспечивающих допустимый спад импульса необходимо рассчитать соотношение перераспределения искажений по емкостям:  где δ - относительный спад вершины равный 0,05, δВ - равный 0,01 Разделительные емкости рассчитываются по формуле:  Для расчета емкостей эмиттерной цепи необходимо рассчитать относительный спад, приходящуюся на емкость конденсатора в цепи автоматического смещения:   где    Рисунок 5. Принципиальная схема импульсного усилителя ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения курсового проекта я разобрался в работе импульсного усилителя, научился рассчитывать каскады, подбирать соответствующий усилительный элемент, то есть получил общее представление о принципах проектирования и расчета импульсных усилителей. Данный усилитель способен качественно усиливать электрический сигнал в широких диапазонах. Ввиду простоты его принципиальной схемы, данное устройство имеет небольшие габариты, высокий КПД. Его просто эксплуатировать и при необходимости устранять неисправности. Все элементы подобраны таким образом, что могут быть легко заменены на новые, то есть их марки и номиналы встречаются довольно часто. Выполненные анализ и расчет схемы позволил подобрать элементную базу, которая полностью удовлетворяет всем техническим требованиям. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ Богданов В.В. Расчет усилительных схем на дискретных элементах: Методические указания. - Пенза, 1991. -18 с Браммер Ю.А. Импульсная техника. – М: Высшая школа. – 1971. Быкова Г. В., Расторгуев В.А. КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ. УМП по дисциплине «Основы промышленной электроники». Уральск: УКИТ, 2015 г. Варшавер Б.А Расчёт и проектирование импульсных устройств. – М: Высшая школа, 1967. Гольденберг Л.М. Расчёт и проектирование импульсных устройств. – М: Связь, 1975. Горюнов Н.Н., Клейман А.Ю., Комков Н.Н. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. - Москва, 1976. -744 с. Лунин Л.Ф. Каталог полупроводниковых приборов. – М: Центральное конструкторское бюро, 1978. Чистяков Н.И. Справочник радиолюбителя - конструктора. - Москва, 1983. - 560 с. www.wikipedia.org Импульсные устройства. Материалы изъяты из Большой Советской Энциклопедии http://revolution.allbest.ru/radio/00118472_0.html  ПРИЛОЖЕНИЯ 1 ПРИЛОЖЕНИЯ 2  ПРИЛОЖЕНИЯ 3  |