Проектирование усилителя мощности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ Российской Федерации

Федеральное  государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тюменский  государственный нефтегазовый университет»

 

Институт  кибернетики, информатики и связи

Кафедра «Кибернетических систем»

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Электроника»

на тему «Проектирование усилителя  мощности»

или

на тему «Проектирование автогенератора»

 

 вариант 2041

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент группы УИТСб 10-1

Московский М.С.

Проверила:

ассистент каф. КС

Сидорова  А. Э.

 

 

 

 

 

 

          Дата защиты_____________                      Оценка___________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2012

 

Содержание

1. Вступление………….……………………………………………………….3
2. Обоснование и выбор активных элементов……………………………….4
3. Обоснование и выбор блок-схемы………………………………................5
4. Выбор режима работы………………………………………………………6
5. Заданные параметры………………………………………………………...7
6. Расчет каскадов схемы

1. Расчет усилителя мощности на VT9,VT10,VT11,VT12,VT13…….8

Расчет эмиттерного  повторителя на VT7,VT8………………….....15

Расчет аттенюатора……………………………………………….....18

Расчет эмиттерного  повторителя на VT5,VT6……………….…….21

Расчет цепи Вина…………………………………………….……....24

Расчет нелинейной отрицательной  обратной связи…………..…...27

Расчет предварительного усилительного каскада на VT3,VT........28

Расчет эмиттерного  повторителя на VT1,VT2……………….…….33

7. Расчет конденсаторов……………………………….…………….………………36
8. Расчет параметрических стабилизаторов………………………………………...39
9. Расчет радиаторов……………............................................................................41
10. и вычисление АЧХ и ФЧХ на VT4……………………………..……………..…..43
11. Расчет искажений на высоких частотах…………………………………………47
12. Карты режимов ………………………..……………………………………..…..48
13. Технология изготовления печатной платы………………….………………….52

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление

Возможная область применения RC-автогенераторов

RC-автогенераторы применяются для получения гармонических колебаний заданной частоты, в радиопередающих устройствах. Они используются на низких частотах вплоть до единиц герц. Проектируемый автогенератор может использоваться в радиоэлектронных устройствах в качестве генератора сигналов звукового диапазона.

Автогенератор используется в системах телемеханики для образования несущей частоты  при передаче амплитудно- и частотно-модулированных сигналов по каналам связи, работающим, как правило, в тональном спектре частот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обоснование и выбор активных элементов.

Выбор принципиальной схемы на транзисторах обусловлен  несколькими причинами:

1. При проектировании мощных усилителей особое внимание уделяется КПД, наряду с малыми нелинейными искажениями. Характерной особенностью мощных каскадов является их работа на низкоомную нагрузку.
2. Лампы недолговечны, их параметры меняются со временем.
3. Использование микросхем не представляется целесообразным в связи с высокой стоимостью подобных автогенераторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обоснование и выбор блок-схемы.

 

К автогенераторам  относятся устройства, преобразующие  энергию источника постоянного  тока в переменный ток или напряжение определенной частоты и формы.

В RC- автогенераторах применяются частотозависимые или фазирующие цепи RC-типа. Мы  будем использовать цепь Вина, которая образует ПОС.

 

Блок-схема  рассчитываемого автогенератора может  быть представлена в следующем виде:

 

Данная  схема состоит из:

• Источника питания (на схеме не обозначен).
• Цепь Вина (ЦВ) используется как частотозадающая цепь.
• Эмиттерные повторители  - предназначены для согласования выходного сопротивления предыдущего каскада с входным сопротивлением последующего.
• Усилители напряжений предназначены для увеличения входной мощности, а также обеспечения баланса фаз и амплитуд.
• Аттенюатор служит для плавной и ступенчатой регулировки уровня выходного напряжения.
• Усилитель мощности (выходной каскад) предназначен для обеспечения заданной мощности на заданном сопротивлении нагрузки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выбор режима работы

 

Мощный  выходной каскад является основным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений. Поэтому при выборе в  проектировании обратим внимание на КПД и величину нелинейных искажений.

Наиболее  подходящим является режим «А».  В нем являются наименьшими нелинейные искажения по сравнению с другими  режимами работы. Но КПД составляет уровень 35-45%. Режим «В» имеет КПД  около 50-60%, в то время как уровень  нелинейных искажений является чересчур большим.

Выбираем  режим работы «А».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заданные  значения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ  ЭЛЕМЕНТОВ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В СХЕМЕ

ВЫХОДНОЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД

Принципиальная электрическая  схема выходного оконечного каскада:

 

 

1. Определяем амплитудные значения  тока и напряжения на нагрузке:

(A)

(B)

 

2. Определим максимально допустимую мощность рассеивания на транзисторах VT12, VT13:

(Вт),

где η_А – КПД, равный 35 - 40%. Поскольку в режиме «А» предельный КПД составляет 50%, а реальный не выше 35 - 40%.

3. Определим U_КЭ12=U_КЭ13:

(В),

где U₀ - запас, исключающий попадание рабочей точки в область насыщения, для различных типов транзисторов колеблется в пределах 0,5 - 3 В, для маломощных транзисторов можно выбирать в пределах 1-2 В;

К_ПΣ - коэффициент передачи всего усилителя мощности. Практически значение К_ПΣ находится в пределах 0,7-0,9, в зависимости от величины нагрузки. При нагрузках ниже 5-10 Ом следует принимать меньшее значение.

Принимаем U₀ =2  (В), К_ПΣ =0,8 и определяем U_КЭ12=U_КЭ13.

4. Определим величину напряжения источника питания

 

Е_К = 2·U_КЭ12,13 + 2·U_защ=2·21.78+2·0,8 =44.96 (В),

где U_защ – падение напряжения на резисторе защиты (R₄₃), можно принять в пределах 0,8 – 1 В.

Принимаем Е_К =47  (В), в соответствии со стандартным рядом источников питания.

Пересчитываем значения напряжений коллектор-эмиттер  транзисторов 12 и 13:

(В)

5. Выбираем из справочника транзисторы VT13, VT12, соответствующие по мощности, току покоя и по верхней граничной частоте полосы пропускания, основные характеристики сводим в таблицу вида:

	Модель	Тип	P, Вт	Uкэ доп, В	Ikmax, A	βmin	fгр, МГц	Cк, пФ	Iко, мА
VT12	KT863A	n-p-n	50	30	10	30	4		0.001
VT13	KT863A	n-p-n	50	30	10	30	4		0.001

 

6. Определяем токи покоя и токи базы транзисторов VT12, VT13:

Iп₁₂ = 0,5·I_НМАХ + I_Н.У.= 0,5·1,99+ 5= 5.99 (А),

где I_Н.У.- неуправляемая часть тока покоя, определяемая наличием теплового тока коллектора I_K0 (определяется из справочных данных).

  (мА),

(А),

(А),

(А);

 

7. Определим значение резистора защитыR_з = R₄₃, Значение резистора защиты R_з должно быть достаточно большим, чтобы ограничить на допустимом уровне величину тока через транзисторы VT12  и VT13 и в то же время снижений коэффициента полезного действия при введении R_з должно быть незначительным:

(Ом),

где значение U_бэ12,13 дано в техническом задании.

Значение  резистора принимаем Rз=R₄₃=0.13 в соответствии с рядом Е24.

 

8. Определяем ток покоя транзисторов VT10:

 (А)

9. Определяем постоянное напряжение U_КЭ10,11:

  (В)

Определим мощность, рассеиваемую на транзисторах VT10, VT11:

P_К10,11 = U_КЭ10,11·I_п10=8.8 (Вт)

 

10. Выбираем из справочника транзисторы VT10, VT11, соответствующие по мощности, току покоя и по верхней граничной частоте полосы пропускания, основные характеристики сводим в таблицу вида:

	Модель	Тип	P, Вт	Uкэ доп, В	Ikmax, A	βmin	fгр, МГц	Cк, пФ	Iко, мА
VT10	KT814A	n-p-n	10	40	1.5	40	3		0.00005
VT11	KT814A	n-p-n	10	40	1.5	40	3		0.00005

 

 

11.  Определим сквозной ток через транзисторы VT10, VT11:

 

  (А)

12. Определим токи покоя и токи базы транзисторов VT10, VT11

    (А);

(А);

  (А)

13. Определим ток покоя транзистора VT9:

Для обеспечения  максимальных усилительных свойств транзистора VT9, можно принять значение I_п9=0,005А.

14. Определим напряжение на резисторе R36:

(В)

15. Определим напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора VT9, при этом значение Uбэ можно принять равным 0,7 В для всех остальных транзисторов в данном устройстве:

   (В)

16. Определим мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT9:

  (Вт)

17. Выбираем из справочника транзистор VT9, соответствующий по мощности, току покоя и по верхней граничной частоте полосы пропускания, основные характеристики сводим в таблицу вида:

	Модель	Тип	P, Вт	Uкэ доп, В	Ikmax, A	βmin	fгр, МГц	Cк, пФ	Iко, мА
VT9	KT637A	n-p-n	1.5	35	1.5	25	1000		0.00005