Расчет и исследование на компьютере.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту (работе) по ____________________________________

наименование учебной дисциплины

на тему:_________________________________________________________

________________________________________________________________

Автор проекта (работы)____________________________________________

подпись, дата, инициалы, фамилия

Специальность ___________________________________________________

номер, наименование

Обозначение курсового проекта (работы) _________Группа______________

Руководитель проекта _________________ __________________________

подпись, дата инициалы, фамилия

 

Проект (работа) защищен (а) ___________ Оценка________________

 

Члены комиссии:

______________________ ________________

подпись, дата инициалы, фамилия

 

______________________ ________________

подпись, дата инициалы, фамилия

 

______________________ ________________

подпись, дата инициалы, фамилия

 

 

г. Тверь, 2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ТГТУ»)

 

 

Кафедра ЭВМ

 

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ (РАБОТУ)

 

Студент____________________________ код________ группа ___________

фамилия, инициалы

1.Тема __________________________________________________________

________________________________________________________________

2. Срок представления проекта (работы) к защите "____"__________2009 г.

3. Исходные данные для проектирования (научного исследования)

________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Содержание пояснительной записки курсового проекта (работы)

4.1._____________________________________________________________

4.2._____________________________________________________________

4.3._____________________________________________________________

4.4._____________________________________________________________

4..._____________________________________________________________

5. Перечень графического материала: ________________________________

________________________________________________________________

 

 

Руководитель проекта (работы) ________________ _________________

подпись, дата инициалы, фамилия

 

 

Задание принял к исполнению ____________ "___"______2009 г.

подпись

Источники вторичного электропитания.

 

Задание 1.1

 

Спроектировать ИВП для преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение.

 

Дано:

– параметры напряжения сети U_вх = 220 В, f = 50 Гц, DU_вх = +15...– 20%;

– однофазная мостовая схема выпрямителя;

– фильтры (C₁, L₁, L₂C₂, C₃L₃C₄);

– параметрический стабилизатор напряжения;

– параметры потребителя выходного напряжения (U_н, R_н и К_Пвых)

 

№ варианта
RH [Ом]
UH [в]

 

№ варианта
КПвых	0.05	0.03	0.04	0.01	0.06	0.02	0.07	0.02	0.01	0.03

 

Требуется:

1. Определить расчетные мощности обмоток трансформатора и коэффициент трансформации n.

2. Рассчитать параметры сглаживающих фильтров (C₁, L₁, L₂C₂, C₃L₃C₄).

3. Исследовать на компьютере (пакет EW) действие всех фильтров.

4. Выбрать по справочнику стабилитрон.

5. Рассчитать величину балластного сопротивления R_б.

6. Выбрать по справочнику диоды выпрямителя.

7. Исследовать на компьютере (пакет EW) спроектированную схему ИВП (рис.1.1). Оценить работу схемы параметром К_ст.

8. Рассчитанные значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов округлить до номинальных значений, соответствую

щих ряду Е12

 

 

Рис.1.1 Схема преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение (пакет Electronics Workbench)

 

 

Расчет и исследование на компьютере.

 

1. Расчет мощности обмоток трансформатора для мостовой схемы

P_н= U² _н/R_н= Вт

S_тр = S₁ = S₂ =

 

Коэффициент трансформации

 

U₂ =1.11*U_н=1.11*6=6.66 В

n=U₁/U₂=220/6.66=33

 

2.

Рассчитываем сглаживающие фильтры (C₁, L₁, L₂C₂, C₃L₃C₄) (схема выпрямителя – однофазная двухполупериодная мостовая, К_Пвх = 0,67; частота пульсации m = 2, w = 2pf=314)

 

Рис. 1.2. Схемы сглаживающих фильтров: а) емкостной; б) индуктивный; в) индуктивно-емкостной (Г- образный); г) комбинированный (П - образный)

 

Величина емкости конденсатора С₁

мкФ (390 мкФ – E12)

 

Величина индуктивности дросселя L₁

 

.

 

Г образный фильтр L₂C₂ (рис.1.3, в)

 

 

С₂ < C₁ С₂=0,33 мФ (330 мкФ – E12)

 

L₂ = (L₂ C₂)/ C₂=47/330=0.12 мГн

 

П-образный фильтр С₃L₃C₄ (рис.1.3, г).

Фильтр С₃L₃C₄ можно рассматривать как сочетание двух простых фильтров С₃ и L₃C₄, .

При расчете параметров П–образного фильтра задают ; определяют значение С₃ для ; затем рассчитывают L₃C₄ для и из полученного произведения находят L₃, принимая С₄ = С₃.

К_сгг(C3)=2.125;

К^'_Пвых=0.67/2.125=0.32;

(56 мкФ – E12);

 

К_СГЛ(L3C4) =16.75/2.125=8;

 

 

3. Исследование на компьютере действия всех фильтров.

 

Экспериментально проверим результаты расчетов фильтров путем определения и сравнения этого значения с заданным К_Пвых (вольтметр в режиме АС показывает действующее значение напряжения, в режиме DС – постоянное).

 

U_н=6 В; K_п=0.04;

 

А) фильтр C.

K_п= ;

 

B) фильтр L.

K_п= ;

C) фильтр LC.

K_п= ;

 

D) фильтр CLC.

K_п= ;

 

4. Параметры стабилитрона КС156А

 

U_CT = U_H =5,6В

I_{CT max} ³ I_н = U_H/R_H=6/200=30 мА.

I_{cт ном} = (I_{cт max} + I_{cт min})/2=(3+55)/2=29 мА.

I_{cт max} =55 мА; I_{cт min} =3 мА;

 

5.Расчитаем величину балластного сопротивления

 

, где U_вх » (1.5¸2)U_cт.

 

6.Параметры диода КД103А

 

U_{обр доп} =50В ³ 2×1.57U_H =18.84 В,

I_cp ³ I_{cт max} + I_H.=30+30=60 мА,

U_обрдоп =50В,

I_ср=100 мА,

U_пр =1В,

r_пр=U_пр/I_ср =1/0.066=15 Ом.

Оценить работу схемы параметром К_ст.

n' = n/(1.5¸2) =

1.) Для напряжения 220В

 

.

 

2.) Для напряжения 180В

 

.

 

3.)Для напряжения 252В

 

 

.

 

Активные фильтры.

 

Задание 2.1

 

Спроектировать и исследовать на компьютере активные фильтры нижних и верхних частот второго порядка с максимально плоской характеристикой.

Дано: f₀ – частота среза; К₀ – коэффициент усиления в полосе пропускания; – коэффициент затухания, n = 40 д Б/дек – наклон ЛАЧХ в полосе ограничения.

 

кГц

 

2.2. Расчета ФНЧ и ФВЧ второго порядка и исследования на компьютере.

 

I. Расчет ФНЧ второго порядка (схема, рис. 2.1).

 

Рис. 2.1. Схема ФНЧ второго порядка.

 

Зададим величину емкости С₂ = 1800 пФ и найдем значение вспомогательного коэффициента k=2pf₀C_2.

 

 

Рассчитаем значения всех элементов схемы фильтра: С₁, R₁, R₂ и R₃ по формулам:

 

, где

 

 

 

Проверим значения частоты среза f₀ и усиления k₀ по формулам

,

 

Расчетные значения отличаются от заданных менее чем на ±10%, следовательно параметры фильтра рассчитаны верно.

 

4. Рассчитаем коэффициент усиления k₀ в децибелах для построения

 

ЛАЧХ, k_0дб = 20lg k₀.

 

5. Исследуем работу ФНЧ.

 

 

Экспериментально определили: k₀ = 25,82 дб и f₀ =29,53 кГц полученные значения отличаются от заданных меньше, чем на ± 15%, следовательно ФНЧ спроектирован верно.

 

 

II. Расчет ФВЧ второго порядка (схема рис. 2.2)

 

 

 

Рис. 2.1. Схема ФНЧ второго порядка.

1. Зададим значение емкости конденсаторов С₁ = С₃ = С = 1800 пФ и найти значение вспомогательного коэффициента k = 2pf₀C.

 

2. Рассчитаем значения всех элементов схемы фильтра:

 

 

 

 

3. Проверим значения частоты среза f₀ и усиления k₀ по формулам:

 

 

 

Расчетные значения отличаться от заданных менее чем на ±10%, следовательно параметры фильтра рассчитаны верно.

 

4. Рассчитаем коэффициент усиления K₀ в децибелах:

 

5. Исследуем схему ФВЧ.

 

 

Экспериментально определили: k₀ = 25,78 дб и f₀ =28,48 кГц полученные значения отличаются от заданных меньше, чем на ± 15%, следовательно ФВЧ спроектирован верно.

 

Усилители мощности.

 

Задачи расчета 3.1.

 

Для расчета транзисторного каскада мощного усиления необходимо иметь следующие данные:

P_H – выходную мощность усилителя;

R_H – сопротивление нагрузки;

K_г– допустимый коэффициент гармоник;

( f_H и f_B) – рабочий диапазон частот;

М_H и М_B – допустимые коэффициенты частотных искажений каскада;

(t⁰_срmax и t⁰_срmin ) – высшую и низшую температуры окружающей среды.

В расчет каскада мощного усиления входят:

— выбор схемы усилителя;

— выбор напряжения источника питания;

— выбор транзисторов;

— выбор точки покоя на выходных и входных характеристиках транзистора;

— построение нагрузочной линии;

— определение тока и напряжения смещения входной цепи;

— определение сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току;

— проверка по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отдаваемой каскадом мощности;

— определение амплитуды тока и напряжения входного сигнала (входной мощности), коэффициента усиления по мощности, коэффициента полезного действия каскада;

— расчет сопротивлений, задающих смещение, и входного сопротивления каскада;

— расчет реального значения коэффициента гармоник каскада и проверка его с допустимым значением (К_грасч.<К_{гзадан.});

— расчет емкостей и площади радиатора, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.

 

Исходные данные:

 

№ п.п.	РН [вт]	fH [кГц]	fB [кГц]	t0срmin [0С]	t0срmax [0С]
		0.8		+10	+60

 

 

№ п.п.	RН [Ом]	Кг [%]	МН [дб]	МВ [дб]
		3.0	4.5	3.0

 

Выберем в качестве схемы усилителя cхему двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с ОК, работающего в режимах В, АВ; с двумя источниками питании:

 

 

1. Определяем значения мощности, которую должны выделять транзисторы, и составляющие коллекторного тока и напряжения соответственно:

 

P ³ 1.1 P_H;

P ³ 27.5 Вт

 

2. Выбираем напряжение источников питания Е_к1 и Е_к2 (Е_к1=Е_к2=Е_к): Е_к ³ U_кm + U_ост, где U_ост – напряжение, отсекающее нелинейную часть выходных характеристик транзистора в области малых коллекторных напряжений (U_ост»(0,3¸1,5)в).Точное значение U_осткорректируется после построения нагрузочной линии (n5).

 

3. Выбираем транзисторы по предельным параметрам.

 

U_кэдоп. ³ (2¸2.5)Е_к; I_кдоп. ³ I_кm; Р_кдоп. ³ (0.4¸0.7)Р;

U_кэдоп ³ 49.5 B I_кдоп. ³ 2.6 А Р_кдоп. ³ 16.5 Вт

 

Выбранные транзисторы КТ816В и КТ817B, имеют следующие параметры:

 

U_кэдоп. =(-60-100) B, I_кдоп.=3 A, Р_кдоп. =25 Bт, b_min =25.

 

 

4. Построим для выбранного транзистора при и при

Входные характеристики:

 

Выходные характеристики:

 

 

5. На семействе выходных характеристик проведем нагрузочную линию. Отметим значения 0.1 А, 2.6 А, 2.7 А, 0.8 В, 21 В, 21.8 В.

 

6. Определим параметры входной цепи. Ток смещения базы , соответствует

найденной рабочей точке 0, при наихудшем транзисторе, имеющем , и амплитуда переменной составляющей входного тока рассчитывается как

 

, ; мА, мА

 

По входной характеристике определим:

 

мА В мА В

 

В

Найдем входное напряжение для схемы с ОК.

U_вхm= U_бm + U_кm В

Определим входную мощность сигнала, требуемую для получения заданной мощности в нагрузке.

Вт

7. Определим коэффициент усиления по мощности

Потребляемая каскадом номинальная мощность

P₀ = 2E_кI_кср, где I_кср = [(I_кm/p) + I_ок]

А Вт

Коэффициент полезного действия каскада

h = Р/Р₀

8. Рассчитаем сопротивления делителя R₁¸R₄, задающих исходное состояние транзисторов.

I_дел = (0,5¸2)I_бm

мА

Ом Ом

9. Определим входное сопротивление каскада с учетом делителя подачи смещения при включении с общим коллектором.

R_вх~ » R₂ + bR_H 220Ом[E12]

10. Определим уровень нелинейных искажений.

Для оценки уровня нелинейных искажений используют сквозную динамическую характеристику каскада, которая строится с помощью семейства статических выходных и динамической входной ВАХ транзистора.

На графике семейства статических выходных ВАХ устанавливается зависимость входного тока (тока базы) от выходного (тока коллектора) в точках пересечения семейства статических выходных ВАХ с нагрузочной прямой переменного тока. Затем с помощью динамической входной ВАХ определяются значения входных напряжений по найденным значениям тока базы и вычисляются значения ЭДС генератора, который имеет внутреннее сопротивление R_г(задаемся выходным сопротивлением предыдущего каскада R_г = R_вхок)

 

 

Е_г = U_бэ + I_бR_г

 

Динамические (нагрузочные) характеристики транзистора:

А – выходная; в – входная.

 

Построим сквозную динамическую характеристику каскада i_к = f(e_г).

 

Iб, мА	Iк, А	Uбэ, В	Eг, В
	0,1	0,7	0,92
	0,5	0,78	1,88
	0,9	0,84	3,04
	1,29	0,9	5,3
	1,6	0,96	7,56
		1,11	13,21
	2,7	1,4	24,5

 

 

По сквозной характеристике находим номинальные токи I'_km, I'₁, I'_кmin, соответствующие напряжениям Е_гmax, 0,5(Е_гmax + Е_гmin), Е_гmin.

 

I'_km = 2.7 А, I'₁ = 1,95 А, I'_кmin = 0,1 А

Для расчета коэффициента гармоник двухтактного каскада в режиме В(АВ) с учетом асимметрии плеч находим I_km, I₁, I_оk, I₂ I_kmin по формулам

 

I_km = (1 + b) I'_km; I₁ = (1 + b) I'₁; I_ok = 2bI'_кmin;

I₂ = – (1 – b) I'₁; I_kmin = – (1 – b) I'_km;

где b – коэффициент асимметрии транзисторов (b = 0.1).

 

I_km = (1+0.1)*2.7 = 2.97 A I₁ = (1+0.1)*1.95 = 2.15 В

I_ok = А I₂ = - (1-0.1)*1.95= - 1.75 В

I_kmin = - (1-0.1)*2.7 = - 2.43 A

Далее определяем амплитуду гармоник тока коллектора

I_k1 = ¹/₃(I_km – I_kmin + I₁ – I₂) А

I_k2 = ¹/₄(I_km – 2I_ok + I_kmin) А

I_k3 = ¹/₆[I_km – I_kmin – 2(I₁ – I₂)] А

I_k4 = ¹/₁₂[I_km + I_kmin – 4(I₁ + I₂) +6I_ok ] А

I_ср = ¹/₆[I_кm + I_min + 2(I₁ + I₂)] А

Правильность вычисления найденных токов проверим по выражению

 

I_k1 + I_k2 + I_k3 + I_k4 + I_ср = I_km

 

 

Зная эти амплитуды, подсчитаем коэффициент гармоник

Такой коэффициент гармоник получился бы при включении транзисторов с общим эмиттером, при включении же с общим коллектором отрицательная обратная связь снизит коэффициент гармоник до величины

 

 

Полученный коэффициент гармоник удовлетворяет заданному значению 2.16< = 3

 

11. Определим значение емкости разделительного конденсатора

М_Ндб = 20 lg М_Н

 

 

мкФ

 

12. Определим площадь дополнительного теплоотвода (радиатора), охлаждающего транзистор:

,см²,

где F' – коэффициент теплоотдачи (F' = (1,2¸1,4)×10^{-3 вт}/см²×град);

– максимальная температура коллекторного перехода

( (G_e) = 90¸100^oC, (S_i) = 150¸200^oC);

– максимально возможная температура окружающей среды;

R_tП.К. – величина теплового сопротивления транзистора (переход-корпус).

R_tП.К. » 1,5 град/Вт при Р_кдоп £ 12 Вт,

R_tП.К. » 3,0 град/Вт при Р_кдоп £ 30 Вт,

R_tП.К. » (5¸10) град/Вт при Р_кдоп > 30 Вт,

 

см²

 

 

Список литературы:

 

1. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. (Практикум на Electronics Workbench). — Москва: Издательство "Додека", 1999.

2. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника. – М.: Горячая линия – Телеком, 2000.

3. Источники питания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт. – М.: Радио и связь, 1985.

4. Завадский В.А. Компьютерная электроника. – Киев: Выща школа, 1998.

5. Галкин В.И. Полупроводниковые приборы. Справочник. Минск, 1994.

6. Расчет электронных схем. Примеры и задачи / Под ред. Г.И. Изьюровой. – М.: Высшая школа, 1987.

7. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник // Под ред. А.В. Голомедова. М.: КУБКа, 1997.

8. Семенилкина А.Л., Бакуров Н.П., Хабаров А.Р. Методические указания к индивидуальным занятиям и курсовой работе по курсу "Электроника" для студентов специальностей 220100, 210200, 120100. – Тверь 2003.