Курсовая работа: Усилитель постоянного тока

2

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Автоматика и телемеханика»

Курсовой проект

по дисциплине «Электроника»

на тему: «Усилитель постоянного тока»

ПГУ 3.27.03.04.007 ПЗ

Направление подготовки - 27.03.04 Управление в технических системах

Профиль подготовки - Управление и информатика в технических системах

Выполнил студент: Клюжина И.А.

Группа: 16ПА1

Руководитель: Пащенко В. В.

2018

ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по курсу

Студенту Клюжиной И.А__________Группа____16ПА1____________

Тема проекта Усилитель постоянного тока

Исходные данные (технические требования) на проектирование

Данные по источнику входного сигнала:

Диапазон изменения входного сигнала, мВ -2…12

Частотный диапазон, Гц - 0…1000

Выходное сопротивление, Ом - 50

Выходные данные:

Выходной сигнал усилителя ,В - 1

Сопротивление нагрузки, Ом - 50

Источник питания - сеть 220В, 50 Гц

Нестабильность питающего напряжения, % - 10

Нестабильность выходного сигнала усилителя, % - 0,1

Температурный диапазон, ? С - -20…50

Температурная погрешность, % - ?1,5

стабилизатор напряжение выпрямитель усилитель

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 33 листа формата А4, 9 рисунков, 11таблиц,1 лист формата А3, 2 приложения.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, МИКРОСХЕМА, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ.

Цель работы - разработка усилителя постоянного тока, а также моделирование его в программной среде ElectronicsWorkbench.

В процессе работы производится расчет блока питания, трёх каскадов усиления, температурной погрешности и погрешности от нестабильности питающего напряжения.

В результате проделанной работы спроектирован усилитель постоянного тока с параметрами:

- напряжение источника питания - 220 В

- частота источника питания - 50 Гц;

- диапазон изменения входного сигнала - 2.. 12 мВ;

- выходной сигнал - 1 В;

- частотный диапазон - 0..1000 Гц;

- сопротивление нагрузки - 50 Ом

Содержание

1 Разработка структурной схемы источника питания

2 Разработка структурной схемы усилительного каскада

3 Расчёт источника питания

3.1 Расчёт параметрического стабилизатора напряжения

3.2 Расчёт выпрямителя

4 Расчёт усилителя постоянного тока

4.1 Расчёт усилителя мощности

4.2 Расчёт фильтра нижних частот

4.3 Расчёт предварительного усилителя

5 Расчёт погрешностей

5.1 Расчёт температурной погрешности

5.2 Расчёт погрешности от нестабильности питающего напряжения

6 Описание схемы электрической принципиальной

Заключение

Список использованных источников

Приложение А. Схема электрическая принципиальная

Приложение Б. Моделирование усилителя постоянного тока

Введение

Усилителями постоянного тока (УПТ) называют устройства, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов. Усилитель имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой выходной сигнал снимается и подается в нагрузке. Отличительной особенностью УПТ является отсутствие разделительных конденсаторов, предназначенных для отделения усилительных каскадов и нагрузки друг от друга.

В курсовом проекте рассматривается УПТ, служащий для усиления медленно меняющихся сигналов, значение которых после изменения остается постоянным.

УПТ выполняет роль корректирующего преобразователя, который преобразует сигнал, идущий из измерительного в аналого-цифровой преобразователь. Так как сигнал слишком мал, для того что бы прибор мог его оцифровать, сигнал надо усилить. Таким образом, усилитель постоянного тока предназначен для усиления сигналов с датчика, а также для создания входного сигнала аналого-цифрового преобразователя.

Так же в данном курсовом проекте произведено моделирование усилителя постоянного тока с помощью программного обеспечения Electronics WorkBench для сравнения полученных результатов в моделировании и ручного расчета.

1 Разработка структурной схемы источника питания

Структурная схема источника питания усилителя постоянного тока представлена на рисунке 1.

ПТ--понижающий трансформатор

В-- выпрямитель

СФ-- сглаживающий фильтр

СН-- стабилизатор напряжения

Рисунок 1 - Структурная схема источника питания

Понижающий трансформатор--прибор, который необходим для понижения напряжения сети переменного тока.

Выпрямитель -- полупроводниковый преобразователь энергии, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Сглаживающий фильтр -- устройство, предназначенное для уменьшения пульсации на выходе выпрямителя.

Стабилизатор --устройство, предназначенное для автоматического поддержания напряжения или тока при изменении входного напряжения, тока нагрузки в заданных пределах по техническому заданию на 10%.

2 Разработка структурной схемы усилительного каскада

Усилительный каскад имеет структуру, изображенную на рисунке 2.

ПУ - предварительный усилитель;

ФНЧ - фильтр низких частот;

УМ - усилитель мощности.

Рисунок 2 - структурная схема усилительного каскада

Предварительный усилитель -- усилитель напряжения, который усиливает слабый (по напряжению) электрический сигнал.

Фильтр нижних частот -- фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза) и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты.

Усилитель мощности - устройство, необходимое для преобразования небольшого по мощности электрического сигнала, поступающего от источника, в более мощный сигнал, выделяемого в нагрузку.

3 Расчёт источника питания

Источник питания в схеме усилителя постоянного тока необходим для питания микросхем. Обычно источник питания обеспечивает напряжение 15В. В схеме источника питания выделяют следующие основные части: понижающий трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор напряжения.

3.1 Расчёт параметрического стабилизатора напряжения

Основными параметрами стабилизаторов являются: коэффициент стабилизации, нестабильность выходного напряжения, внутреннее сопротивление стабилизатора, температурная нестабильность, коэффициент полезного действия.

Схема параметрического стабилизатора представлена на рисунке 3.

Рисунок 3-Схема параметрического стабилизатора напряжения

По напряжению в нагрузке выбираем стабилитрон Uст ?Uн 2С213Е. Параметры стабилитрона приведены в таблице 1.

Таблица 1- параметры стабилитрона 2С213Е

Находим ток нагрузки стабилизатора:

,

где - заданный ТЗ ток нагрузки усилителя;

In - ток потребления выбранного ОУ;

n - число использованных ОУ.

;

Выберем ток рабочей точки стабилитрона внутри рабочей области:

Рассчитаем ток, потребляемый схемой:

Выберем входное напряжение :

).

Рассчитаем сопротивление резистора R1, из напряжения на нем (2…7)В и тока :

.

Находим абсолютное изменение входного напряжения по нестабильности входного напряжения в %:

.

Определим изменение тока через резистор R1:

.

Исходя из того, что , проверим правильность выбора рабочей точки:

,

,

,

.

Рассчитаем изменение выходного напряжения схемы:

.

Вычислим коэффициент стабилизации стабилизатора:

.

В таблице 2 приведены параметры рассчитанного стабилизатора:

Таблица 2 - параметры рассчитанного стабилизатора

Коэффициент стабилизации рассчитанного стабилитрона слишком мал (<10). Поэтому для повышения коэффициента стабилизации используем микросхему К142ЕН6.Основные параметры микросхемы представлены в таблице 3, а схема подключения изображена на рисунке 4.

Рисунок 4 - схема подключения стабилизатора

Стабилизатор напряжения имеет следующие выводы:

15- вход (+);

13-выход(+);

4-выход(-);

6-вход(-);

11-коррекция (+);

17-коррекция (-);

8-общий вывод.

Таблица 3 - параметры микросхемы К142ЕН6

Изменение напряжения на входе зависит от нестабильности питающего напряжения:

.

Рассчитаем нестабильность напряжения на выходе стабилизатора при использовании микросхемы:

.

Определим коэффициент стабилизации при использовании микросхемы:

.

Коэффициент стабилизации, по данным расчётам ,удовлетворяет следующему условию: .

Ёмкость конденсаторов цепи коррекции (С1 = С2) должна находиться в пределе (0,1..1) мкФ. Выбираются конденсаторы типа К10-17а, параметры которых представлены в таблице 4.

Таблица 4 - параметры конденсатора К10-17а

3.2 Расчёт выпрямителя

Выпрямитель необходим для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямители состоят из следующих основных частей:

- трансформатор - устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети;

-выпрямительный элемент, имеющий одностороннюю проводимость, необходим для преобразования переменного напряжения в пульсирующее;

-фильтр - нужен для сглаживания пульсирующего напряжения.

В курсовомпроекте используется двухполупериодный выпрямитель, построенный на диодном мосте, схема которого представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - схема двухполупериодного выпрямителя

Рассчитаем ток на выходе выпрямителя:

,

где - ток, потребляемый микросхемой.

Определим сопротивление нагрузки:

.

Вычислим напряжение на выходе выпрямителя:

Выберем диоды по току , который они должны обеспечить, таким образом, чтобы

и .

По данным условиям был выбран диод КД106А, параметры которого приведены в таблице 5.

Таблица 5- параметры диода КД106А

Рассчитаем коэффициент трансформации понижающего трансформатора от 220 В до требуемого значения напряжения на выходе выпрямителя:

Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения выберем конденсатор для сглаживающего фильтра.

Выбор конденсатора производим в соответствии с условиями:

-Емкость конденсатора должна быть не меньше рассчитанного;

-Рабочее напряжение конденсаторов должно быть не меньше выпрямительного.

Определим ёмкость конденсатора:

В соответствии с расчётами выберем конденсатор К50-6, параметры которого представлены в таблице 6.

Таблица 6- параметры конденсатора К50-6