3.Работа №1. Расчет и применение усилительных устройств.

Номер варианта задания соответствует последней цифре порядкового номера фамилии студента в списке группы!

Задание №1

Рассчитать усилительный каскад на биполярном транзисторе, выполненный по схеме с общим эмиттером (рис.1). Данные для расчета приведены в табл.1.

Рис.1

Таблица 1

Параметры усилителя	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Сопротивление нагрузки Rн , Ом	30	40	50	100	100	200	250	500	800	600
Выходное напряжение Um вых ,В	1	2	3	4	2,5	5	3,5	5	12	8
Входное напряжение Um вх ,В	0,1	0,2	0,1	0,5	0,1	0,2	0,2	0,2	0,5	0,4
Диапазон рабочих частот Fн - Fв ,Гц	50 - 104	20 - 104	30 - 104	20 - 105	50 - 104	25 - 104	60 - 104	20 - 104	40 - 104	80 - 104
Коэффициент частотных искажений Mн = Mв	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2	1,2
Температура окружающей среды tокр ,0C	40	50	40	50	40	50	40	50	40	50

Задание №2

Рассчитать бестрансформаторный усилитель мощности (рис.2), работающий в режиме АВ. Данные для расчета приведены в табл.2.

Таблица 2

Параметры усилителя	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Мощность нагрузки Pн , Вт	1	2	0,5	10	4	2	50	5	20	15
Сопротивление нагрузки Rн , Ом	4	8	50	16	10	200	8	16	4	8
Коэффициент нелинейных искажений Кни , %	2	3	5	3	4	6	2	3	4	5
Нижняя граничная частота fн , Гц	20	30	100	60	60	100	40	25	20	40
Верхняя граничная частота fв , кГц	15	12	10	16	20	10	15	20	12	15

Рис.2

Задание №3

1.Рассчитать для инвертирующего и неинвертирующего усилителей на операционном усилителе следующие параметры: коэффициент усиления К_ос, входное R_{вх ос} и выходное R_{вых ос} сопротивления. Начертить схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей и сравнить их параметры. Необходимые для расчета данные приведены в табл.3.

2.Рассчитать элементы схемы последовательного стабилизатора напряжения на ОУ. Данные для расчета приведены в табл.4. Упрощенная схема стабилизатора на ОУ представлена на рис.3. По результатам расчета и выбора элементов начертить полную принципиальную электрическую схему стабилизатора.

Таблица 3

Параметры ОУ и элементов схем	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Коэффициент усиления ОУ, К	104	2*104	104	103	104	105	104	105	103	104
Входное сопротивление, Rвх, кОм	150	250	300	200	100	150	250	200	300	250
Выходное сопротивление, Rвых, кОм	0,5	1,0	1,5	1,0	2,0	0,5	1,5	1,0	2,0	0,5
R1, кОм	5,0	10,0	15,0	20,0	3,0	15,0	20,0	25,0	10,0	5,0
R2, кОм	75	100	200	250	30	150	120	180	200	250

Таблица 4

Параметры стабилизатора	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Uвх, В	12	14	16	18	20	20	18	16	12	14
Uвх, В	2	2	2	2	3	4	3	2	1	2
Iн max, А	1,5	1,0	2,5	0,8	0,5	2,0	3,0	1,2	0,6	0,8
Uн min, В	4,0	4,0	7,0	9,0	11,0	8,0	9,0	8,0	4,0	4,0
Uн max, В	6,0	7,0	9,0	11,0	13,0	14,0	12,0	10,0	6,0	8,0

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ №1

В рекомендованной литературе представлены наиболее распространенные методы расчета транзисторных усилительных каскадов. Прежде, чем начать расчет, следует разобраться с принципом действия схемы, уяснить назначение ее элементов и требования, предъявляемые к ним. Желательно повторить раздел курса «Электротехника», посвященный расчету цепей, содержащих последовательное соединение линейного и нелинейного элементов. При выборе транзистора следует отдать предпочтение кремниевым транзисторам. Напряжение источника питания выбирают из ряда стандартных величин: 5В; 6В; 9В; 10В; 12В; 15В и т.д. В работе должны быть приведены характеристики транзистора, используемые при расчете, построены диаграммы входного и выходного напряжений.

Рис.3

Расчет оконечного каскада выполняют в следующем порядке:

1.Определяем максимальную мощность рассеяния на коллекторе транзистора одного плеча усилителя

2.Находим максимальный коллекторный ток транзистора одного плеча

.

3.Определяем напряжение источника питания из выражения

.

4.Находим граничную частоту усиления предполагаемого типа транзистора из условия принимая

5.Учитывая полученные значения P_{к max}, I_{к max}, а также условие

U_кm  0,5E_к  U_{к доп},

по справочнику выбираем транзисторы, составляющие p-n-p и n-p-n пару и обеспечивающие симметрию плеч каскада.

6.Построив на графике семейства выходных характеристик транзисторов (рис.4) динамическую нагрузочную прямую, отсекающую на оси абсцисс 0,5Е_к а на оси ординат I_{к max}, определяем значения U_ост и I_кm, соответствующие границе линейной и нелинейной частей выходных характеристик.

7.Находим реальную мощность в нагрузке, соответствующую площади треугольника ABC (рис.4)

8.Определяем мощность, отбираемую каскадом от источника питания

9.Находим к.п.д. каскада

10.Используя входную характеристику одного из выбранных транзисторов, определим ток I_бm и напряжение U_бэm, соответствующие амплитуде тока I_кm  I_эm.

11.По входной характеристике(п.10), проведя прямую линию через нуль в точку I_бm, определим усредненное входное сопротивление R_{вх ср} транзистора.

12.Находим глубину обратной связи при максимальной амплитуде U_mвх входного сигнала

13.Определяем входное сопротивление плеча каскада

R_вх = FR_{вх ср}.

14.Находим входную мощность каскада

Рис.4

15.Коэффициент усиления по мощности

16.Определяем сопротивление резистора R

17.Строим сквозную динамическую характеристику I_k = f(u_вх) одного плеча (рис.5).

Используя построенную сквозную динамическую характеристику, определяем коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике

18.Учитывая нелинейные искажения по второй гармонике за счет асимметрии схемы, найдем

Рис.5

Убеждаемся, что полученное значение k_ни меньше заданного k_{ни доп}.

19.Определяем емкость разделительного конденсатора

где -

R_Г – выходное сопротивление предварительного усилителя.

Расчет неинвертирующего (рис.6) и инвертирующего (рис.7) усилителей сводится к определению параметров цепи отрицательной обратной связи, вводимой в усилитель. Коэффициент усиления усилителя, охваченного петлей отрицательной обратной связи, можно определить по выражению

где K – коэффициент усиления усилителя без обратной связи;

 - коэффициент обратной связи.

Для неинвертирующего усилителя (при )

Для инвертирующего усилителя (при )

Знак «минус» в последнем выражении отображает инвертирование входного сигнала.

Рис.6

Рис.7

Входные сопротивления усилителей равны:

R_{вх ос неинв} = R_вх(1+K); R_{вх ос инв}  R₁.

Выходное сопротивление обоих усилителей

При использовании ОУ в цепи управления компенсационного стабилизатора напряжения расчет параметров элементов схемы стабилизатора ведем в следующем порядке:

1.Выбираем тип регулирующего транзистора из условий

2.Рассмотрим возможность получения заданных параметров схемы при использовании в качестве усилительного элемента ОУ

где U_{вых max ОУ}, I_{вых max ОУ} – предельные значения выходных напряжения и тока ОУ.

Если не выполняется первое условие (п.2), то в качестве усилительного элемента следует использовать транзистор (или включить его между ОУ и регулирующим транзистором), а при невыполнении второго условия (п.2) – в качестве регулирующего элемента можно использовать составной транзистор. В этом случае

где h_21э1, h_21э2 – коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов.

3.Опорное напряжение формируем с помощью стабилитрона, для которого U_оп = U_ст  U_{н min}.

4.Определяем сопротивление балластного резистора R_б, полагая I_{ст ном}  I_{вх ОУ}:

5.Если при верхнем положении движка резистора R₂ U_н = U_{н min}, а при нижнем – U_н = U_{н max}, то

Задавая величину R₃, из приведенной системы уравнений находим R₁ и R₂.

6.Определяем минимальный коэффициент стабилизации

Так как R_i = r_к / (1+h_21э) – внутреннее сопротивление регулирующего транзистора; R_вых = r_э / К_{u ОУ} – выходное сопротивление стабилизатора (без учета делителя); К_дел = (R₂ + R₃) / (R₁ + R₂ + R₃),

то

4.РАБОТА №2. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Задание №1

Выбрать схему в соответствии с порядковым номером фамилии студента в журнале группы (1-10 – однофазная с выводом нулевой точки трансформатора, 11-20 - однофазная мостовая, 21-30 – трехфазная с нулевым выводом трансформатора, 31-35 – трехфазная мостовая) и рассчитать выпрямитель без сглаживающего фильтра, работающий на активную нагрузку. Исходные данные для расчета приведены в табл.5. Номер варианта задания соответствует последней цифре порядкового номера фамилии студента в журнале группы. Рабочую температуру вентилей принять не более 50⁰C.

При решении задачи требуется:

- определить величины среднего I_а0 и максимального I_{а max} значений выпрямленного тока, проходящего через каждый вентиль в прямом направлении; амплитудное значение обратного напряжения U_mобр, приложенного к каждому вентилю в непроводящий отрезок времени; действующие значения токов I₂, I₁ и напряжения U₂ во вторичной обмотке трансформатора; расчетные мощности вторичной P₂ и первичной P₁ обмоток, а также расчетную (типовую) мощность P_тр трансформатора; определить сопротивление нагрузки трансформатора;

- выбрать подходящий по параметрам тип вентиля;

- начертить схему выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений.

Таблица 5

Номера вариантов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
U0, В	9	15	5	12	250	6	20	500	300	24
I0, А	1,0	2,0	100,0	1,0	0,5	1,0	5,0	1,0	0,25	2,0
U1,В	220	220	220	220	220	220	220	220	220	220
fс, Гц	50	50	50	50	30*103	50*103	50	50	50	60*103
Umп, мВ	2,0	5,0	20,0	1,0	25,0	1,0	15,0	20,0	20,0	5,0

Задание №2

Выбрать и рассчитать сглаживающий фильтр к выпрямителю, рассчитанному в зад. №1. Данные к расчету приведены в табл.5. Начертить схему фильтра.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ №2

Основные соотношения, необходимые для расчета выпрямителя, сглаживающего фильтра и трансформатора представлены в табл.6. Дополнительная информация содержится в указанной ниже литературе.

При выборе схемы выпрямления следует учитывать необходимость последующего расчета сглаживающего фильтра. При правильном выборе схемы выпрямления решение этой задачи может быть существенно упрощено. При выборе схемы выпрямления для высокочастотных выпрямителей, а также выпрямителей малых напряжений и больших токов, следует обязательно учитывать падение напряжения на вентилях. Расчет выпрямителя и сглаживающего фильтра завершается выбором элементов схемы. Следует стремиться к пользованию нормализованных трансформаторов (ТА, ТАН, ТН, ТПП) и дросселей. При выборе нетиповых трансформаторов и дросселей выполняется их полный расчет. Обратите внимание на частотные характеристики всех элементов схем выпрямителя и фильтра.

Таблица 6

Схема выпрямления	Трансформатор					Вентили				Нагрузка
Однополупериодная	2,22	1,57		3,5			1		1		1,57
Двухполупериодная, с нулевой точкой трансформатора	1,11	0,785		1,48			0,5		2		0,67
Однофазная мостовая	1,11	1,11		1,23			0,5		2		0,67
Трехфазная, с нулевой точкой трансформатора	0,855			1,35	2,1			1,21	3		0,25
Трехфазная мостовая (схема Ларионова)	0,437	0,817		1,05	1,05				6		0,057