Моделирование схемы в системе Electronics WorkBench

Министерство сельского  хозяйства 

ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А.Костычева»

 

 

 

«Электротехника, электрооборудование  и автоматика»

ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Курсовая работа

по дисциплине

«Электротехника и электроника»

 

 

Выполнила студентка 

32 Б группы

 инженерного факультета 

специальности

«Электрификация

и автоматизация с/х»

Агеева.Е.В.

Проверил  доцент

Егоров А.Г.

 

 

 

Рязань 2013 г

 

Содержание

1.Введение………………………………………………………………………2

2.Выбор транзистора и  построение ВАХ……………………………………..3

3.Выбор РТ транзистора……………………………………………………….5

4.Расчет Н-параметров ………………………………………………………...6

5.Расчет схемы усилителя……………………………………………………...9

6. Моделирование схемы в системе Electronics WorkBench………………..11

7.Заключение ………………………………………………………………….12

8.Список используемой  литературы…………………………………………13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                       Введение.

Целью данной курсовой работы  является ознакомление с методами разработки электронных устройств и приобретение навыков расчетов статических и динамических режимов работы электронных устройств. В качестве объекта проектирования предлагается однокаскадная схема  низкочастотного усилителя на биполярном транзисторе. Усилитель осуществляет увеличение энергии управляющего сигнала за счёт энергии вспомогательного источника. Хотя в любом усилителе происходит усиление мощности сигнала, на практике выделяют три группы усилителей: напряжения, тока и мощности. В соответствии с этим делением различают коэффициенты усиления по напряжению Кu , по току Кi и по мощности Кр . Усилительный каскад является элементом некоторой радиотехнической схемы – к входу усилителя подключается источник сигнала, а к выходу – нагрузка. Усилительные каскады характеризуются входным Rвх и выходным Rвых сопротивлением.

 а)  б)     в)

Рис. 1. Базовые усилительные каскады с ОБ (а), ОЭ (б) и ОК (в)

Конденсаторы с и сb служат для разделения по постоянному току усилителя и источника сигнала. Сопротивления R1 и R2 требуются для создания необходимых постоянных напряжений между электродами транзистора. При этом абсолютные значения напряжений на том или ином выводе, как правило, не играют существенной роли, важны лишь относительные значения. Только после создания требуемых постоянных напряжений между отдельными электродами транзистора или, как говорят, режима схемы по постоянному току, возможна нормальная работа усилительного каскада.

        

 

 

 

Выбор транзистора  и построение ВАХ.

По исходным данным выбираем из справочника транзистор 2N3906. Для выбора режима работы транзистора необходимо знать семейство его выходных характеристик, т.е. зависимость тока коллектора Iк от напряжения эмиттер-коллектор Uэк, для различных фиксированных значений тока базы Iб. Для этого нам нужна схема исследования ВАХ транзистора.

Выходные характеристики получим для четырех значений  тока базы Iб=10мА, Iб=20мА, Iб=30мА, Iб=40мА, при этом изменяя Uэк.

Iб=10мА

Uэк,В	5	10	15
Iк,А	1.995	1.997	2.00

Iб=20мА

Uэк,В	5	10	15
Iк,А	3.998	4.00	4.10

Iб=30мА

Uэк,В	5	10	15
Iк,А	5.985	5.997	6.00

Iб=40мА

Uэк,В	5	10	15
Iк,А	7.977	7.998	8.00

 

 

 

По полученным  значениям  построим графики.

Входные характеристики получим  для  двух значений Uкэ=0В, Uкэ=5В,при этом изменяя Uбэ.

Uбэ,В	0	0.738	0.778	0.793	0.803	0.810
Iб,мА	0.2	0.261	1.2	2.2	3.2	4.2

 

Uбэ,В	0	0.838	0.851	0.874	0.883	0.9
Iб,мА	0.1	0.261	1.2	2.2	3.2	4.2

 

 

 

 

 

 

Выбор рабочей  точки транзистора

Выбор рабочей точки (р.т.) транзистора в режиме покоя, когда  входной сигнал отсутствует, сводится к выбору следующих параметров: I_Бр.т., U_{бэ р.т.} , I_Kр.т. , U_{КЭ р.т}. для схемы с ОЭ.

 

На выходных ВАХ выбранного транзистора, для рассчитываемой схемы УНЧ, строим нагрузочную прямую. По оси абсцисс откладываем напряжение питания Eк=Uкэ+Uк+Uэ=5+5+2.5=12.5В.                                                               По оси ординат откладываем величину Ек/ Rк=12.5/2=6.25.                                                             Выбираем рабочую точку, лежащую на пересечении середины нагрузочной прямой и  ближайшей выходной ВАХ. Это характеристика, соответствующая току базы  Iб = 20мА.

 

 

Расчет Н- параметров.

Физический смысл h-параметров транзистора состоит в следующем:

h _11э- входное сопротивление в режиме короткого замыкания на выходе;

h _12э - коэффициент передачи тока в режиме холостого хода на входе;

h _21э - коэффициент передачи тока в режиме короткого замыкания на выходе;

h _22э - выходная проводимость транзистора в режиме холостого хода на входе.

В режиме усиления малых  сигналов транзистор, включенный по схеме  с ОЭ, представляют в виде линейного четырехполюсника.

 

Для определения h_11Э проведем через рабочую точку касательную к входной характеристике до пересечения с осью абсцисс. Получим значения ΔU_БЭ=0.03В , ΔI_Б=3.5мкА_. И по формуле вычислим h _11Э = ΔU_БЭ / ΔI_Б=0.03В/3.5мкА=0.00857*10⁶=8.57*10³ при U кэ = const.

 

 

 

 

         Для определения h_12Э выбираем входные характеристики, снятые при двух значениях Uкэ=0В, Uкэ=5В .Точки пересечения этих характеристик с горизонтальной прямой проходящей через рабочую точку проецируют на ось U_БЭ , определяем ΔU_БЭ=0.08В и рассчитываем h_12Э = ΔU_БЭ / ΔUкэ=0.08В/5В=0.016=16*10^-3, пpи I_Б =const.

Для определения h _21Э семейство выходных характеристик вблизи Р.Т. пересекаем линией Uкэ = 5В, что соответствует короткому замыканию на входе транзистора. Определяем графически ΔI_К=4мА, ΔI_Б=30-10=20мкА,разница соседних Iб.Затем по формуле рассчитываем h _21Э = ΔI_К / ΔI_Б=4мА/20мкА=0.2*10³=200 , при   Uкэ=const

 

 

 

 

 

Для определения h _22Э выбираем из семейства выходную характеристику, с рабочей точкой. Находим приращение тока коллектора ΔI_К=0.2мА, вызываемое приращением напряжения ΔUкэ=6 на нем при постоянном токе баз. Затем определяем h _22Э = ΔI_К / ΔUкэ=0.2/6=0.03*10-³=3*10^-5, при I_Б =const;                                                                 

 

Сведем все параметры  в таблицу:

э	э	э	э
8.57*103	16*10-3	200	3*10-5

 

 

 

 

Расчет схемы усилителя

Определяют  падение напряжения в состоянии  покоя по формуле

U_к= I_кR_к=4мА*3.1КОм=12.4В . I_к – определяем по Р.Т.

Рассчитываем  ток базы транзистора в состоянии покоя по формуле

I_б = I_к/h_21э=4мА/200=0.02*10^-3А =2*10^-5А                                           

Ток I_Д делителя R₁, R₂ выбираем в 5 раз больше тока базы, т.е.

I_Д = 5I_Б=2*10^-5А*5=10*10^-5=10^-6А

Определяем U₂ - падение напряжения на резисторе R₂, по формуле

U₂ = U_Э +U_БЭ=2.5+0.782=3.3В, где U_БЭ – определяем по Р.Т.

Определяем U₁ -падение напряжения на резисторе R₁, как

U₁ = E_K - U₂=12.5-3.3=9.2В                                          

Рассчитываем R₂ по закону Ома

R₂ = U₂ / I₂=3.3/10^-6=33кОм.                                             

Рассчитываем  R₁, учитывая, что через него протекают токи I_Д и I_Б.

R₁= U₁ / (I_б+ I_д)=9.2/(10*10^-5+2*10^-5)=76.6кОм .                                             

Находим входное сопротивление R_ВХ усилителя, как эквивалентное сопротивление трех включенных параллельно резисторов R₁, R₂, h_11Э

R_вх=R₁*R₂*h_11э/(R₁*R₂+R₂*h_11э+R1*h_11э)=6.28кОм

     Сопротивление нагрузки R_Н усилителя принимаем равным значению R_ВХ.

R_Н= R_ВХ=6.28кОм

     Рассчитываем сопротивление резистора R_Э по закону Ома

R_Э = U_Э /(I_К + I_Б)=2.5/(4*10^-3+2*10^-5)=621Ом.                                               

      Определяем емкость шунтирующего конденсатора

Сэ= 1/(2πf_Н r_Э)=1/(2*3.14*30*133*10⁵)=0.7*10^-9Ф, где r_Э=2h_21Э/h_22Э.                             

      Определяем емкость разделительного конденсатора на входе схемы по формуле

С_Б = 1/(f_НR_ВХ)=1/(30*6280)=0.6*10^-6 Ф.                                              

     Емкость разделительного конденсатора на выходе схемы рассчитываем по аналогичной формуле, но вместо R_ВХ берут R_Н.

С_К= 1/(f_НR_Н)=0.6 *10^-6 Ф

      Определяем коэффициент усиления по напряжению в области средних частот:

К₀ = h_21Э R_КН h_22Э=200*1.002*10³*3*10^-5=6

 R_КН =R_К*R_Н*R_ВЫХ/(R_К*R_Н+R_Н*R_ВЫХ+R_К*R_ВЫХ)=1.002кОм ,     где R_КН - сопротивление, эквивалентное трем параллельно включенным резисторам R_К , R_Н и R_ВЫХ = 1/h_22Э;

     Рассеиваемая на коллекторе мощность

 Р_К = U_КЭI_К=5*4*10^-3=0.02Вт делаем вывод, что Р_К< Р_Кmax, т.к  0.02Вт<0.15Вт.

   Рассчитывают мощность, рассеиваемую отдельно на всех резисторах.

Р_К=I_К²*R_K=0.048Вт

Р_Э=(I_К+I_Б)*U_Э=0.021Вт.

   Мощность Si-го транзистора  2N3906 обеспечивает оптимальную работу в заданном температурном режиме, поэтому расчет по температуре можно не производить.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моделирование схемы  в системе Electronics WorkBench.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 Из полученных осциллограмм можно сделать вывод, что усилительный каскад является работоспособным , рабочая точка выбрана правильно и Н-параметры рассчитаны верно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника. - М.: «Высшая школа», 2005, - 288с.
2. Карлащук В.И.  Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. - М.: «Солон-Р», 2000. - 506 с.
3. Гришин И.И., Егоров А.Г., Фатьянов С.О. Методические указания для выполнения курсовой работы.