1 Введение Электроника является

1 Введение
Электроника
является
универсальным
и
исключительно
эффективным средством при решении самых различных проблем в области
сбора
и
преобразования
информации,
автоматического
и
автоматизированного управления, выработки и преобразования энергии.
Сфера
применения
электроники
постоянно
расширяется.
Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается
электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс,
управление которого осуществлялось бы без использования электроники.
Функции электронных устройств становятся все более разнообразными.
Электроника имеет короткую, но богатую событиями историю,
которая составляет чуть более 100 лет. За этот промежуток времени были
достигнуты колоссальные успехи. Оценивая электронные устройства в плане
быстродействия и плотности упаковки можно сделать вывод, что эти
параметры возросли во много раз [1]. Если до появления полупроводниковых
элементов использовались лампы, размеры которых были велики, то сейчас в
таком же объеме как у лампы располагают миллионы транзисторов и других
полупроводниковых элементов.
Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи
с применением микропроцессорной техники для обработки информационных
сигналов и силовых полупроводниковых приборов для преобразования
электрической энергии. Многие сферы нашей жизнедеятельности уже
невозможно представить себе без электронных приборов.
Развитие электроники повлекло за собой бурное развитие и других
точных наук. После изобретения электронных вычислительных устройств
продвинулись в своих задачах такие науки как математика и физика. Они в
свою очередь не оставались в долгу и тоже вносили свой вклад в развитие
электроники.
Таким
образом
произошло
бурное
развитие
микропроцессорных систем в конце двадцатого века. Но это далеко не все
положительные стороны развития электроники. Человечество достигло
успехов и в других науках, таких как медицина, химия.
Одним из важнейших направлений электроники являются
автогенераторы. Автогенераторы – это электронные устройства, в которых
по какому-либо периодическому закону происходит изменение напряжений и
токов соответствующей закону формы [1,2]. Эти цепи следует рассматривать
как преобразователи энергии источника питания постоянного напряжения в
энергию периодических колебаний.
Автогенераторы можно разделить на генераторы импульсов и
генераторы синусоидальных колебаний. Генераторы импульсов в
зависимости от формы выходного напряжения делят на генераторы:
напряжений прямоугольной формы; напряжений экспоненциальной формы;
линейно изменяющегося напряжения; напряжения треугольной формы;
ступенчато изменяющегося напряжения[1,3].
Одним
из
видов
автогенераторов
являются
генераторы
синусоидальных колебаний. На их выходе возникают гармонические
колебания напряжения синусоидальной формы. Их отличие заключается в
наличии у них цепи или компонента с резонансными свойствами. Благодаря
ей условия возникновения автоколебаний выполняются для узкой полосы
частот. Компоненты и цепи с резонансными свойствами могут быть
установлены в цепях межкаскадной связи усилителя или в цепях, создающих
положительную или отрицательную обратную связь.
Генераторы синусоидальных колебаний делятся на генераторы: с
избирательными RC – цепочками, с избирательными LC – цепочками, с
кварцевыми резонаторами[1,3,4].
Генераторы с кварцевыми резонаторами обычно применяют на
повышенных частотах, когда требуется получить колебания известной и
стабильной частоты. Они значительно сложнее и дороже генераторов с RC и
LC цепочками. Однако при создании прецизионных преобразовательных
устройства без них обойтись невозможно.
Генераторы с LC – цепочками имеют большую стабильность
частоты, из–за хороших избирательных свойств LC контура. В основном
такие генераторы применяются для получения высокочастотных колебаний.
Не возможность использовать эти цепи на низких частотах обуславливается
необходимостью больших емкостей и индуктивностей. К их недостаткам
относится трудность изготовления высокостабильных температурнонезависимых индуктивностей, а также стоимость и громоздкость последних.
Генераторы с RC – цепочками применяются в основном для
генерирования сигналов низких частот. Резонансные RC цепи делятся на
фазосдвигающие и мост Вина. В генераторах с мостом Вина достигается
меньший коэффициент нелинейных искажений. В общем случае, для
генераторов с RC – резонансной цепью коэффициент нелинейных искажений
лежит в пределах от долей до нескольких процентов. К их недостаткам
можно отнести низкий коэффициент полезного действия, который не
превышает 50%.
Напряжение синусоидальной формы используется во многих
отраслях человеческой деятельности, а именно: в радиолокации и
телевидении, в медицине, в радиосвязи и радиовещании, при различных
измерениях, для автоматизации производственных процессов, для
уничтожения вредителей [5]. В качестве примера можно привести
напряжение, которое используется у нас в домах и квартирах.
Высокая интеграция электронных компонент на сегодняшний день
позволяет получать генераторы синусоидальных колебаний малых габаритов
и более высоким КПД.
2 Основная часть
2.1 Выбор структурной схемы
Генератор синусоидальных колебаний представляет собой
устройство, преобразующее электрическую энергию источника постоянного
тока в энергию незатухающих электрических колебаний [1].
Для генератора необходимо наличие частотно-избирательной цепи,
то есть фильтра. Так как в фильтре происходят потери энергии, то необходим
усилитель генератора (УГ). Таким образом, можно сделать вывод, что сам
генератор состоит из фильтра (Ф) и усилителя. Так как существует
необходимость регулировать коэффициент усиления по напряжению, то
выход генератора подается на вход усилителя напряжения (УН) с
переменным коэффициентом усиления. Последующий каскад будет
усилитель тока (УТ). Он нужен в качестве устройства с небольшим
выходным сопротивлением сравнимым с сопротивлением нагрузки (Н).
В результате получаем следующую структурную схему генератора,
показанную на рисунке 1.
УГ
Ф
УН
УТ
Н
Рисунок 1 - Структурная схема генератора
2.2 Выбор принципиальной схемы
2.2.1 Выбор усилителя генератора
Выход
фильтра
VD2
R3
R2
VD1
R1

m
DA1
Рисунок 2
Вход
фильтра
Усилитель
генератора
выполняется
на
основе
операционного усилителя. У него
в
обратной
связи
помимо
резистора
R2
присутствует
корректирующая
цепь
амплитуды, состоящая из двух
параллельно соединенных диодов
VD1 и VD2 и последовательно с
ними соединенного резистора R3.
Эта
цепь
необходима
для
самовозбуждения генератора при запуске, и последующей стабилизации
напряжения на выходе данного усилителя. Схема приведена на рисунке 2.
2.2.2 Выбор схемы фильтра
Фильтром
называется
устройство,
которое
пропускает
синусоидальные сигналы в определённом диапазоне частот (в полосе
пропускания) и не пропускает их в остальном диапазоне.
В качестве фильтра используется схема на основе операционного
усилителя и моста Вина. Помимо схемы с мостом Вина существуют также
схемы с LC-цепями и
C2
фазосдвигающими RCцепями. Схема с LCцепями отвергается изR5
за непригодности в
C1
генераторах
низкой
R4
частоты [1,4]. Схема с
 m
мостом Вина выбрана
Выход
Вход
как более подходящая
усилителя
усилителя
генератора
напряжения
за счёт высокого по
DA2
сравнению
с
Рисунок 3
фазосдвигающей RCцепью КПД, а также меньшего количества пассивных элементов, и, как
следствие, меньшего количества выделяемой мощности на элементах [1].
Схема приведена на рисунке 3.
2.2.3 Выбор схемы усилителя напряжения
В качестве усилителя напряжения используется операционный
усилитель с отрицательной обратной связью, обеспечивающей требуемый
коэффициент усиления. Так как ОУ обладает большим входным и
небольшим
выходным
R8
Выход
R7
сопротивлением,
исчезает
фильтра
генератора
необходимость
в
R6
согласовании
с
 m
последующим усилителем
Вход
тока, то есть необходимость
усилителя
в применении буферных
тока.
DA3
каскадов.
Отрицательная
Рисунок 4
обратная связь способствует
повышению стабильности
усилителя. Регулировка коэффициента усиления по напряжению
осуществляется при помощи переменного резистора R8. Схема приведена на
рисунке 4.
2.2.4 Выбор схемы усилителя тока
В качестве усилителя тока выберем двухтактный усилитель
мощности, включённый по схеме с общим эмиттером. Такая схема обладает
низким
коэффициентом
+Eк
нелинейных искажений и
R9
небольшим
выходным
сопротивлением. Резисторы
VT1
R9,R10,R11,R12,
играют
R10
Ср
Rн
роль, делителя напряжения.
Это нужно для того, чтобы
Выход УН
подать
нужное
R11
приоткрывающее
VT2
напряжение
на
оба
R12
транзистора. Таким образом,
оба транзистора работают в
-Eк
классе
АВ.
Чтобы
Рисунок 5
постоянный
ток
не
передавался на усилитель
напряжения, вводится разделительный конденсатор Cp. Его емкость
выбирается таким образом, чтобы потери на нем от переменной
составляющей были как можно меньше.
2.3 Расчёт принципиальной схемы
2.3.1 Расчёт фильтра генератора
Активный фильтр состоит из операционного усилителя, в цепи
обратной связи которого находится мост Вина. Мост Вина состоит из двух
конденсаторов С1, С2 и двух резисторов R4, R5. Резистор R4 и конденсатор
С1 включены последовательно и представляют собой комплексное
сопротивление Z1.
Z 1  R4 
j
wC1
Резистор R5 и конденсатор С2 соединены параллельно и их
комплексное сопротивление Z2 будет рассчитываться по формуле:
j
wC 2
Z2 
j
R5 
wC 2
R5 
Передаточная функция данного каскада будет записана в виде
W ( p)  
Z2
,
Z1
где p=jw.
Если рассмотреть данный каскад вместе с предыдущим, то получим
передаточную функцию замкнутой системы можно записать в виде:
Wзс ( p) 
KW ( p)
,
1  KW ( p)
где W(p) – передаточная функция фильтра, зависящая от частоты;
K – передаточная функция пропорционального звена (усилителя
генератора) независящая от частоты.
Подставляя в последнее уравнение передаточные функции фильтра и
усилителя генератора, упростив их, получим следующее выражение:
Wзс ( p) 
KR5 C1 p
R4 R5 C1C 2 p  R4 C1  R5 C2  KR5 C1  p  1
2
Последнее выражение является произведением передаточных
функций апериодического звена второго порядка и дифференцирующего
звена первого порядка, которое в общем случае выглядит как:
W зс ( p ) 
kTp
,
T p  2Tp  1
2
2
где  – коэффициент затухания;
T – период колебаний.
Условием поддержания незатухающих колебаний является равенство
нулю коэффициента затухания. Для упрощения дальнейших расчётов
предположим равенство сопротивлений R4 и R5, а также емкостей С1 и С2.
Приняв эти упрощения, и учитывая равенство нулю коэффициента
затухания, получаем формулу для расчёта коэффициента усиления усилителя
генератора:
2RC  KRC  0
Находим отсюда, что K=2, то есть для возникновения незатухающих
колебаний нам необходим усилитель с коэффициентом усиления, равным 2.
По причине того, что операционный усилитель генератора по
инвертирующей схеме, мы сможем достичь коэффициента усиления равного
минус 2. Из этого следует, что коэффициент усиления фильтра заданной
частоты должен быть равен минус 0,5. Только при соблюдении этих
пропорций возникнут незатухающие колебания.
Формулу для нахождения частоты, выделяемой фильтром с
коэффициентом усиления 0,5 можно получить, зная период колебаний Т.
Известно, что:
T 1
2f
Следовательно, в нашем фильтре:
T 2  (RC ) 2
Выражая из этой формулы частоту f:
f 
1
2RC
Заданная частота колебаний fзад = 7 Гц.
Так как
RC 
1
2f
мы можем определить значения сопротивлений и емкостей.
Пусть емкостями С1 и С2 будут конденсаторы К53-1-0,1 мкФ ± 5%
[6]. Определим номиналы сопротивлений:
R
1
1

 227,364 кОм
2fC 2  3,14  7  0,1  10 6
Выберем в качестве R = R4 = R5 последовательно соединённые
резисторы МЛТ-0,25-226 кОм ± 2% и МЛТ-0,25-1,3 кОм ± 2% [7].
В качестве операционного усилителя (ОУ) выбираем 140УД6 [1]. Его
параметры приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Параметры ОУ 140УД6
Кu
70000
f, МГц
1
Rвх, МОм
2
Rвых, Ом
200
Vuвых, В/мкс
2,5
Uвых макс,В
12
Iвых макс, мА
6
Uпит,B
15
Iпотр,мА
2,8
Его скоростные характеристики нас вполне устраивают ввиду малой
частоты колебаний входного сигнала. Выходные напряжения и токи в
данном случае не будут превышать заданные напряжения и токи усилителя
по причине присутствия корректирующих диодов в усилителе генератора.
Предыдущий каскад имеет малое выходное сопротивление, поэтому
все его выходное напряжение будет падать на входном сопротивлении
операционного усилителя фильтра генератора. Так как фильтр ослабляет
сигнал в два раза, то выходное напряжение усилителя генератора будет
ослаблено до значения:
U выхФильтра  U выхУГ K фильтра 
Окончательный
следующем пункте.
расчет
выходного
U выхУГ
(1)
2
напряжения
произведем
в
2.3.2 Расчёт усилителя генератора
Усилитель генератора состоит из операционного усилителя DA1,
резисторов R1, R2, R3 и диодов VD1 и VD2. Из тех же соображений
выбираем в качестве DA1 ОУ 140УД6, параметры которого приведены в
таблице 1.
В реальности, в начальный момент времени на выходе фильтра
генератора будет напряжение шумов, приблизительно равное 0. Появление
синусоидальных колебаний
станет невозможным, так как общий
коэффициент усиления усилителя и фильтра генератора, равен:
 1
K УГ ,ФГ  К УГ  К ФГ  2      1
 2
По этой причине в начальный момент времени КУГ устанавливается
несколько большим по модулю, чем 2. Делается это при помощи диодов VD1
и VD2. В начальный момент времени, когда напряжение на выходе фильтра
генератора равно напряжению шумов, напряжение на выходе усилителя
генератора будет тоже практически равно нулю. Поэтому напряжение,
приложенное к открывающемуся диоду, будет мало, а его сопротивление
будет велико. Суммарное сопротивление диода и резистора R3 будет
шунтироваться резистором R2. Таким образом, резисторы R1 и R2 задают
коэффициент усиления усилителя генератора в начальный момент времени.
Они выбираются таким образом, чтобы КУГ по абсолютной величине был
больше 2.
Выбор диодов осуществляется на основании выполнения условия
баланса амплитуд в некоторый момент времени. В этот момент должно
выполниться условие
( R Д  R3) R 2
R 2  R3  R Д
 2 R1 (2)
Выбираем в качестве сопротивления R1 резистор МЛТ-0,25-100 кОм
± 5%, а в качестве сопротивления R2 резистор МЛТ-0,25-402 кОм ± 5% [7].
Решив уравнение (2) относительно R3+RД найдём сопротивление ветви
содержащей диоды и резистор R3.
R3  R Д 
2 R1R 2
2 100  400

 400кОм
R 2  2 R1
400  200
Зададимся током через диоды равным 5 мкА. Общее падение
напряжения на R3 и диодах будет равным
I Д  R3  R Д   2 В
Выберем диод КД503Б [8]. Параметры диода приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Параметры диода КД503Б
Uобр,В
10
Uпр, В
1,2
Iпр , мА
20
Uпр мин, В
0,4
Из вольтамперной характеристики диода (приложение А) найдём
падение напряжения на нём и его сопротивление .
U Д  0,455 B, R Д  91кОм
Очевидно, что обратное напряжение прикладываемое к одному из
диодов будет равно прямому напряжению на другом диоде. Прямое
напряжение на диоде во много раз меньше обратного максимального
напряжения диода, следовательно один из диодов будет всегда закрыт.
Теперь, зная RД можем выбрать резистор R3. Выбираем МЛТ-0,25309 кОм ± 5% [7].
Так как коэффициент усиления операционного усилителя очень
большой, полагаем, что напряжение на его входе бесконечно мало.
Следовательно, падение напряжения на резисторе R3 и диодах и будет
выходным напряжением операционного усилителя.
U выхОУ  U Д  I Д R3  0,45  5 10 6  309 103  2В
После стабилизации диодом амплитуды коэффициент усиления
данного каскада будет равен:
R
 R Д R2
309  10

 91  10 3 400  10 3
R3  R Д  || R2 R3  R Д  R2 309  103  91 103  400  103
K 


 2
R1
R1
100  10 3
3
3
Отрицательный коэффициент усиления в данном случае означает то,
что, операционный усилитель включен по схеме инвертирующей входной
сигнал. Это означает, что выходной сигнал сдвигается на 180 относительно
входного.
Так как данный каскад охвачен отрицательной обратной связью, его
выходное сопротивление изменится согласно следующей формуле:
Rвых ОС 
Rвых
,
1  K
где  – коэффициент обратной связи;
К – коэффициент усиления усилителя без обратной связи.
Легко заметить, что при  равной минус 0,5 и К равном 70000
выходное сопротивление уменьшится во много раз. Выходное напряжения
данного каскада будет падать в основном на входном сопротивлении фильтра
генератора. Рассчитаем амплитуду на выходе фильтра генератора используя
формулу (1):
U выхФильтра 
U выхУГ 2
 1 В
2
2
2.3.3 Расчёт усилителя тока
Усилитель тока состоит из комплементарной пары транзисторов с
проводимостью разного типа. С помощью делителя напряжения
R9,R10,R11,R12 транзисторы работают в классе АВ.
Рассчитаем максимальный ток коллектора и максимальное
напряжение на нагрузке. В данной схеме усилителя ток в нагрузке равен току
эмиттера. Можно найти максимальный ток коллектора, полагая, что он
приблизительно равен току эмиттера:
IК  IЭ 
2 PH
2  0,18

 24,5 мА ,
RH
600
U H макс  I K  RH  24,5 103  600  14,7 B
В качестве комплементарной пары выберем транзисторы КТ814А и
КТ815А [8]. Их характеристики приведены в таблице 3.
Таблица 3 – параметры транзисторов
КТ814А
КТ815А
fгр, МГц
3
3
50
50

Uкэ нас, В
2
2
Iб макс,А
0,5
0,5
Iк макс,А
1,5
1,5
Pк макс,Вт
10
10
Uкэ макс, В
40
40
Cтруктура
p-n-p
n-p-n
Из известного максимального тока
максимальный ток базы:
коллектора
вычислим
Iб 
Ik


24,5 10 3
 490 10 6 мкА
50
Токи коллектора и базы не выходят за предельные значения токов
этих транзисторов.
При выборе источников питания учтем потери напряжения на
транзисторе. Таким образом, напряжение каждого источника питания равно:
E К  U КЭ  U Н м акс  1,5  14,7  17 В
Рассчитаем цепь базового делителя напряжения R9R12 [9].
Зададимся начальным током коллектора. Пусть его значение будет равно
IК0=1,5 мА. Тогда ток базы в этом случае будет равен:
Iб 
Ik


1,5 10 3
 30 мкА
50
По вольтамперной характеристике транзистора (приложение Б)
находим напряжение Uэб0=0,5 В . Это напряжение должно падать на
резисторе R10. Примем ток делителя равный 2,5 мА. Величину
сопротивления R10 найдем из формулы:
R10 
U бэ0
0,5

 200 Ом ,
I дел 2,5  10 3
где Iдел – ток делителя.
В качестве резистора R10 выберем резистор МЛТ-0,25-0,2 кОм ± 5%
[7]. Падение напряжения на резисторах R9 и R10 в сумме должно давать EK,
то есть 17 В. Из этого можно найти величину сопротивления резистора R9:
R9 
E k  U R10
17  0,5

 6,6 кОм
I дел
2,5  10 3
В качестве резистора R9 выберем два резистора МЛТ-0,25-3,3 кОм ±
5% [7]. соединенных последовательно.
Учитывая некоторое падение входного напряжения на объемных и
дифференциальных сопротивлениях транзистора (объемное – rб100 Ом,
дифференциальное – rэ30 Ом), найдём такое его значение, при котором на
нагрузке будет падать 14,7 В:
ЕГ  U H 
UH
14,7
100  3050  1  15,48 B
(rб  rЭ (   1))  14,7 
RH (   1)
60050  1
Параметры другого плеча будут аналогичными. Так что, R10=R11,
R9=R12. Источник питания будет такой же, но подключен другой
полярностью.
Разделительный конденсатор Ср выберем из соображений меньшего
сопротивления низким частотам. Так как емкость конденсатора стоит в
обратной зависимости от омического сопротивления конденсатора, то ее
емкость надо выбрать по возможности большей, поэтому выберем
конденсатор К50-20-2000 мкФ ± 5% [6].
2.3.4 Расчёт усилителя напряжения
Усилитель напряжения состоит из операционного усилителя,
резисторов R6, R7 и R8. На вход усилителя подаётся сигнал амплитудой в
один вольт. Входное сопротивление каскада очень велико по сравнению с
выходным сопротивлением фильтра генератора, поэтому будем считать, что
вся мощность будет приложена к входному сопротивлению усилителя
напряжения. Учитывая задание регулировки коэффициента усиления на
минус 15%, для получения амплитуды необходимой величины нам
потребуется усилить входной сигнал в 15,48 раз при максимальном значении
KU и 13,16 раза при минимальном (минус 15%).
В качестве переменного резистора R8 выберем резистор СП2-2 [7].
Его характеристики приведены в таблице 4. Учитывая его максимальное и
минимальное значения сопротивления, можно подобрать значение
сопротивления R7, последовательно соединенное с ним.
Таблица 4 – Основные параметры переменного резистора СП2-2
Диапазон
47 – 100103
номинальных
сопротивлений
Допуск
20%
KUMIN  
R7  R8 MIN
 13,16
R6
KUMAX  
R7  R8 MAX
 15,48
R6
Решив эти уравнения, найдём необходимые значения R6 и R7. В
качестве сопротивления R6 выберем резистор МЛТ-0,25-43,2 кОм ± 5% [7]. В
качестве
сопротивления
R7
выбираем
резисторы,
соединенные
последовательно - МЛТ-0,25-562 кОм ± 5% и МЛТ-0,25-6,04 кОм ± 5% [7].
В качестве операционного усилителя выберем ОУ 1408УД1 [1]. Его
основные параметры приведены в таблице 5.
Таблица 5 – Основные параметры ОУ 1408УД1
Кu
100000
f, МГц
0,8
Rвх, МОм
0,3
Rвых, Ом
250
Vuвых, В/мкс
2
Uвых макс,В
21
Iвых макс,мА
4,2
Uпит,B
27
Iпотр ,мА
4
Малая частота генерируемых колебаний позволяет нам сделать
вывод, что данный операционный усилитель удовлетворяет нас по
скоростным и частотным параметрам. Выходное расчетное напряжение не
превышает максимально возможного выходного напряжения данного
операционного усилителя.
Введение отрицательной обратной связи позволяет нам не учитывать
выходное сопротивление данного усилительного каскада при его соединении
с каскадом усилителя тока.
2.3.5 Моделирование схемы в среде Electronics Workbench 5.12
После расчета схемы, была построена модель в пакете Electronics
Workbench. После моделирования рассчитанной схемы мы при помощи
осциллографа проверили амплитудные значения токов и напряжений на
выходах каждого каскада. Погрешности оказались в незначительных
пределах. Такая малая погрешность была достигнута на этом пакете в виду
того, что он не учитывает тепловые эффекты и параметры окружающей
среды. Появление
погрешностей вызвано необходимостью выбирать
номиналы сопротивлений из рядов номиналов, что не совсем точно
совпадает с расчетными номиналами. Так же этот пакет не учитывает
сопротивление линий связи элементов.
Необходимость подбирать номиналы сопротивлений отсутствует по
причине достаточно точного выбора элементов во время расчета.
При разложении переменного выходного напряжения на нагрузке в
ряд Фурье в данной программе относительно основной частоты в 7 Гц, мы
получили коэффициент гармоник равный 2,6%, что соответствует
требованиям задания.
Рассмотрим причины появления нелинейных искажений. Усилитель
и фильтр генератора только для одной частоты, после стабилизации
амплитуды, имеют коэффициент усиления равный 1. Для остальных частот
он будет меньше 1. Из этого можно сделать вывод, что нелинейные
искажения будут стремится к определенной минимальной величине, которая
вводится корректирующими диодами VD1 и VD2. Дальнейшим источником
нелинейных искажений является двухтактный комплементарный эмиттерный
повторитель. С целью уменьшения этих искажений оба транзисторных плеча
работают в классе АВ. При этом падает КПД, но также падает коэффициент
гармоник[4,10].
На практике коэффициент гармоник определяют путем сравнения со
стабильным генератором нужной частоты. Как это и делается в данном
программном продукте.
2.4 Расчёт коэффициента полезного действия генератора
Коэффициент полезного действия генератора рассчитаем из
соображения, что КПД – есть отношение мощности выделяемой на нагрузку
к полной потребляемой мощности устройством [1,9,11]. Зная значения токов
потребления операционных усилителей, параметры их источников питания, а
также рассчитанные ранее параметры источника питания усилителя тока,
выведем формулу расчёта КПД:


2U Пит ОУ1 I ПитОУ1  2U Пит ОУ 2 I ПитОУ 2
PH
 100% 
 2U Пит ОУ 3 I ПитОУ 3  2 E К  ( I К МАКС  I ДЕЛ )
0,18
 100%  13,9%
30  2,8  10  30  2,8  10  54  4  10 3  34  (2,5  10 3  25  10 3 )
3
3
Столь низкий коэффициент полезного действия является типичным
для схем генераторов данного типа. Это происходит по причине присутствия
каскада с коэффициентом передачи меньше единицы, а также
стабилизирующих цепей, которые занижают коэффициент полезного
действия усилителя генератора.
3 Заключение
Рассчитанный генератор синусоидальных колебаний имеет
коэффициент гармоник КГ равный 2,6%, что удовлетворяет требованиям
технического задания в 5%. Максимальная рассеиваемая мощность на
нагрузке соответствует техническому заданию в 0,18 Вт.
Погрешность частоты колебаний рассчитанного генератора не
превышает десятых долей процента, таким образом отвечает требованиям
технического задания. Регулировка напряжения осуществляется в пределах
нормы в 15%.
Генератор можно проверить частотомером или осциллографом. Для
улучшения достигнутых параметров, а именно повышения КПД и понижения
коэффициента гармоник, предлагается замена каскада усилителя напряжения
и каскада комплементарного двухтактного эмиттерного повторителя
мощным операционным усилителем, позволяющий получить необходимые
токи и напряжения на нагрузке.
4 Список использованной литературы
1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа,1991.-622 с.
2. Шитиков Г.Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых
волн. - М.: Радио и связь, 1983.- 256 c.
3. Герасимов В.Г., Князьков О.М., Краснопольский А.Е. и др. Основы
промышленной электроники.-М.: Высшая школа, 1978.- 336 с.
4. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника.-Ростов н/Д: Феникс, 2000.- 448
с.
5. Криштафович А.К. Промышленная электроника. – М : Высшая школа,
1984. – 351 с.
6. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.- К.: Вища
школа, 1983.- 240 с.
7. Резисторы : справочник / Дубровский В.В., Иванов Д.М., Пратусевич
Н.Я. и др. – М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.
8. Справочник по полупроводниковым приборам./ Лавриненко В.Ю. –
К.:Технiка, 1984. – 424 с.
9. Расчет электронных схем./ Изъюрова Г.И., Королев Г.В., Терехов В.А.
и др. – М.: Высшая школа, 1987. – 335 с.
10.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. –
М.: Энергия, 1977. – 672 с.
11.Практическое руководство по расчету схем в электронике :
справочник. В 2–х т. Т. 1 / Кауфман М., Сидман А.Г. – М.:
Энергоатомиздат, 1991. – 368 с.
Приложение А
(обязательное)
Вольтамперная характеристика диода КД503Б
Приложение Б
(обязательное)
Статические вольтамперные характеристики транзисторов
КТ814А и КТ815А
Содержание
1 Введение
2 Основная часть
2.1 Выбор структурной схемы
2.2 Выбор принципиальной схемы
2.2.1 Выбор усилителя генератора
2.2.2 Выбор схемы фильтра
2.2.3 Выбор схемы усилителя напряжения
2.2.4 Выбор схемы усилителя тока
2.3 Расчет принципиальной схемы
2.3.1 Расчет фильтра генератора
2.3.2 Расчет усилителя генератора
2.3.3 Расчет усилителя тока
2.3.4 Расчет усилителя напряжения
2.3.5 Моделирование схемы в среде Electronics
Workbench 5.12
2.4 Расчет коэффициента полезного действия генератора
3 Заключение
4 Список использованной литературы
Приложение А
Приложение Б
2
4
4
4
4
5
5
6
6
6
9
11
13
14
15
16
17
18
19
Реферат
В данной курсовой работе был рассчитан генератор
синусоидальных колебаний. Расчет велся поэтапно. Каждый каскад
наглядно проиллюстрирован в пояснительной записке, все
необходимые расчеты приведены там же. Объем работы полностью
охватывает все этапы расчета схем данного типа, проводится
сравнительный анализ и отличия от других возможных реализаций
генераторов.
При подготовке к расчету изучено большое количество научной
литературы. Особое внимание было уделено возможности применять
наилучшие возможные компоненты. В пояснительной записке
присутствуют ссылки на 11 различных источников.
В результате, рассчитанный генератор имеет частоту колебаний
равную 7 Гц, коэффициент гармоник не превысил допустимой
величины в 5%. Мощность выделяемая на нагрузке, а также
сопротивление нагрузки равны 0,18 Вт и 600 Ом соответственно.
Область применения генераторов подобного типа обширна. Их
используют в медицине, промышленности и военной технике.