регистрация / вход

Основы радиоэлектроники и схемотехники

Расчет стабилизированного источника питания с мостовой схемой выпрямителя, каскада с общей базой и значений тока коллектора, соответствующего режиму насыщения. Определение условий обеспечения стабилизации рабочей точки падения напряжения на резисторе.

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Контрольная работа по курсу

"Основы радиоэлектроники и схемотехники"

2009


Задание 1

Дано:

Uвых = 10 В

Iн = 40 мА

DUвых = 10 мВ

Рассчитать стабилизированный источник питания с мостовой схемой выпрямителя.

Решение:

1. Выберем стабилитрон VD5исходя из следующих условий:

U ст = U вых

I ст > I н

Данным условиям удовлетворяет стабилитрон КС510А, параметры которого приведем в таблице 1.

Таблица 1

Uст, В Iстmin, мА Iстmax, мА rст , Ом aUст, %/0 C
10 1 79 20 +0,08

2. Так как ток Iн = 40 мА, то зададимся коэффициентом стабилизации Kст = 60.

3. Определим амплитуду пульсаций на входе стабилизатора

K ст = D U вхст/ D U вых

D U вхст = K ст × D U вых = 60 × 0,01 = 0,6 (В)

4. Определим сопротивление гасящего резистора, обеспечивающее требуемый коэффициент стабилизации:

Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rг, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления имеет резистор с номиналом 1,2 кОм.

5. Определим рабочий ток стабилитрона:

I ст min £ I ст £ ( I ст max - I н)

I ст = 79-40 = 39 (мА)

6. Определим ток гасящего резистора:

I г = I ст + I н = 39 + 40 = 79 (мА)

7. Определим сопротивление нагрузки:

Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rн, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления имеет резистор с номиналом 240 Ом.


8. Необходимое постоянное напряжение на входе стабилитрона равно:

U вхст = U вых + I г R г = 10 + 0,079 × 1200=94,8 (В)

9. Рассчитаем температурный уход выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры на +500 .

10. Результаты расчета сведем в таблицу 2

Таблица 2

Тип стабилитрона Uвхст, В DUвхст, мВ Uвых, В DUст, мВ DUвых, мВ Iст, мА Iг, мА Кст Rн, Ом Rг,Ом
КС510А 94,8 600 10 400 10 39 79 60 240 1200

11. Для расчета выпрямителя исходными данными являются следующие рассчитанные параметры стабилизатора:

U выхвыпр = U вхст = 94,8 (В)

D U выхвыпр = D U вхст = 0,6 (В)

I нвыпр m = I г = 79 (мА)

12. Определим амплитуду входного напряжения выпрямителя:

U вх m = U вхст + D U вхст + U пр,

где Uпр – падение напряжения на прямосмещенном диоде выпрямителя.

Примем падение напряжения на одном диоде Uпр = 1 В. Поскольку в мостовой схеме два прямосмещенных диода включенных последовательно, то падение напряжения будет равно 2 В. Отсюда амплитуда входного напряжения выпрямителя равна:

U вх m = 94,8 + 0,6 + 2 » 98 (В)

13. Рассчитаем емкость конденсатора, при этом частоту входного напряжения примем равной f=50Гц:

Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C, ближайшим к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 1500 мкФ.

14. Определим амплитуду обратного напряжения на диоде для мостовой схемы:

Um обр = U вх m = 98 (В)

15. По рассчитанным параметрам выберем диоды для схемы выпрямителя причем:

I нвыпр m < I пр max

Um обр < U обр max

Результаты расчета сведем в таблицу 3.


Таблица 3

Тип диода С, мкФ Umобр, В Uвхm, В
КД226А 1500 98 98

Задание 2

Усилительный каскад с ОЭ

Решение:

1. Для обеспечения стабилизации рабочей точки падение напряжения на резисторе Rэ выбираем из условия:

U э = I э R э = 0,2 U кэ = 0,2 × 9 = 1,8 (В)

2. Напряжение питания для обеспечения максимального значения амплитуды неискаженного выходного сигнала выберем исходя из следующего условия:

U ип = 2 U кэ + U э = I к R к + U кэ + U э = 2 × 9 + 1,8 = 19,8 (В)


3. Сопротивления резисторов RЭ и RК находим по выражениям

R к = ( U ип - U кэ - U э ) / I к =(19,8-9-1,8)/0,008 = 1125 (Ом) ,

Rэ = Uэ/Iэ,

т.к. можно считать, что Iэ »Iк, то сопротивление Rэ будет равно:

R э » U э/ I к » 1,8/0,008 » 225 (Ом)

Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов Rк и Rэ, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 1,1 кОм и 220 Ом соответственно.

4. Определим ток базы

I б = I к/ h 21э

Определим по справочнику коэффициент передачи по току для транзистора КТ3102А, h21э = 200…500. Пусть h21э = 300, тогда

I б = 0,008/300 » 27 (мкА)

5. Определим потенциал базы транзистора:

U б = U бэ + U э,

где напряжение база – эмиттер в рабочей точке для кремниевого транзистора можно принять Uбэ = 0,6 В.

U б = 0,6 + 1,8 = 2,4 (В)

6. Для обеспечения работоспособности схемы стабилизации задаемся током делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2, в десять раз больше, чем ток базы:

I д = 10 × I б = 10 × 27 × 10-6 = 0,27 (мА)

7. Находим сопротивления R1 и R2:

R 1 = ( U ип- U б)/( I д + I б) = (19,8 – 2,4)/(270 × 10-6 + 27 × 10-6 ) = 74747 (Ом)

R 2 = U б/ I д = 2,4/270 × 10-6 = 8888 (Ом)

Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов R1 и R2, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 75 кОм и 9,1 кОм соответственно.

8. Определим емкости конденсаторов при выполнении которых значение коэффициента усиления по напряжению на нижней граничной частоте fн = 20 Гц уменьшается не более чем в 2 раз.

где Rвх - входное сопротивление каскада.


где - входное сопротивление транзистора

Значения DUбэ и DIб определим по входным характеристикам транзистора

Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C1, ближайшим большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 68 мкФ.

Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C2, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 22 мкФ.


Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора Cэ, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 470 мкФ.

9. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по току:

10. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

где rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.


где Iэ0 – ток эмиттера в рабочей точке Iэ0 »Iк,

jт – тепловой потенциал равный 26 мВ.

11. Определим сквозной коэффициент усиления по напряжению:

12. Определим выходное сопротивление:

Определим выходную проводимость транзистора h22э по выходным характеристикам


∆Iк

13. Определим нижние граничные частоты при выбранных емкостях C1, C2 и Сэ:

14. Определим коэффициенты частотных искажений, обусловленных фильтрами, на частоте f=20Гц:

, где n = 1, 2, 3

Мн1 = 1,21

Мн2 = 1,23

Мн3 = 1,26


15. Определим верхние граничные частоты:

где Сэ и Ск справочные данные емкостей переходов транзистора равные 15 пФ и 6 пФ соответственно.

Скэкв = ( Ku + 1)Ск = (72,5+1)∙6∙10-12 = 441 (пФ)

(Гц)

(Гц)

16. Определим коэффициенты частотных искажений на частоте f = 20 кГц:

, где n = 1, 2

Мв1 = 1,000004

Мв2 = 1,00005.

Расчет каскада с ОБ

1. Для обеспечения стабилизации рабочей точки падение напряжения на резисторе Rэ выбираем из условия:

U э = I э R э = 0,2 U кэ = 0,2 × 9 = 1,8 (В)

2. Напряжение питания для обеспечения максимального значения амплитуды неискаженного выходного сигнала выберем исходя из следующего условия:

U ип = 2 U кэ + U э = I к R к + U кэ + U э = 2 × 9 + 1,8 = 19,8 (В)

3. Сопротивления резисторов Rэ и Rк находим по выражениям

R к = ( U ип - U кэ - U э ) / I к =(19,8-9-1,8)/0,008 = 1125 (Ом) ,

Rэ = Uэ/Iэ,

т.к. можно считать, что Iэ »Iк, то сопротивление Rэ будет равно:

R э » U э/ I к » 1,8/0,008 » 225 (Ом)

Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов Rк и Rэ, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 1,1 кОм и 220 Ом соответственно.

4. Определим ток базы

I б = I к/ h 21э

Определим по справочнику коэффициент передачи по току для транзистора КТ3102А, h21э = 200…500. Пусть h21э = 300, тогда

I б = 0,008/300 » 27 (мкА)

5. Определим потенциал базы транзистора:

U б = U бэ + U э,

где напряжение база – эмиттер в рабочей точке для кремниевого транзистора можно принять Uбэ = 0,6 В.

U б = 0,6 + 1,8 = 2,4 (В)

6. Для обеспечения работоспособности схемы стабилизации задаемся током делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2, в десять раз больше, чем ток базы:

I д = 10 × I б = 10 × 27 × 10-6 = 0,27 (мА)

7. Находим сопротивления R1 и R2:

R 1 = ( U ип- U б)/( I д + I б) = (19,8 – 2,4)/(270 × 10-6 + 27 × 10-6 ) = 74747 (Ом)

R 2 = U б/ I д = 2,4/270 × 10-6 = 8888 (Ом)


Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов R1 и R2, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 75 кОм и 9,1 кОм соответственно.

8. Определим емкости конденсаторов при выполнении которых значение коэффициента усиления по напряжению на нижней граничной частоте fн = 20 Гц уменьшается не более чем в 2 раз.:

где Rвх - входное сопротивление каскада включенного по схеме с ОБ;

Rвых – выходное сопротивление каскада включенного по схеме с ОБ.

R вых = R к = 1100 (Ом)

где - входное сопротивление транзистора

где rэ – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

h21б – коэффициент передачи по току для схемы с ОБ.


где Iэ0 – ток эмиттера в рабочей точке Iэ0 »Iк,

jт – тепловой потенциал равный 26 мВ.

h 21б = I к/ I э = I к/( I к+ I б) = 8/8,027 = 0,99

Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C1, ближайшим большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 22 мкФ.

Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C2, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 15 мкФ.


Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора Cэ, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 10 мкФ.

9. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по току:

10. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

13. Определим нижние граничные частоты при выбранных емкостях C1, C2 и Сэ:

14. Определим коэффициенты частотных искажений, обусловленных фильтрами, на частоте f=20Гц:

, где n = 1, 2, 3

Мн1 = 1,41

Мн2 = 1,44

Мн3 = 1,4

15. Определим верхние граничные частоты:

где Сэ и Ск справочные данные емкостей переходов транзистора равные 15 пФ и 6 пФ соответственно.

Скэкв = ( Ku + 1)Ск = (71+1)∙6∙10-12 = 432 (пФ)

(Гц)

16. Определим коэффициенты частотных искажений на частоте f = 20 кГц:

, где n = 1

Мв1 = 1,0000002

Мв2 = 1,00005


Расчет каскада с ОК

Решение

1. Вычисляем максимально возможное значение амплитуды тока нагрузки, соответствующее идеальному согласованию, когда Uвых = Eг:

2. Выбираем рабочую точку БТ:

I э = 1,3 I н = 1,3 × 5,3 = 6,89 (мА)

U кэ = U э = I э R э = U ип/2 = 15/2 = 7,5 (В)

3. Сопротивление резистора Rэ находим по формуле:

Rэ = Uэ/Iэ = 7,5/0,00689 =1088 (Ом),

Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rэ, ближайшим к рассчитанным значениям сопротивления обладает резистор с номиналом 1,1 кОм

4. Определим ток базы

I б = I э/ h 21э

Определим по справочнику коэффициент передачи по току для транзистора КТ3102А, h21э = 200…500. Пусть h21э = 300, тогда

I б = 0,00689/300 » 23 (мкА)

5. Определим потенциал базы транзистора:

U б = U бэ + U э,

где напряжение база – эмиттер в рабочей точке для кремниевого транзистора можно принять Uбэ = 0,6 В.

U б = 0,6 + 7,5 =8,1 (В)

6. Для обеспечения работоспособности схемы стабилизации задаемся током делителя напряжения, образованного резисторами R1 и R2, в десять раз больше, чем ток базы:

I д = 10 × I б = 10 × 23 × 10-6 = 0,23 (мА)

7. Находим сопротивления R1 и R2:

R 1 = ( U ип- U б)/( I д + I б) = (15 – 8,1)/(230 × 10-6 + 23 × 10-6 ) = 27272 (Ом)

R 2 = U б/ I д = 8,1/270 × 10-6 = 30000 (Ом)


Выберем из ряда с отклонением 5% реальные сопротивления резисторов R1 и R2, ближайшими к рассчитанным значениям сопротивлениями обладают резисторы с номиналами 27 кОм и 30 кОм соответственно.

8. Определим емкости конденсаторов при выполнении которых значение коэффициента усиления по напряжению на нижней граничной частоте fн = 20 Гц:

где Rвх - входное сопротивление каскада включенного по схеме с ОК;

Rвых – выходное сопротивление каскада включенного по схеме с ОК.

R вых = 17 (Ом)

где - входное сопротивление транзистора

Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C1, ближайшим большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 6,8 мкФ.

Выберем из ряда с отклонением 20% реальную емкость конденсатора C2, ближайшим в большую сторону к рассчитанному значению емкости имеет конденсатор с номиналом 22 мкФ.

9. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по току:

10. Рассчитаем коэффициент усиления каскада по напряжению:

13. Определим нижние граничные частоты при выбранных емкостях C1, C2 и Сэ:


14. Определим коэффициенты частотных искажений, обусловленных фильтрами, на частоте f=20Гц:

, где n = 1, 2, 3

Мн1 = 1,41

Мн2 = 1,35

15. Определим верхние граничные частоты:

Ск справочные данные емкости перехода транзистора равная 6 пФ:

16. Определим коэффициенты частотных искажений на частоте f = 20 кГц:

, где n = 1, 2, 3

Мв1 = 1,000003

Мв2 = 1,00002

Мв3 = 1,000002

Задание 3

Решение:

1. По заданным Uип и Uвыхmax определим Rк

U ип экв = U ип × R н /( R к + R н ),

Rк экв = Rк × Rн /(Rк + Rн ).

Uвых max = Uип экв - Iкб0 Rк экв

Поскольку ток Iкб0 = 0,05 мкА (см. приложение 3), то выразив Rк из формул имеем:

Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора Rк, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления обладает резистор с номиналом 2,0 кОм.

2. По известному Rк определим Uип экв и Rк экв

Uип экв = Uип × Rн /(Rк + Rн ) = 15 × 8200/(2000+8200) = 12,06 (В),

Rк экв = Rк × Rн /(Rк + Rн) = 2000 × 8200/(2000+8200) = 1608 (Ом).

3. На семействе выходных ВАХ БТ построим нагрузочную прямую, описываемую уравнением

I к( U кэ) = ( U ип экв – U кэ) R к экв

По координатам точек пересечения нагрузочной прямой с выходными характеристиками, соответствующими токам базы Iб = Iб';Iб'';…, определяются значения напряжения коллектор – эмиттер, которое является выходным Uкэ = Uвых . Далее по входной характеристике БТ Iб = f (Uбэ) при Uкэ > 0 для тех же значений тока базы находятся соответствующие напряжения база-эмиттер Uбэ = Uбэ';Uбэ'';… .


Входное напряжение рассчитывается согласно выражению



По известным U0 вых, U1 вых и U0 пор, U1 пор построим передаточную характеристику

4. Определим значения тока коллектора и базы Iкн, Iбн, соответствующие режиму насыщения, а также значение тока базы Iбm при максимальном значении входного напряжения Uвхm.

I кн = ( U ипэкв – U 0 вых)/ R кэкв = (12,06 - 0,32)/1608 = 7,3 (мА)

I бн = ( U ипэкв - U 0 вых)/( R кэкв × h 21э) = (12,06 – 0,32)/300 × 1608 = 24 (мкА)

S = I б m/I бн

I б m = S×Iбн = 2 × 24 = 48 ( мкА )

U вх m = 1,1 U 1 пор = 1,1 × 9 = 9,9 (В)

выпрямитель каскад коллектор резистор

5. Определим сопротивление резистора R1:

R 1 = ( U 1 пор - U 0 пор)/ I б m = (9-2)/0,000048 = 145833 (Ом)

Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора R1, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления обладает резистор с номиналом 150 кОм.

6. Определим сопротивление R2

U 0 пор = ( U бэпор( R 1+ R 2)+ U см R 1)/ R 2

Выразим R2 и приняв Uбэпор = 0,6 В имеем:

R 2 = ( U бэпор+ U см) R 1/( U 0 пор- U бэпор) = (0,6+4) × 150000/(2-0,6) = 492857 (Ом)

Выберем из ряда с отклонением 5% реальное сопротивление резистора R2, ближайшим к рассчитанному значению сопротивления обладает резистор с номиналом 510 кОм.

7. Рассчитаем быстродействие транзисторного ключа:

t вкл = t вкл ln ( S /( S -1))


где t вкл – постоянная времени включения, определяемая выражениями

t вкл = t h 21э + t к

t h 21э = 1/(2 p fh 21э ) = 1/(2 p × 100 × 106 ) = 1,6 (нс)

t к = (Cк + Cн )Rкэкв = (6 × 10-12 + 0,1 × 10-9 ) × 1608 = 0,17 (мкс)

t вкл = 1,6 × 10-9 + 0,17 × 10-6 = 0,172 (мкс)

t вкл = 0,172 × ln (2) = 0,12 (мкс)

t зад выкл = ( t h 21э /2) ln (( I б+ I бобр)/( I бн+ I бобр))

I бобр = U см/ R 2 = 4/510000 = 7,8 (мкА)

I б = I кб m = 48 (мкА)

t зад выкл = 0,8 × 10-9 × ln ((48+7,8)/(24+7,8)) = 0,45 (нс)

t сп = t h 21э ln (1+ I бн/ I бобр) = 1,6 × 10-9 ln (1+24/7,8) = 2,25 (нс)

t нр U = 2,3 t к = 2,3 × 0,17 = 0,391 (мкс)

ОТКРЫТЬ САМ ДОКУМЕНТ В НОВОМ ОКНЕ

ДОБАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ  [можно без регистрации]

Ваше имя:

Комментарий