36

РЕФЕРАТ

Курсовая работа содержит ….страниц, …. рисунков, ….. приложений.

Ключевые слова: выпрямители, стабилизаторы, пассивные и активные фильтры, генераторы.

В данной курсовой работе рассматриваются вопросы проектирования схем устройств аналоговой электроники и приведены результаты расчетов и моделирования схемы стабилизированного источника питания, схемы активного фильтра на ОУ, схемы генератора сигналов на ОУ.

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1: обзор………………………………………………………………..	5
1.1 Стабилизированый Источники питания…………………………………	5
1.2Активный Фильтр Саллена-Кея…….…………………............................	14
1.3 Генераторы сигналов на ОУ…………………..…………………………..	17
ГЛАВА 2: расчет ………………………………………………………………..	20
2.1 Расчет стабилизированного источника питания………………………….	20
2.2 Расчет активного фильтра на ОУ……………..…………………………..	22
2.3 Расчет генератора прямоугольных сигналов на ОУ.………………………	24
ГЛАВА 3: моделирование………………………………………………………	25
3.1 Моделирование стабилизированного источника питания.………………	25
3.2 Моделирование активного фильтра на ОУ ………………………………	29
3.3 Моделирование генератора сигналов на ОУ …………………………….	33
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………….	35
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………...	36

Глава 1. Обзор

1.1 Стабилизированый Источники питания

Различают первичные и вторичные источники питания.

Назначение вторичных источников питания (ВИП) – преобразование сетевого напряжения в постоянные напряжения заданных номиналов, необходимые для обеспечения работоспособности электронных схем. Можно выделить две основные структурные схемы ВИП: классическую (сетевой трансформатор -выпрямитель-фильтр-стабилизатор постоянного напряжения) и импульсную (выпрямитель сетевого напряжения - высокочастотный преобразователь в импульсные напряжения необходимых номиналов – выпрямитель импульсного напряжения – сглаживающий фильтр – стабилизатор постоянного напряжения). Структурная схема классического ВИП представлена на рисунке 1.1:

Рисунок 1.1 – Структура классического ВИП

Трансформатор

  Трансформатором называют электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения той же частоты. В трансформаторе используется явление взаимоиндукции. Конструктивные параметры трансформаторов при расчете выбирают из условия обеспечения допустимого падения напряжения на обмотках и их перегрева.

Выпрямитель

Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный со средней точкой и двухполупериодный мостовой (схема Греца).

   Однополупериодный выпрямитель (рисунок 1.2). Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности ("+" приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения(рисунок 1.3).

Риунок 1.2 – Однополупериодный выпрямитель

Рисунок 1.3 – Временные диаграммы

   Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

   откуда действующее напряжение вторичной обмотки:

   Среднее значение выпрямленного тока:

   Действующее значение тока нагрузки:

   Мощность, на которую должна быть рассчитана вторичная обмотка трансформатора:

   Габаритная мощность трансформатора (без учета КПД.) равна полусумме мощностей, выделяемых первичной и вторичными обмотками:

   Как видно из формулы (6), габаритная мощность трансформатора должна быть в 3,1 раза больше полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, т.е. трансформатор используется всего на 30%.

   Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):

   Недостатки однополупериодного выпрямителя:

• большой коэффициент пульсаций;

• малые значения выпрямленного тока и напряжения;

• низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.

Двухполупериодные выпрямители(рисунки 1.4 и 1.5) при работе на активно-емкостную нагрузку, вследствие удвоенной частоты пульсаций, позволяют уменьшить габариты сглаживающего фильтра. В отличие от выпрямителя со средней точкой, где обмотки трансформатора используются примерно на 35...40%, в мостовом выпрямителе обмотка работает оба полупериода, поэтому коэффициент ее использования достигает 80%. Кроме того, в нем можно использовать диоды с вдвое меньшим допустимым напряжением.

Рисунок 1.4 – Схема резистивно-емкостной нагрузки однополупериодного выпрямителя

Ри3сунок 1.5 – Влияние ёмкостной нагрузки

Наиболее распространенная схема двухполупериодного мостового выпрямителя, схема которого представлена на рисунке 1.6:

Рисунок 1.6 – Мостовой выпрямитель

   Недостаток мостовой схемы — удвоенное количество диодов по сравнению с выпрямителем со средней точкой. Однако суммарное сопротивление постоянному току двух диодов и обмотки мостового выпрямителя чаще оказывается меньше сопротивления одного диода и обмотки выпрямителя со средней точкой.

   Временные диаграммы, иллюстрирующие работу двухтактных выпрямителей на емкостной фильтр, приведены на рисунке 1.7.

   При работе выпрямителя на емкостной фильтр диод в плече (оба диода для мостовой схемы) открывается, когда напряжение на входе выпрямителя становится равным напряжению (точнее, превышает его на порог открывания диода) на конденсаторе сглаживающего фильтра (момент t₁). При этом в интервале t₁-t₂ ток через открытые диоды ограничен только сопротивлением обмотки трансформатора и открытых диодов. В момент времени t₂ напряжение на входе выпрямителя вновь становится равным напряжению на конденсаторе, и открытый диод закрывается. При этом начинается разряд конденсатора фильтра на сопротивление нагрузки. Открывание другого диода происходит в момент времени t₃. Далее процессы повторяются. Наличие у трансформатора индуктивности рассеяния приводит к определенной задержке выключения открытого диода (показано пунктирной линией).

Рисунок1.7 – Временные диаграммы

Сглаживающий фильтр

Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) - устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя.

В наше случае используется емкостной фильтр.

Емкостной сглаживающий фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке, емкость которого определяется из соображений: C=10/Rн*f. Как же происходит сглаживание этих самых пульсаций? Рассмотрим форму выходного напряжения, показанную ниже на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Форма выходного напряжения однополупериодного выпрямителя

На рисунке U_ср - это среднее значение выпрямленного напряжения. Другими словами, это напряжение, которое покажет обычный вольтметр. Как видно, это напряжение меньше амплитудного значения, но самое главное имеются пульсации выходного напряжения.

А теперь подключим параллельно нагрузке выпрямителя конденсатор, как показано ниже на рисунке 1.9:

Рисунок 1.9 – Пример выпрямителя с простейшим сглаживающим фильтром

Подключим осциллограф параллельно нагрузке и увидим следующую картину(рисунок 1.10):

Рисунок 1.10 – Форма выходного напряжения выпрямителя со сглаживающим фильтром

Эта красная линия называется пилой или пилообразным напряжением. Разберем это подробнее. На выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Допустим, конденсатор разряжен. При подаче напряжения на конденсатор он начинает заряжаться - короткий отрезок пилы на рисунке 1.10. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку - длинный отрезок пилы. При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естественно, что размах амплитуды пилы, а это тоже пульсации, напрямую зависит от емкости конденсатора и от величины сопротивления нагрузки, конечно. Чем больше емкость, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации. Если нагрузку вообще выкинуть, то и пульсаций не будет.

Подсоединив конденсатор в схему выпрямителя, добились сглаживания пульсаций выходного напряжения, к тому же, на рисунке 1.10 видно, что увеличилось среднее значение выпрямленного напряжения. Еще эффектней это выглядит с двуполупериодным выпрямителем. Поскольку частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, то конденсатор разряжается через нагрузку намного медленней, естественно при соответствующем выборе его емкости. Другими словами, уровень пульсаций будет намного меньше, а U_ср - выше.

Процесс фильтрации можно объяснить и в другом аспекте. Считается, что выходное напряжение выпрямителя содержит постоянную и переменную составляющую. Поскольку емкостное сопротивление конденсатора есть X = 1 / ωC, где ω = 2πf, то нетрудно заметить, что при увеличении емкости сопротивление уменьшается. Аналогично и для частоты. Но для постоянного тока частота равна 0, значит, емкостное сопротивление будет стремиться к бесконечности. Таким образом, переменная составляющая проходит через конденсатор и замыкается на общий провод не попадая в нагрузку, тогда как постоянная составляющая полностью выделяется в нагрузке.

Стабилизатор напряжения

Стабилизатором напряжения (СТН) называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения - это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов.

Стабилизаторы бывают параметрические (ПСН) и компенсационные (КСН). Типичная наипростейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11 – Параметрический стабилизатор напряжения

В стабилитронах используется явление электрического лавинного пробоя. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение изменяется на нем очень незначительно. Входное напряжение через ограничительный резистор Rбал подводится к параллельно включенным стабилитрону и сопротивлению нагрузки. Поскольку напряжение на стабилитроне меняется незначительно, то и на нагрузке оно будет иметь тот же характер. При увеличении входного напряжения практически все изменение Uвх передается на Rбал, что приводит к увеличению тока в нем. Увеличение этого тока происходит за счет увеличения тока стабилизации при почти неизменном токе нагрузки. Другими словами, все изменение входного напряжения поглощается в ограничительном (балластном) резисторе.

Часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника гуляет (т. е. нестабильно), а сопротивление нагрузки постоянно. Для нормального режима стабилизации сопротивление резистора Rогр должно иметь определенное значение. Если напряжение Uвх гуляет от Umin до Umax, то для расчета Rогр можно воспользоваться формулой :

Rогр = (Uвх.ср - Uст)/(Iср + Iн)

где Uвх.ср = 0.5(Uвх.min + Uвх.max) - среднее значение напряжения источника, Iср. = 0.5(Imin + Imax) - средний ток стабилитрона, Iн = Uн/Rн - ток нагрузки. При изменении входного напряжения в ту или иную сторону будет изменяться ток стабилитрона, на напряжение на нем, следовательно и на нагрузке будет оставаться постоянным.

Коли все изменения напряжения источника гасятся в Rогр, то наибольшее изменение напряжения (Uвх. max - Uвх.min = ΔUвх) должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация (Imax - Imin = ΔIст). Отсюда следует, что стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия:

ΔUвх ≦ ΔIстRогр

Бывает режим стабилизации, когда входное напряжение постоянно, а сопротивление нагрузки изменяется, т. е. гуляет от Rн.min до Rн.max. Для такого режима Rогр определяется по формуле 9:

Rогр = (Uвх - Uст)/(Iср + Iн.ср)

где Iн.ср = 0.5(Iн.min + Iн.max), причем Iн.min = Uст/Rн.max, а Iн.max = Uст/Rн.min.

Иногда необходимо получить такое напряжение, на которое стабилитрон не рассчитан. В этом случае применяют последовательное соединение стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет соответствовать сумме напряжений стабилизаций последовательно включенных стабилитронов.

Помимо рассмотренной схемы применяют каскадное включение стабилитронов. Говоря проще, берут несколько вышерассмотренных схем и включают одну за другой. При этом напряжение стабилизации предыдущего стабилитрона должно быть больше, чем следующего. Такие схемы применяют для увеличения коэффициента стабилизации. Бывает еще и мостовая схема, называемая мостовой параметрический стабилизатор. Теоретически у такой схемы коэффициент стабилизации стремится к бесконечности.

1.3 Активный Фильтр Саллена-Кея

Фильтр Саллена-Кея. Реализуется в виде простой схемы с двумя резисторами, двумя конденсаторами и активным элементом (например с операционным усилителем), представляя собой фильтр с передаточной функцией второго порядка. Фильтры более высокого порядка могут быть получены включением элементарных фильтров последовательно. Фильтр Саллена-Кея может иметь произвольный коэффициент усиления в полосе пропускания, в отличие от фильтра Баттерворта с единичным коэффициентом.

Рисунок 1.3.1 – ФВЧ Саллена-Кея

Выбор схемного решения

В соответствии с техническим заданием и рассчитанными параметрами, в качестве схемного решения выбираем ФВЧ-ІІ Саллена-Кея, так как схема имеет небольшой диапазон номиналов элементов. Порядок всего фильтра n=2 совпадает с порядком звена Саллена-Кея, поэтому для построения фильтра необходимо одно звено.

Рисунок 1.3.2– ФВЧ-ІІ Саллена-Кея

Расчет элементов схемы

Задаём ёмкость конденсаторов C1=C2=10/fn[Гц] (нФ)

Определяем сопротивление резисторов:

R₁=R₂=1/ω₀C

Выбираем сопротивление R3, а R4 рассчитаем из соотношения

R₄=R₃(K_n-1)

Согласуем номиналы элементов со стандартным рядом E6:

Устанавливаем в схему рассчитанные значения и снимаем АЧХ фильтра.

Рисунок 2.1 – АЧХ проектируемого фильтра

Методика настройки и регулировки фильтра

Коэффициент усиления фильтра можно настроить при помощи резисторов R3 и R4 [2]:

K=1+R4/R3; (3.1)

При использованном в схеме операционном усилителе, сопротивление резистора R3 можно выбирать в пределах от нескольких кОм до 1 Мом. При меньшем значении R3 становится большим ток, потребляемый схемой, а при большем – вносит своё влияние входное сопротивление микросхемы.

Сопротивление R4 определяется из формулы 4.1 для требуемого коэффициента усиления. Учитывая следующее соотношение (см. раздел 3.2):

ω₀=

можно показать, что максимально достижимый коэффициент усиления в полосе пропускания равен 3. В этом случае добротность фильтра наибольшая, но при этом присутствуют наибольшие пульсации в полосе пропускания. При попытке увеличения Кл фильтр самовозбуждается и превращается в генератор колебаний на частоте w0. Из этого ограничения определим, что сопротивление R4 лежит в диапазоне от 0 до 2R3. При нулевом сопротивлении схема становится фильтром Баттерворта с единичным усилением.

Частоту w0 можно настроить с помощью элементов R1, R2, C1 и С2

ω₀=

При условии, что R1=R2=R и C1=C2=C, формула 4.3 упрощается: w0=1/RC. Если сопротивления и ёмкости не равны, то соотношением R1 к R2 и C1 к C2 регулируется добротность фильтра. При этом также нужно учитывать, что при больших добротностях фильтр склонен к самовозбуждению.

1.3 Генераторы колебаний треугольной формы.

Принцип их построения также базируется на выполнении операций

интегрирования и сравнения, поэтому схемы релаксационных генераторов

колебаний треугольной и прямоугольной формы, как правило, идентичны,

а форма сигнала определяется точкой, которая принимается за выход

мультивибратора.

Генератор сигналов треугольной формы, схема которого представле-

на на рис. 1.3.1, включает в свой состав интегратор на ОУ DA2 и пороговый

детектор (типа триггера Шмитта) на ОУ DA1.

Рис. 1.3.1 Генератор сигналов треугольной формы

Принцип действия такого мультивибратора аналогичен изображен-

ному на рис. 1.3.1. При включении выход ОУ порогового детектора уста-

навливается в одно из двух возможных состояний насыщения, и парамет-

рический стабилизатор R2, VD формирует напряжение в точке а Uст+ или

Uст–. В зависимости от его полярности конденсатор интегратора может за-

ряжаться или разряжаться, в результате чего выходное напряжение изме-

няется по закону, близкому к линейному. Когда оно достигает амплитуд-

ного значения, равного

состояние выхода порогового детектора скачком изменяется на противо-

положное, а это приводит к смене знака скорости нарастания выходного

напряжения интегратора.

В результате на выходе генератора формируется напряжение тре-

угольной формы uвых с периодом

Если же в качестве выхода использовать точку а, то получим генера-

тор колебаний прямоугольной формы.

Целесообразно осуществлять частотную коррекцию ОУ DA2 инте-

гратора до глубины единичного усиления, в то время как ОУ DA1 коррек-

тируется только в том случае, если возникает возбуждение в момент пере-

броса схемы, обусловленная плохим качеством источника питания.

Чтобы обеспечить симметрию положительного и отрицательного

треугольников выходного напряжения, токи перезаряда интегратора долж-

ны значительно превышать входные токи ОУ DA2, а если его напряжение

смещения гораздо меньше амплитуды Uвыхmax, то смещение выходного

сигнала относительно нулевого уровня будет практически отсутствовать.

Регулировку частоты выходного напряжения целесообразно осуще-

ствлять подстройкой резистора R4. В мультивибраторах, построенных на

ОУ общего применения (153УД2, 140УД7 и других), на частотах выше

10 КГц острые вершины треугольников закругляются из-за сравнительно

невысокой скорости нарастания выходного напряжения ОУ. В этих случа-

ях следует или использовать быстродействующие ОУ, или строить генера-

тор колебаний треугольной формы на основе интегрального таймера