Министерство науки и высшего образования Российской Федерации «Южно-Уральский государственный университет» Высшая школа электроники и компьютерных наук Кафедра «Информационно-измерительная техника» ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ по дисциплине: «Электроника и микропроцессорная техника» КЭ-120301.2021.308.461 ПЗКП Нормоконтролер: ______ Константинов В.И. «____ » _______ 2021 г. Руководитель: ________ Константинов В.И. «____» ________ 2021 г. Автор проекта Студент группы КЭ-315 ___________ Тимиргазин И.М «____»__________ 2021 г. Проект защищён с оценкой __ / ___________ / «____»_______ 2021 г. Челябинск 2021 АННОТАЦИЯ Тимиргазин усилитель И.М. Измерительный постоянного напряжения: Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу микропроцессорная «Электроника и техника». – Челябинск: ЮУрГУ, 2021 г., 54 с., библиогр. список – 4 наим. В ходе выполнения данного курсового проекта был спроектирован измерительный усилитель постоянного напряжения. Так же были разработаны функциональная и принципиальная схемы данного устройства. Реализация многих функциональных блоков основана уже на существующих реальных схемах, поэтому некоторые данные приводятся на основе опытных данных. Для разработки использовалась литература, приведённая в библиографическом списке, каталог интернет-магазина: Чип и Дип. Рассматриваемый электронный преобразователь включает в себя источник питания, входной усилитель, фильтр, регулятор уровня и усилитель мощности, построенный на транзисторах с n-p-n и p-n-p переходами. Помимо расчетов схемы в данной работе также представлена принципиальная схема устройства и спецификация. Проект реализован в программе Word2020, принципиальная схема устройства создавалась в программе AutoCAD 2019. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 5 ОГЛАВЛЕНИЕ АННОТАЦИЯ ........................................................................................................ 4 ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 8 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ...................................................................................... 10 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА ............................................ 11 БЛОК ПИТАНИЯ ................................................................................................ 12 РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ ............................................................. 16 1.1 Выбор напряжения питания .................................................................... 17 1.2 Выбор транзисторов VT3 и VT4 ............................................................. 18 1.3 Выбор резисторов R8 и R9 ...................................................................... 19 1.4 Выбор транзисторов VT1 и VT2 ............................................................. 21 1.5 Выбор резисторов R10 и R11 .................................................................. 22 1.6 Выбор резисторов R6, R7 диодов VD3 – VD6 ...................................... 23 1.7 Расчет предварительного усилителя и резисторов R1 – R3 ................ 25 1.8 Выбор резисторов общей отрицательной обратной связи ................... 25 1.9 Выбор операционного усилителя ........................................................... 26 1.10 Расчет параметрических стабилизаторов R4, R5 диодов VD1, VD2 .. 26 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................... 31 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................ 32 ПРИЛОЖЕНИЕ А ............................................................................................... 33 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ................................................................................................ 34 ПРИЛОЖЕНИЕ В ................................................................................................ 35 ПРИЛОЖЕНИЕ Г ................................................................................................ 36 ПРИЛОЖЕНИЕ Е ................................................................................................ 37 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж ............................................................................................... 38 ПРИЛОЖЕНИЕ З ................................................................................................ 39 ПРИЛОЖЕНИЕ И ............................................................................................... 40 ПРИЛОЖЕНИЕ К ................................................................................................ 41 ПРИЛОЖЕНИЕ Л ................................................................................................ 43 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 6 ПРИЛОЖЕНИЕ М ............................................................................................... 44 ПРИЛОЖЕНИЕ Л ................................................................................................ 45 ПРИЛОЖЕНИЕ Н ............................................................................................... 46 ПРИЛОЖЕНИЕ О ............................................................................................... 47 ПРИЛОЖЕНИЕ П ............................................................................................... 48 ПРИЛОЖЕНИЕ Р ................................................................................................ 49 ПРИЛОЖЕНИЕ С ................................................................................................ 50 ПРИЛОЖЕНИЕ Т ................................................................................................ 51 ПРИЛОЖЕНИЕ У................................................................................................ 52 ПРИЛОЖЕНИЕ Ф ............................................................................................... 53 ПРИЛОЖЕНИЕ Х ............................................................................................... 54 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 7 ВВЕДЕНИЕ Измерительный усилитель – электронный усилитель, применяемый в процессе измерений и обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе. Измерительные усилители применяются в качестве предварительных усилителей слабых сигналов постоянного и переменного токов, а также в качестве выходных усилителей мощности. Усилители, предназначенные для повышения мощности источников звукового и ультразвукового диапазонов. Усилители, как правило, строятся по многокаскадной схеме с применением разнообразных видов местной и общей отрицательной обратной связи для обеспечения стабильностью коэффициента передачи частотной характеристики. Измерительные усилители применяются в качестве предварительных усилителей слабых сигналов постоянного и переменного токов, а также в качестве выходных усилителей мощности В курсовой работе была поставлена задача изучить, рассчитать и спроектировать электронную схему устройства под названием «Измерительный усилитель постоянного напряжения». Данная схема должна быть не только работоспособной, но отвечать определенным требованиям, а электрическая схема устройства должна быть наглядной и читаемой, в связи с этим были сформулированы цели и задачи, успешное решение которых приведет к наилучшему результату. Целью курсового проекта является разработка измерительного усилителя постоянного напряжения. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Разработать функциональную схему измерительного усилителя постоянного напряжения и дать описание ее работы; 2. Разработать принципиальную электрическую схему измерительного усилителя постоянного напряжения и дать описание ее работы; Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 8 3. Рассчитать параметры элементов принципиальной электрической схемы (резисторов, транзисторов, диодов микросхем и т.д.) Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 9 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 𝑈н макс = 15, В 𝑅н = 8, Ом 𝑓мин = 0, Гц 𝑓макс = 2 ∗ 104 , Гц 𝑀 = ±1,5, дБ Форма АЧХ и спектра − Плоская 1 в 𝑓мин , и 3𝑓макс = 20, дБ 3 𝑘𝑓 = 0,3, % 𝑅вых = 0,1, Ом 𝑅вх = 1, МОм 𝐸г = 20, мВ 𝑅г = 0,2, МОм 𝐶г = 100, пФ 𝛿р = −100, % ∆𝑈др.прив. = 5, мкВ/℃ ∆𝑡 = +10℃ … + 40℃ Питание − 220 + 10/−15% 50Гц Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 10 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА Измерительный усилитель постоянного напряжения включает в себя следующие элементы: входной усилитель (ВУ); регулятор уровня (РУ); усилительный механизм (УМ); блок питания (БП). Рисунок 1 – Функциональная схема измерительного усилителя Найдем напряжение на входе усилителя: 𝑈вх = Ег ∙ 𝑅вх 10 ∙ 10−3 ∙ 2 ∙ 106 = = 9 мВ. 𝑅вх + 𝑅г 2 ∙ 106 + 0,2 ∙ 106 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 11 БЛОК ПИТАНИЯ Рисунок 2 – Обобщенная схема блока питания Найдем напряжение нагрузки: 𝑈н𝑚𝑎𝑥 = √𝑅н ∙ 𝑃н = √8 ∙ 32 = 16 В. Найдем ток нагрузки: 𝑈н𝑚𝑎𝑥 𝐼Н𝑚𝑎𝑥 = = 2 А. 𝑅н Средний ток нагрузки: 𝐼НСР 𝐼Н𝑚𝑎𝑥 2А = = ≈ 0,64 А. 𝜋 3.14 Рабочее напряжение возьмем с двукратным запасом: 𝑈раб = (𝑈н𝑚𝑎𝑥 + 2) ∗ 2 = 18 ∗ 2 = 36 В Рассчитаем величину пульсаций выпрямленного напряжения 2𝑈 ~ Так как 2𝑈 ~ ≤ 5%(𝑈рабоч ), Тогда 2𝑈 ~ = 5%(𝑈рабоч ) = 36 ∙ 0.05 = 1.8 (В). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 12 Расчет конденсаторов. Рассчитаем емкость конденсаторов: 6400 ∙ 𝐼НСР 6400 ∙ 0.64 𝐶11 = 𝐶12 = = = 2275,5 (мкФ) 2𝑈 ~ 1.8 Из ряда Е24: 𝐶11 = 𝐶12 = 2200 (мкФ). Пересчитаем величину пульсаций выпрямленного напряжения 2𝑈 ~ : 6400 ∙ 𝐼НСР 2𝑈 = = 1,86В 2200 Падение напряжения на стабилизаторах ≈ 2 В. ~ Амплитуда напряжения будет составлять: 𝑈𝑚 220−15% = 16В + 2В + 1,86В = 19,86(В) m При U220 = Um 220 0.85 = 23,364 (В) m При U220+10% = Um 220 ∙ 1.1 = 25,7 (В). Расчет диодного моста. Составляем следующие условия для выбора диодов: ср ср Средний ток диода: Iд > 0,5IН = 0,5 ∗ 0,64 А = 0,32 А m Максимальное обратное напряжение: Uобр > 2U2m 220+10% = 43,692 В. Выберем диодный мост КЦ410А. Расчет трансформатора. Тогда напряжение вторичной обмотки: U2 = Um 220 + Ud √2 = 23,364 В + 1 В √2 = 17,227(В). Определим ток: I2 = IНСР ≈ 0,64 (А). Габаритная мощность: PГ = 2 ∙ I2 ∙ U2 = 2 ∙ 0,64 А ∙ 17,227 В = 22,05(Вт). Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 13 Расчет стабилизаторов. Для обеспечения питающего напряжения 220/50 Гц В качестве стабилизаторов используем LM317 (для положительного напряжения), LM337 (для отрицательного напряжения). Заменим каждый из подстроечных резисторов суммой обычного (R27, R26) и подстроечного (R28, R29). Чтобы определить номиналы резисторов воспользуемся следующей формулой: Т.к. IADJ имеет порядок десятки мкА, вторым слагаемым можно пренебречь, получим: 𝑅2 + 𝑅3 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑈𝑅𝐸𝐹 ∙ (1 + ) 𝑅1 16 = 1,25 ∙ (1 + 𝑅2 + 𝑅3 ) 𝑅1 Пусть R1=200 Ом Тогда R2+R3=2360 Ом В документации указаны: С3, С4 = 0.1 (мкФ) , С5, С6 = 1 (мкФ) Поскольку схема симметрична и выходные стабилизируемые напряжения равны по модулю, то нижняя часть схемы будет иметь точно такие же параметры. Мощности рассеивания резисторов R1, R6: 1.252 𝑃𝑅24 = 𝑃𝑅25 = = 0.007 Вт ≪ 0,125 Вт 200 R1=R6: МЛТ-0.125 200 Ом +5% R3=R4: СП3-19а 1,1 кОм. R2=R5: МЛТ 1,3 кОм. Предохранители. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 14 Предохранители FU1 и FU2 должны сохранять свою работоспособность при токе в три раза превышающем ток первичной обмотки трансформатора. Поэтому выберем предохранители ВП4-4 на 2 А и 250 В. Рассчитаем предохранители FU1 и FU2, в них, максимальный ток равен: Для безопасности возьмем, 𝐼𝐹𝑈1 = 2 (А). Выберем переключатель-тумблер КМ2-1(для коммутации переменного напряжения до 250 В, и максимальным током через контакты 3 А. Рисунок 3 – Схема блока питания Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 15 РАСЧЁТ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ Рисунок 4 – Структура усилителя мощности Структурно усилитель мощности состоит из предварительного усилителя в качестве которого используется операционный усилитель(ОУ) и оконечного каскада (ОК) – двухтактного транзисторного усилительного каскада с коэффициентом усиления по напряжению больше единицы. Функцией оконечного каскада является формирование в нагрузке заданных энергетических параметров электрического сигнала. Функция предварительного усилителя – управление ОК с целью обеспечения других технических показателей усилителя мощности за счет применения отрицательной обратной связи (ООС). Поскольку требуемое напряжение нагрузки, как правило, превышает допустимое выходное напряжение ОУ, ОК приходится строить по схеме с усилением сигнала по напряжению. В противном случае ОК можно реализовать по схеме повторителя напряжения. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 16 Для питания ОУ удобно сформировать напряжения ±U параметрическими стабилизаторами или простейшими интегральными. Принципиальная схема усилителя мощности приобретает классический вид: Рисунок 5 – Принципиальная схема усилителя мощности 1.1 Выбор напряжения питания Для обеспечения формирования в нагрузке напряжения заданной максимальной величины напряжение питания рассчитывается как сумма максимального напряжения нагрузки и остаточного напряжения на силовых транзисторах выходного каскада: Епит = 𝑈н𝑚 + 𝑈ост , где 𝑈ост примерно равно 1,5…3 В, выбираем 𝑈ост = 2 В Тогда: Епит = 16 + 2 = 18. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 17 1.2 Выбор транзисторов VT3 и VT4 Выбор производится по энергетическим параметрам – максимально 𝑚 допустимому напряжению между коллектором и эмиттером 𝑈кэ , максимально допустимому току коллектора 𝐼к𝑚 , максимальной рассеиваемой на коллекторе транзистора мощности 𝑃к𝑚 : 𝑚 𝑈кэ ≥ 2Епит => 𝑈кэ ≥ 36 В; 𝐼к𝑚 =Iнm +IR10 = 𝑈н𝑚 𝑅н + IR10 IR10≈ (0,1…0,2)Iнm; Iк max≈ 1,1* Iнm ≈ 2,2 А; Рк макс = Е2пит 4∗𝑅н = 182 4∗8 = 10,125 Вт; Подходят транзисторы КТ829 (n-p-n), КТ853 (p-n-p), параметры которых указаны в таблице 2. Транзисторы КТ829 - КТ853 отличаются от транзисторов в своих сериях 𝑚 значением параметра 𝑈кэ . Таблица 2 – Параметров транзистора, КТ829 - КТ853 𝑚 𝑈кэ 100 В 𝑃к𝑚 60 Вт Статический коэффициент передачи тока (не менее) 𝐼н𝑚 750 8А Граничная частота усиления (более) 4 МГц Uкэ насыщения (не более) 2В Тип корпуса ТО-220 Тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт ≤ 2,08 Обратный коллекторный ток, мА ≤1 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 18 1.3 Выбор резисторов R8 и R9 Резисторы R8 и R9, включенные параллельно база-эмиттерным переходам мощных транзисторов, служат для устранения режима работы выходных транзисторов «с оборванной базой». То есть номиналы этих резисторов выбираются из условия, что неуправляемый ток коллектора транзистора, протекая по резистору, не приведет к его открыванию, а рабочий ток управления транзистора предоконечного каскада усиления (VT1, VT2) , будет протекать через базо-эмиттерные переходы VT3, VT4 соответственно, а не через эти шунтирующие резисторы. Учитывая, что максимальный неуправляемый ток может составлять 100 мкА, а входное напряжение, соответствующее появлению тока базы можно принять примерно 0,4 В максимальное значение номинала этих резисторов может составлять 4 кОм. Максимальный ток в цепи коллектора 3,5 А, минимальное значение коэффициента передачи по току выходных транзисторов 750, поэтому максимальный ток базы транзистора будет составлять: 2,2 = 2,93мА 750 Найдём в datasheet входные характеристики: 𝐼б𝑚 = Рисунок 6 – Входная характеристика транзисторов VT3 и VT4 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 19 Рисунок 7 – Определение напряжения По входной характеристике определим, что току базы 2,93 мA соответствует напряжение база – эмиттер 𝑈БЭном = 1,05 В, тогда минимальное значение шунтирующего резистора определится как: 𝑅8,9 = 1,05 = 358,36 Ом 2,93 мА Выбирая номинал резисторов R8, R9 как среднее геометрическое номиналов рабочего диапазона √889 ∙ 422 = 1197,26 Ом. Выберем подходящий резистор из ряда Е24: R8 = R9 = 1200 Ом Максимальная мощность, рассеиваемая на резисторах, определится как квадрат падения напряжения, деленный на номинал резистора: 𝑃𝑅8,9 𝑈2 1,052 = = = 0,001 Вт 𝑅8,9 1200 Выбираем резисторы МЛТ 0,125 Вт. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 20 1.4 Выбор транзисторов VT1 и VT2 Выбор также производится по энергетическим параметрам - максимально 𝑚 допустимому напряжению между коллектором и эмиттером 𝑈кэ , максимально допустимому току коллектора 𝐼к𝑚 , максимальной рассеиваемой на коллекторе транзистора мощности 𝑃к𝑚 : IКVT1,2 ≈ IБVT3,4+ IR8,R9 В нашем случае статический коэффициент передачи тока βVT3,4 ≈ 750 (из документации) 𝐼Б 𝑉𝑇3,4 = 𝐼К 𝑉𝑇3,4 𝛽𝑉𝑇3,4 2,2 = 275 = 2,93 мA; IR8,R9 = 1,05 B/1200 Ом = 0,875 мA Таким образом, IКVT1,2 = 8 + 1,25 = 3,805 мА Учитывая, что напряжение в точке соединения эмиттеров транзисторов VT1, VT2 соответствует напряжению на выходе ОУ, а максимальное выходное напряжение ОУ с напряжением питания ± 15 В составляет ± 10 В 𝑈кэ 𝑉𝑇1,2 ≥ 𝐸пит + 𝑈вых ОУ 18 + 10 ≥ 28 В Учитывая, что при протекании через транзистор максимального тока на нем падает минимальное напряжение: 18В − 10В = 8 В. Рассчитаем максимальную мощность рассеивания на коллекторе: 𝑃 = 8 ∙ 3,805 мА = 30,44мВт Для предоконечного каскада выбираем комплементарную пару отечественных транзисторов VT1 КТ818 и VT2 КТ819 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 21 1.5 Выбор резисторов R10 и R11 Резисторы образуют цепь локальной отрицательной обратной связи, определяющей коэффициент усиления по напряжению транзисторного оконечного каскада. Поскольку входное напряжение транзисторного каскада U ВХ ПУ = U ВЫХ ВУ Коэффициент усиления по напряжению 𝐾𝑈 ПУ−УМ 𝑈н𝑚 16 = = = 1,6 𝑈ВХ ПУ 10 К𝑈 УМ = 1 + 𝑅10 𝑅11 = 1,6 Задавшись, что ток резистивного делителя R10, R11, по крайней мере, втрое больше максимального тока эмиттера транзисторов VT1, VT2, составляющего (как и коллекторный ток) 3,805 мА, определим минимальное значение IR10 = IR11 = 11,415 мA. Тогда определим значения: 𝑅10 𝑈н𝑚 − 𝑈ВХ ПУ (16 − 10)В ≤ = = 525,6 Ом 𝐼𝑅10 11,415 мА 𝑅11 ≤ 𝑈ВХ ПУ 10 В = = 876 Ом 𝐼𝑅11 11,415 мА Выберем значения резисторов из ряда Е24: 𝑅10 = 560 Ом, 𝑅11 = 910 Ом. Определим мощности рассеивания резисторов: 𝑃𝑅10 (𝑈н𝑚 − 𝑈ВХ ПУ )2 (16 − 10)2 = = = 0,0642 Вт 𝑅10 560 𝑃𝑅11 𝑈ВХ ПУ 2 102 = = = 0,109Вт 𝑅11 910 Исходя из полученных данных выбираем резисторы: Выбираем резисторы R10, R11 – МЛТ 0,125 Вт номиналом 560 и 910 кОм соответственно. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 22 1.6 Выбор резисторов R6, R7 диодов VD3 – VD6 Цепь начального смещения транзисторного каскада формирует режим работы класса АВ с целью уменьшения нелинейных искажений. Прямо смещенные диоды VD5, VD6 имеют температурную зависимость падения напряжения, аналогичную база-эмиттерным переходам транзисторов. В результате чего реализуется принцип термокомпенсации и каскад приобретает температурную стабильность режима покоя. Резисторы R6, R7 определяют ток прямого смещения диодов, регулируя тем самым токи покоя выходных транзисторов. Диоды VD3, VD4 обеспечивают формирование входного тока транзисторного каскада выходным током операционного усилителя, поэтому выбираются с минимальным прямым падением напряжения. Выбираем Д310. Для снижения нелинейных искажений двухтактного усилительного каскада до уровня менее 5% следует выбирать ток покоя на уровне 2-4% максимального тока коллектора выходных транзисторов, но, обычно, не более 100 мA. Учитывая, что максимальный ток VT3, VT4 составляет 2,2 А, 3% соответствуют току покоя 100мA. Выберем 𝐼кп (VT3, VT4) = 93 мA. Тогда, 𝐼б𝑛 (𝑉𝑇3, 𝑉𝑇4) = 𝐼к𝑛 𝛽𝑉𝑇3,4 = 93мА 750 = 124𝜇А Падение напряжения на базо-эмиттерном переходе при таком токе в соответствии с входной характеристикой транзистора составит 1,2 В. Токи резисторов R8 и R9 определятся как 1,2 В 1200 Ом = 1 мА Коллекторные токи покоя транзисторов VT1 и VT2 определим, как сумму базовых токов VT3, VT4 и токов резисторов R8 и R9. 𝐼кп (VT1, VT2) = 121µА + 1,9 mA = 1,124 mA 𝐼бп (VT1, VT2) = 𝐼кп 𝛽𝑉𝑇1,2 = 1,124 = 4,08 мА 275 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 23 Рисунок 7 – Входная характеристика VT1, VT2 Определим входную характеристику транзисторов VT1, VT2 по рисунку 7, п получим, что 𝑈бэ (VT1, VT2) составляет 0,5 В. Для формирования цепи диодного смещения транзисторов необходимо подобрать диоды, имеющие аналогичное падание напряжения примерно на порядок большем протекающем токе. Выбираем диоды VD5,VD6 - 1N4148, которые имеют такое же падение напряжения при протекающем токе Id =1,1 мA, тогда номиналы резисторов рассчитаем как: 𝑛 (𝐸пит − 𝑈БЭ ) (18 В − 0,5 В) 17,5 В 𝑅6 = 𝑅7 = 𝑛 = = = 3,378кОм (𝐼б (𝑉𝑇1, 𝑉𝑇2) + 𝐼𝑑 ) 4,08 мА + 1,1 мА 5,18 мА В соответствии с рядом Е24 выбираем 𝑅6, 𝑅7 = 3,6 кОм. Мощность рассеивания резисторов определится как: 𝑛 2 (𝐸пит − 𝑈БЭ ) (18 В − 0,5 В)2 = = 0,085 Вт 𝑅6 (𝑅7 ) 3,6кОм Выбираем резисторы R6, R7 - С2-23 0.125 Вт номиналом 3,6 кОм. Выбираем в качестве диодов VD1, VD2 универсальный BZX55C10, имеющий минимальное прямое падение напряжения. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 24 1.7 Расчет предварительного усилителя и резисторов R1 – R3 Предварительный усилитель выполнен на операционном усилителе А, при его выборе нужно учесть следующие факторы: 1. Согласно заданию, необходимо обеспечить величину коэффициента нелинейных искажений kf= 0,5% 2. На верхней частоте ОУ должен обеспечивать расчетный коэффициент усиления. 1.8 Выбор резисторов общей отрицательной обратной связи Предварительный усилитель и усилитель мощности охвачены одно петлевой цепью отрицательной обратной связи на резисторах R2 и R3, которая обеспечивает необходимый коэффициент усиления и качественные показатели. Резистор R1 определяет входное сопротивление УМ, поэтому его номинал берется равным 47 кОм. КПУ−УМ 𝑅3 𝑈нм 16 =1+ = м = = 16 𝑅2 𝑈вх 1 Учитывая, что R2║R3 ≈ R1(для усилителей переменного тока установка конденсатора последовательно с R2 изменяет условие R3 ≈ R1) R2=51 кОм R3=510 кОм Мощности рассеивания на резисторах: 𝑃𝑅2 12 В = = 0.00002Вт 51 кОм 𝑃𝑅3 = 162 = 0,0005 Вт 510 кОм Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 25 Выбираем резисторы МЛТ мощностью 0,125 Вт. 1.9 Выбор операционного усилителя Коэффициент нелинейных искажений рассчитывается: kf Kf 0,005 1 KU где R2 51кОм 0,09 R2 R3 51кОм 510кОм Kf = 0,05 – коэффициент нелинейных искажений без ОС; KU– коэффициент усиления всего предварительного усилителя и усилителя мощности (KU = KОУ ·KУМ) без ОС: KU Kf kf k f K ОУ 0,05 0,005 100 0,005 0,09 KU 100 50 KУМ 2 Рассчитаем частоту единичного усиления и выберем усилитель. 𝑓1 = 𝑓𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝐾ОУ = 2 ∗ 104 ∙ 50 = 1 МГц Выбираем операционный усилитель UPC4742MF. 1.10 Расчет параметрических стабилизаторов R4, R5 диодов VD1, VD2 Для питания ОУ целесообразно использовать напряжение питания силового каскада. Понижение номинала производится использованием либо интегральных стабилизаторов 7815, 7915, либо формированием простейших параметрических устройств. Для построения простейшего стабилизатора используем стабилитрон с напряжением стабилизации 10 В – BZX55C10. Диапазон токов стабилизации у стабилизатора BZX55C10 составляет 1-5 мA, ток потребления ОУ – 3 мA, поэтому средний ток балластного резистора составит: Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 26 4 + 3 = 7 м𝐴. Рассчитаем падение напряжения на резисторах R4, R5: (Епит − 𝑈ст ) = 18 В − 10 В = 8 В, откуда номинал резисторов R4 и R5 определяется как: 8В = 1142,85 Ом, 7мА Выберем номиналы R4 и R5 из ряда Е24 равными 1.2 kОм. Определим мощность рассеивания резисторов: (𝐸ПИТ − 𝑈СТ )2 (18 В − 10 В)2 𝑃= = = 0,006Вт 𝑅4,5 1,2 𝑘Ом Выбираем резисторы R4, R5 - С2-23 0.125 Вт номиналом 1,2 kОм. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 27 Предварительный усилитель удобнее реализовать с использованием операционного усилителя в неинвертирующем включении. Принципиальная схема входного усилителя представлена на рисунке 10. Рисунок 10 – Принципиальная схема ВУ Резистор R2 обеспечивает входное сопротивление. Резисторы R3, R4 формируют отрицательную обратную связь, определяющую коэффициент передачи в низкочастотной области. Резистор R6 выравнивает сопротивления, приведенные ко входам усилителя по постоянному току для устранения выходной статической ошибки от входных токов ОУ. Цепь R5 C2 – частотно-компенсирующая, предназначена для устранения влияния частотных искажений входной цепи. Резисторы R7, R8 – нагрузка входного усилителя, эквивалентирующая регулятор уровня. Расчет параметров схемы производится из соотношений 𝑅2 = 𝑅ВХ = 2 МОм = 2000 кОм Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 28 𝐸Г ⋅ 𝑅2 10 мВ ⋅ 2000 кОм = = 9мВ (𝑅1 + 𝑅2) 200кОм + 2000 кОм 𝑈ВХ (НЧ) = 𝐾𝑈 = 𝑈ЛИН 1В = = 111,1 𝑈ВХ (НЧ) 9 мВ 𝐾𝑈 = 1 + 𝑅4 или 𝑅4 = 𝑅3 ⋅ (𝐾𝑈 − 1) 𝑅3 𝑅1||𝑅2 = 𝑅6 + 𝑅3||𝑅4 Отсюда, поскольку значение R3 << R4 следует, что R4 R6 R1 || R2 Найдём значение R4, R6: 𝑅4.6 = 200 кОм ⋅ 2000 кОм = 1,8 МОм 2000 кОм + 200 кОм Согласно ряду Е24, R4 = R6 = 1,8 МОм. Рассчитаем значение резистора R3: 𝑅3 = 𝑅4 1,8 МОм = = 16348,8 Ом 𝐾𝑈 − 1 111,1 − 1 Согласно ряду Е24, R3 = 18 кОм. Определим мощности рассеивания: 𝑃𝑅2 92 = = 45 ⋅ 10−6 Вт 1,8 МОм 𝑃𝑅3 92 = = 45 ⋅ 10−7 Вт 18 кОм Полученные значения меньше 0,125 Вт. На резисторе R4 падает напряжение 𝑈𝑅4 = 𝑈ЛИН − 𝑈ВХ = 1 − 0,009 ≈ 0,991В При этом мощность рассеивания составит: 𝑃𝑅4 = 0,991 В = 5,5 ⋅ 10−7 Вт 1,8 МОм что тоже меньше 0,125 Вт. Постоянная времени частотно-корректирующей цепи должно соответствовать постоянной времени входной цепи, а глубина Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 29 коррекции – диапазону изменения коэффициента передачи входной цепи. Отсюда: С1 ⋅ (𝑅1||𝑅2) = 𝐶2 ⋅ 𝑅5 𝑅2 (𝑅1+𝑅2) = (1 + (𝑅5||𝑅4) (1 + 1 𝑅3 𝑅4 ) ) 𝑅3 Расчитаем в R5 и C2: 𝑅2 (𝑅1+𝑅2) = (1 + 1 (𝑅5||𝑅4) (1 + 𝑅3 𝑅4 ) ) => 𝑅5 ≈ 159 𝑉МОм 𝑅3 Согласно ряду Е24, R5 = 162 МОм. ,С2 = 28 пФ. Определим мощность рассеивания резистора R5: 𝑃𝑅5 = 0,991В = 6,11 ∗ 10−9 Вт 162 МОм Полученное значение меньше 0,125 Вт. Резисторы R7 и R8 реализуют регулятор уровня, причем R7 – переменный резистор, обеспечивающий регулировку, а R8 определяет диапазон регулировки. Поскольку регулятор уровня с одной стороны является нагрузкой операционного усилителя, а с другой – источником входного сигнала для усилителя мощности, из условия согласования каскадов по режиму «холостого хода» целесообразно выбирать номиналы резисторов регулятора в диапазоне единиц кОм. Диапазон регулирования выходной величины составляет 𝛿𝑝 = −75%, то есть сигнал регулируется в диапазоне (0.75 – 1) Uлин, тогда 𝑅7 = 0.75 (𝑅7 + 𝑅8) Отсюда получаем, что R7 =3∙R8. Пусть R7 = 1кОм, тогда R8=0,33кОм Из ряда Е24: R8=330 Ом. Выбираем резисторы R7, R8 – СП3-19а номиналом 1 кОм и МЛТ-0.125 Вт номиналом 330 Ом. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 30 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения данного курсового проекта, на практике освоен и закреплен теоретический материал по курсу электроники. Также получены новые знания при работе с такими программами как LTspice XVII. В ходе работы было исследовано большое количество документации по отдельным элементам измерительного усилителя, тем самым получены новые навыки поиска информации и работы в русской и зарубежной документации. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 31 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Измерительный усилитель. – https://ru.wikipedia.org/wiki/Измерительный _усилитель_(средство_измерений) 2. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохроненко, А.А.Ходоренок - Минск: Беларусь, 1994. - 591 с. 3. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы. Справочное пособие. - М.: Изд. «Салон-Р»,2000. 4. Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. - М.:Микротех.1996 г. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 32 ПРИЛОЖЕНИЕ А (Справочное) Резисторы МЛТ Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 33 ПРИЛОЖЕНИЕ Б (Справочное) Резистор СПЗ-19А Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 34 ПРИЛОЖЕНИЕ В (Справочное) Конденсатор электролитический К50-35 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 35 ПРИЛОЖЕНИЕ Г (Справочное) Конденсатор электролитический К10–17–1б Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 36 ПРИЛОЖЕНИЕ Е (Справочное) Разъем KLS-125-3,81-02P-4S. Таблица 8 – Технические характеристики клеммника KLS-125-3,81-02P-4S Наименование Рабочее напряжение, В Рабочий ток, А Количество контактов, шт Максимальное сечение зажимаемого провода Шаг контактов Значение 300 10 2 12 3,81 Предохранитель ВП4-4 2.0А 350В Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 37 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж (Справочное) Диодный мост КЦ410А 50 В Таблица Б.1 – Технические характеристики диодного моста КЦ410А 50 В Значение Величина Максимальное обратное напряжение 50 В Прямой ток 3А 50 мкА Максимальный обратный ток Максимальная рабочая частота 1 кГц Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 38 ПРИЛОЖЕНИЕ З (Справочное) Кнопка КМ2-1 Вилка TDM SQ1806-0001. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 39 ПРИЛОЖЕНИЕ И (Справочное) Резистор СП3-19а Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 40 ПРИЛОЖЕНИЕ К (Справочное) Операционный усилитель LM317T Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 41 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 42 ПРИЛОЖЕНИЕ Л (Справочное) Операционный усилитель LM337T Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 43 ПРИЛОЖЕНИЕ М (Справочное) Трансформатор ТПП-270 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 44 ПРИЛОЖЕНИЕ Л (Справочное) Транзистор КТ829 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 45 ПРИЛОЖЕНИЕ Н (Справочное) Транзистор КТ853 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 46 ПРИЛОЖЕНИЕ О (Справочное) Транзистор КТ818 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 47 ПРИЛОЖЕНИЕ П (Справочное) Транзистор КТ819 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 48 ПРИЛОЖЕНИЕ Р (Справочное) Диод Д310 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 49 ПРИЛОЖЕНИЕ С (Справочное) Диод КД509А Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 50 ПРИЛОЖЕНИЕ Т (Справочное) Диод BZX55C10 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 51 ПРИЛОЖЕНИЕ У (Справочное) Диод BZX55C10 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 52 ПРИЛОЖЕНИЕ Ф (Справочное) Операционный усилитель UPC4742MF. Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 53 ПРИЛОЖЕНИЕ Х (Справочное) Операционный усилитель AD746 Лист Изм. Лист № докум. Подпись Дата ЮУрГУ - 120301.2021.308.461 ПЗ 54
