Расчет ключевого устройства (КУ)

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 3

Ключевое устройство реализовано на биполярном транзисторе n-p-n структуры управляемый импульсами положительной полярности. Из выходной цепи СМВ выходят импульсы как положительной так и отрицательной полярности. Транзистор КУ будет насыщен (открыт) при положительных полупериодах U_вх, а при отрицательных находится в режиме отсечки (закрыт), при этом фронт пилообразного напряжения будет формироваться в момент времени действия отрицательного импульса на входе КУ. Поскольку коллекторная нагрузка R6=39кОм, необходимо рассчитать сопротивление R5 в базовой цепи транзистора VT1. Найдем его значение из формулы (2.1.7).

R5≤ ( U¹_вх –U_б _нас)/I_б _нас,

где I_б _нас = I_к _нас/β _min;

I_к _нас≈ E_и.п./R_к.

U_{Б нас}=0, 7В для кремниевых планарных транзисторов

I_к _нас=15/39000==0, 38 мА.

Выберем из справочника /3/ n-p-n транзистор серии КТ315А с параметрами, приведенными в таблице 2.

Таблица 2 - Параметры транзистора КТ315А

Максимальный ток коллектора I_к_max, мА
Максимальная рассеиваемая мощность Р_к_maх,мВт
Структура	n-p-n
Напряжение коллектор-эмиттер U_кэ, В
Коэффициент усиления потоку β	20..90

Подставив данные получим:

I_б _нас=0, 38/20=0, 019мА.

R5≤ (12-0, 8)/0, 019 =589 Ом.

Выберем номинал резистора R5=560 Ом.

P_R₅ = I_R5²·R5; I_R5= U_Б_нас/R5;

I_R5=0, 7/560=0, 00125А;

P_R₅ = (0, 00125)²·560 ≈ 0, 88мВт.

Выбираем резистор R5 типа МЛТ-0, 125-560 Ом ± 10%.

Расчет эмиттерного повторителя (ЭП)

Транзистор VT2 включен по схеме с общим коллектором (ОК), имеющий коэффициент усиления по напряжению примерно равную единице, и значительно меньшее по сравнению со входным выходное сопротивление. Нагрузка повторителя R8=15 Ом включена в эмиттерную цепь VT2. Транзистор VT2 p-n-p структуры открывается он при отрицательном входном напряжении.

Входное сопротивление ЭП рассчитаем по формуле описанной в /1/

R_вх=(β +1)/(R_н+1/g_m),

где β – коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ; g_m – крутизна усилительной характеристики транзистора.

g_m= I_э/φ _т, где φ _т≈ 0, 025В - изменение напряжения (не критично).

Определим ток эмиттера, имеем:

γ = β +1,

где γ – коэффициент усиление по току в схеме с ОК; β – коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ. При U_вых_._max = 12В и R_н=15 Ом ток в нагрузке I_н=0, 8А. Таким образом I_э=I_н=0, 8А. Отсюда находим необходимый коэффициент усиления по току γ в схеме с ОК:

γ = 800/5=160

коэффициент усиления потоку с ОЭ:

β =(160-1)=159

подставив значения получаем:

R_вх=(159+1)(15+1/(0, 8/0, 025))=2405Ом

т.е. входное сопротивление ЭП примерно равно сопротивлению нагрузки ОУ (R7).

Таблица 3 – Параметры транзистора КТ826А

Максимальный ток коллектора I_к_max, А
Максимальная рассеиваемая мощность Р_к_maх,Вт
Структура	p-n-p
Напряжение коллектор-эмиттер U_кэ, В
Коэффициент усиления потоку β	160..300

Определим рассеиваемую мощность на резисторе P_R₈

P_R₈ = I_R8²·R7;

P_R₈ = (0, 8)²·15 ≈ 9, 6 Вт

Выбираем резистор R8 типа ПЭВ-10-15 Ом ± 5%.

Мощность рассеиваемая на коллекторе VT2:

P_VT₂=U_кэ·I_к=(15-12)·0, 795=2, 385 Вт

I_к=α I_э; α =β / β +1=0, 993

I_к=0, 993·0, 8=0, 795А

Параметры транзистора VT2 полностью подходят по рассчитанным величинам (таблица 3).

Определим коэффициент нелинейности по формуле:

ε = ,

где i_нач_. – начальный ток; i_конч_.- конечный ток.

Подставив значения находим ε

ε ≈ 0, 02.

При данных номиналах элементов получаются следующие параметры устройства: минус 12В; сопротивление нагрузки 15 Ом; коэффициент нелинейности около 2%; частота следования импульсов 5 Гц; длительность линейного участка импульса (фронта) 97·10^-2 с; длительность спада (восстановления) 819·10^-6с; КПД устройства 80%; напряжение питания двуполярное ±15В;

Расчет коэффициента полезного действия

Коэффициент полезного действия генератора пилообразного напряжения рассчитаем по формуле:

η = %,

где P_потр- мощность потребляемая всем устройством; P_вых- выходная мощность устройства.

Рассчитаем потребляемую мощность всего устройства. Потребляемы токи ОУ DA1 и DA2 возьмем из таблицы 1. Токи потребляемые ключевым устройством (КУ) и эмиттерным повторителем (ЭП) будут равны соответственно токам нагрузок этих каскадов.

P_потр=

P_вых=U_вых·I_вых

P_потр=2, 8·15+2, 8·15+0, 38·15+800·15=12089, 7мВт≈ 12Вт

P_вых=15·0, 8=9, 6Вт

η =80%.

КПД разрабатываемого устройства составило 80%.

Конструкторская часть

В результате разработки структурной и принципиальной электрической схем генератора пилообразного напряжения была дополнительно разработана печатная плата с 70× 110 мм с соответствующими навесными радиоэлементами. Резистор нагрузки R8 расположен вне печатной платы поскольку имеет большие габариты. При конструировании печатной платы учитывался ряд особенностей:

1)для уменьшения паразитных емкостей, индуктивностей и наводок верхнюю часть фольгированного медного слоя платы необходимо подключить к земляной шине;

2) выходной нулевой шиной считать объединенные в одной точке входную и выходную шины;

3)максимальное увеличение площадей металлических проводников с большими токами.

Печатная плата выполнена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1, 5-2 мм фотохимическим методом. Пайка выводов элементов выполнена припоем ПОС-61. Шаг координатной сетки 2, 5 мм.

Заключение

В данной курсовой работе разработано устройство генератора линейно спадающего напряжения имеющего следующие параметры: выходное напряжение около минус 12В; сопротивление нагрузки 15 Ом; коэффициент нелинейности около 2%; частота следования импульсов 5 Гц; длительность линейного участка импульса (фронта) 97·10^-2 с; длительность спада (восстановления) 819·10^-6с; КПД устройства 80%; напряжение питания двуполярное ±15В.

Достоинством данной схемы является возможность плавного изменения длительности фронта напряжения пилообразного сигнала с помощью СМВ частота управляющих импульсов, которого легко изменяема резистором ООС, например переменным резистором. Интегрирующий узел при этом остается неизменным.

⇐ Предыдущая 1 23