Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Ивановский государственный химико-технологический университет
А.Н. Фролов, В.М. Бурков
ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
ИВАНОВО 2007
1
Стр.1
Методические указания к выполнению курсовой работы
Курсовая работа по дисциплине «Общая электротехника и электроника»
выполняется студентами специальности 220301 «Автоматизация технологических
процессов и производств» как заключительный этап изучения вышеназванного
курса.
Цель курсовой работы:
1.
Дать возможность использовать теоретические знания, приобретенные
при изучении курса, для решения практических инженерных
проблем.
2.
3.
Закрепить имеющиеся навыки решения электротехнических задач.
Проверить степень усвоения студентами соответствующих разделов
курса.
Учебное пособие содержит материал по ряду разделов курса «Общая электротехника
и электроника». Данный материал позволяет выполнить проектирование
некоторых электротехнических и электронных устройств. Каждый из разделов
пособия представляет собой самостоятельную, законченную методику
расчета конкретного устройства. Объем и содержание курсовой работы определяет
преподаватель-консультант.
Пояснительная записка к курсовой работе выполняется на стандартных
листах формата А4 и включает следующие разделы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Титульный лист соответствует стандарту для данного вида документации,
принятому в ИГХТУ;
Содержание пояснительной записки;
Исходные данные для проектирования (если производится проектирование
нескольких устройств, то исходные данные для каждого
устройства);
Принципиальные схемы электротехнических или электронных устройств.
Выполняются в формате А4 и включаются в Пояснительную
записку.
Расчет принципиальной схемы с объяснением каждого действия и
обоснованиями выбора всех элементов схемы.
Графическая часть (если это необходимо). Вольтамперные, амплитудно-частотные,
фазо-частотные и другие характеристики. Векторные
диаграммы, эпюры тока и напряжения и прочее.
Список используемой литературы.
Пояснительная записка может быть оформлена с использованием компьютерных
текстовых и графических процессоров, а также различных математических
сред или представлена в рукописном варианте и содержать расчет, выполненный
вручную. Качество оформления пояснительной записки учитывается
при окончательной оценке работы. После представления работы преподавателю-консультанту,
она проверяется и подлежит защите.
2
Стр.2
1. РАСЧЁТ ОДНОТАКТНОГО КАСКАДА УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
Данные для проектирования
Pвых - выходная мощность каскада,
Rн
- сопротивление нагрузки,
fн-fв - диапазон усиливаемых частот,
Mн
Еп
- коэффициент частотных искажений на нижней частоте,
- ЭДС источника питания.
На рис.1.1 приведена схема усилительного каскада.
R1
Свх
+
Uвх
R2
Rэ
Сэ
Рис. 1.1. Схема каскада усиления
Дано: Рвых = 20 Вт; RН = 4 Ом; fн – fв = 12 кГц; fн = 70 Гц; МН = 1,1;
ЕП = 24 В.
1.1. ПОРЯДОК РАСЧЕТА
1. Распределяют по цепям частотные искажения.
к
М =
Н
Х
=
M .
Hi
i 1
Выходной трансформатор:
MН = 1,14.
Цепь эмиттерной стабилизации: MН = 1,08.
Цепь связи RC между каскадами: MН = 1,05.
2. Вычисляют мощность сигнала, отдаваемую транзистором
P =»
hтр - КПД выходного трансформатора.
3
ηтр
Pвых
,
Т1
+ Ек
-
Rн
Стр.3
КПД выходного трансформатора из таблицы 1.1 принимаем равным
hтр = 0,82.
Р≈ = Рвых / hтр = 20 / 0,82 = 24,4 Вт.
3. Находим мощность, выделяемую на транзисторе при kA = 0,035…0,45.
Принимаем коэффициент использования транзистора kA = 0,2.
k
P P»
0 »
A
4. Ориентировочно определяют падение напряжения на активном сопротивлении
первичной обмотки трансформатора и на сопротивлении RЭ
DU=URт.1+UR.Э = (0,2…0,3)Eп = 0,25 ·12 = 3 В.
5. Наибольшее возможное напряжение на транзисторе
UКЭ.М = (Eп – DU)/(0,4…0,45) = (24 – 3)/0,42 = 50 В.
По двум параметрам P0 и Uкэ.м выбираем транзистор p-n-p КТ818ВМ с Uкэ.м
= 60 В; Iк.м = 15 А; PК.доп. = 100 Вт; β = 20; fh21э = 3 МГц из таблицы: «Параметры
транзисторов».
Проверяем транзистор по частоте, при этом:
М 1
f
h21э
³
FВ
2
В
-
= 12 /
= 1,1).
1,1 - =12
26 кГц.
где FВ - верхняя граничная частота усилителя;
МВ - коэффициент частотных искажений на данной частоте (МВ = МН
= 24,4 / 0,4 = 61 Вт.
Рис. 1.2. Выходные характеристики условного транзистора
4
Стр.4
6. Определяют положение точки покоя на выходных статических характеристиках
транзистора (рис. 1.2).
Uк.э.о = EП – DU = 24 – 3 = 21 В,
Iк.о= Р0 / Uк.э.о = 61/ 21 = 2,9 А.
При отсутствии в справочниках выходных характеристик выбранного
транзистора строим нагрузочную характеристику по аналогии с рис. 1.3 (прямая
1).
7. Определяем рабочий участок нагрузочной прямой 1.
Для чего задаемся величиной остаточного напряжения (Uост = 2 В). Наименьший
ток коллектора из рис. 3 Iк.min = 1 А (получился из условия симметрии
c IKM
относительно точки О, рис. 1.3).
IK
7
I =
1
2
3
4
5
6
2
1
О
UКЭ
0 10 20 30 40 50 60
UKm UKm
Uocт
Uкэо
UКЭМ
Рис. 1.3. Нагрузочные прямые: 1 – исходная; 2 – скорректированная.
8. Из построения определяем:
Uк.m= Uкэ.о – Uост = 21 – 2 = 19 В - амплитуда выходного напряжения;
Iк.m= IКМ − IK0 = 4,8 – 2,9 = 1,9 А - амплитуда выходного тока.
Соблюдается условие IК.М £ Iк.доп = 15 А.
9. Вычисляют мощность сигнала, отдаваемую транзистором
) R ,
P 0,125(IК.М - IК.min
Т =
2
КП
Rкп = UКЭ.М/I = 50 / 5 = 10 Ом - сопротивление нагрузки переменному току;
I - точка пересечения нагрузочной прямой с осью ординат.
5
IKM
IK0
IKmin
IKm
Стр.5
PТ = 0,125 (4,8 – 1)2 ·10 = 18 Вт.
Что меньше, чем Р≈ = 24,4 Вт.
Увеличиваем наклон нагрузочной прямой (увеличиваем I до 7,5 А - прямая
2, рис. 1.3) и вычисляем PТ с новыми параметрами.
RКП = UКЭ.М/I = 50 / 7,5 = 6,7 Ом;
PТ = 0,125 (7,2 – 1,5)2 · 6,7 = 27,2 Вт.
Теперь PТ > Р≈ (PТ не должна превышать Р≈ более чем на (20…30) %).
Нагрузочная прямая не должна выходить из области допустимой мощности.
При UКЭ0 = 21 В и IK0 = 4,3 А
PКМ ≈ PК0 = UКЭ0 IK0 = 21 · 4,3 = 90,3 Вт.
PКМ < PК.доп. = 100 Вт.
10. Диапазон изменения входного тока (тока базы) при β = 20:
Iб.м = Iк.м / b = 7,2 / 20 = 0,36 А.
Iб.min = Iк.min / b = 1,5 / 20 = 0,075 А.
Рис. 1.4. Определение параметров входного сигнала
11. По входной характеристике транзистора находим Uбэ.м и Uбэ.min (рис.
1.4.)
Если входной характеристики данного транзистора в справочнике нет, то
для кремниевого транзистора можно принять: Uбэ.м = 0,7 В, Uбэ.min = 0,5 В.
12. Вычисляем мощность входного сигнала и входное сопротивление транзистора
переменному току.
Pвх = 2Uбэ.м · 2 Iб.м / 8 = 2 · 0,7 · 2 · 0,36 / 8 = 0,126 Вт;
Rвх.тр = Uбэм / Iб.м = 0,7 / 0,36 = 1,94 Ом,
Uбэ.м и Iб.м - соответственно амплитудные значения напряжения и тока базы.
6
Стр.6
13. Сопротивление в цепи эмиттера определяем по падению напряжения на
этом сопротивлении при IК0 = 4,3 А:
URЭ =(0,5…0,3)DU = 0,4 · 3 = 1,2 В;
RЭ = URЭ / IК0 = 1,2 / 4,3 = 0,28 Ом.
14. Определяют емкость конденсатора в цепи эмиттера. При fН = 70 Гц
СЭ = 10 / (2 p fн RЭ) = 10 / (2 p · 70 · 0,28) = 0,081 Ф.
15. Определяем входное сопротивление каскада RВХ.К. и R1, R2.
RВХ.К. = Rвх.тр + β · RЭ = 1,94 + 20 · 0,28 = 7,5 Ом.
Обычно величину резистора R2 делителя напряжения выбирают в несколько
раз меньше, чем RВХ.К.. В нашем случае (с трансформаторным включением
нагрузки) по постоянному току каскад охвачен глубокой отрицательной обратной
связью, что уже обеспечивает его достаточно высокую температурную стабильность.
Поэтому можем принять R2 = RВХ.К. = 7,5 Ом.
Эти резисторы включены параллельно. Их общее сопротивление равно
R2-ВХ.К. = R2 / 2 = 7,5 / 2 = 3,75 Ом.
Начальный ток базы
Iб.0 = IK0 / β = 4,3 / 20 = 0,215 А.
Падение напряжения на R2
UR2 = R2 · IK0 = 7,5 · 0,215 = 1,6 В.
Напряжение на R1
UR1 = ЕП – UR2 = 24 – 1,6 = 22,4 В.
R1 = UR1 · R2 / UR2 = (22,4 · 7,5) / 1,6 = 105 Ом;
16. Вычисляют коэффициент усиления каскада по мощности
Кр = Pвых / Pвх = 20 / 0,126 = 159.
17. Коэффициент трансформации выходного трансформатора
R η
К =
КП Т
н
R
=
6,7 0, 82
4
Ч
= 0,73.
18. Сопротивление обмотки выходного трансформатора:
Rт.1 = 0,5 RКП (1 – hт) = 0,5 · 6,7(1 – 0,82) = 0,60 Ом;
Rт.2 = Rт.1 · К2 = 0,6 · 0,732 = 0,32 Ом.
19. Индуктивность первичной обмотки:
L 0,159(R +R )
=
Н
Н
f К M 1
2
2
НТ -
т.2
=
Ч
70 0,73 1,1 1
0,159(4 0,32)
+
2
2
-
20. Площадь поверхности охлаждающего радиатора,
7
= 0, 04 Гн.
Стр.7
Sох
ды; То
где То
=
(1200 ¸1500)P0
Т
0
Т.М
- Тср.м - Р R ,
0
0 ТТ
ср.м = 40 оС - наибольшая возможная температура окружающей срет.м
= 150 оС - наибольшая допустимая температура коллекторного перехода;
RТТ - тепловое сопротивление. Для КТ818ВМ из справочника RТТ = 1
оС/Вт.
SOX
=
150 40 61 1
1300 61
- - Ч =
Ч
1618 см2.
21. Находим емкость СВХ
СВХ = 10 / (2 p fн R2-ВХ.К.) = 10 / (2 p · 70 · 3,75) = 0,006 Ф = 6000 мкФ.
2. РАСЧЕТ МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ФИЛЬТРОМ
Исходными данными для расчета выпрямителя являются:
Uно – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке;
Iо – среднее значение выпрямленного тока;
U1 – напряжение сети;
Кп.вых – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке.
LФ
U1
U2
U0
C0
CФ
LФ
CФ
Рис. 2.1. Схема мостового выпрямителя с фильтром
В приводимых ниже расчетах напряжение выражается в вольтах, ток – в
миллиамперах, сопротивление – в Омах, емкость – в микрофарадах, коэффициент
пульсаций в процентах.
Произведем расчет со следующими данными.
Дано: Uно = 4 В; Iо = 2 А; U1 = 220 В; Кп.вых = 2 %.
2.1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА
1. Для выбора типа диодов, определяют обратное напряжение на вентиле
Uобр =1,5·Uо = 1,5 · 1,2 · 4 = 7,2 В,
8
RH
UH0
Стр.8
где Uо = 1,2 · Uно – напряжение на входе сглаживающего фильтра должно
быть больше напряжения на нагрузке, т.к. учитывает потери напряжения на
фильтре.
Средний ток через вентиль
Iа ср = 0,5·Iо = 0,5 · 2 = 1 А.
Выбираем диоды КД130АС с Iср = 3 А; Uобр.М = 50 В
Выбор диода производится по этим двум параметрам Iа.ср и Uобр. Из справочника
выписывают максимальное обратное напряжение, средний ток и внутреннее
сопротивление вентиля Ri. Если величины Ri в справочнике нет, то его
легко рассчитать. При падении напряжения на кремниевом диоде UД = 0,7 В
величина Ri = UД / Iа ср = 0,7 / 1 = 0,7 Ом.
2. Расчет трансформатора при Uо = 1,2 · Uно = 1,2 · 4 = 4,8 В:
Определяют сопротивление трансформатора
Ч
Rтр
=
I U I
830 U
0 Ч (
U ,75× +
Токи обмоток
2 =
0
0
0 Ч
0
0 )1/4
=
2 (4,8 2)
Ч
тр
830 4,8
Ч
Ч
1/ 4 = 1132 Ом.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора
(
2 = 0 U I 2R R ) = 0,75 4,8 2(2 0,7 1132)
i +
530
I 1,41× +I0
I1 = Ч
2
2 R R 1,41 2
16 U,6
Ч +
Ч
i
1,2 U I× = Ч
U1
2
0
тр
1,2 11,5 2,9
220
Ч
=
Ч +
Ч +
530
Ч +
2 0,7 1132
16,6 4,8
Ч +
Ч
= 0,18 A.
Вычисляется габаритная мощность трансформатора, которая для двухполупериодной
схемы определяется выражением
=
P 1,7U I = Ч
г =
2 2
1,7 11.5 2.9
Ч
57 В·А.
Далее находится произведение площади сечения сердечника трансформатора
Qc на площадь окна сердечника Q0, которое в зависимости от марки провода
обмотки равно, см4:
QС Q0 = 1,6·Pг для провода марки ПЭЛ;
QС Q0 = 2,0·Pг для провода марки ПЭШО;
QС Q0 = 2,4·Pг для провода марки ПШД.
= 11,5 В.
= 2,9 A,
9
Стр.9
Таблица 3.1
Размеры
Тип
пластины
Ш-10
Ш-10
Ш-10
Ш-12
УШ-12
Ш-12
Ш-14
Ш-14
Ш-15
Ш-16
УШ-16
Ш-18
Ш-19
Ш-20
Ш-20
УШ-22
Ш-25
Ш-25
Ш-28
УШ-30
Ш-32
УШ-35
УШ-40
ширина
среднего
стержня
а, см
1,0
1,0
1,0
1,2
1,2
1,2
1,4
1,4
1,5
1,6
1,6
1,8
1,9
2,0
2,0
2,2
2,5
2,5
2,8
3,0
3,2
3,5
4,0
ширина
окна
b, см
0,5
0,65
1,2
0,6
0,8
1,6
0,7
0,9
1,35
0,8
1,0
0,9
1,2
1,0
1,7
1,4
2,5
3,15
1,4
1,9
3,6
2,2
2,6
высота
окна
h, см
1,5
1,8
3,6
1,8
2,2
4,8
2,1
2,5
2,7
2,4
2,8
2,7
3,35
3,0
4,7
3,9
6,0
5,8
4,2
5,3
7,2
6,15
7,2
площадь
окна
Q0 = b h,
см2
0,75
1,17
4,32
1,08
1,76
7,68
1,47
2,25
3,65
1,92
2,8
2,43
4,02
3,0
7,99
5,46
15
18,3
5,88
10,1
25,9
13,5
18,7
Пределы
Qc Q0, см4
0,75-1,5
1,17-2,34
4,32-8,64
1,56-3,12
2,53-5,06
11,1-22,2
2,88-5,76
4,41-8,82
8,21-16,4
4,91-9,82
7,17-14,3
7,87-15,7
14,5-29
12-24
32-64
26,4-52,8
93,7-180,7
114-228
46,5-93
91-182
265-530
165-330
300-600
Для провода ПЭЛ
QС Q0 = 1,6 · Pг = 1,6 · 57 = 91 см4.
Из таблицы 3.1, в которой приведены основные данные типовых Шобразных
пластин, по значению QС Q0 выбирают тип пластины и выписывают
все ее параметры.
10,1 см2.
При этом получают
QС = (QС Q0) / Q0 = 91 / 10,1 = 9 см2.
Необходимая толщина пакета пластин c = QС / a = 9 / 3 = 3 см.
Выбираем пластины УШ-30 с а = 3 см; b = 1,9 см; h = 5,3 см; Q0 = b h =
10
Стр.10