Усилитель напряжения с регулируемой фазой (стр. 1 )

Дипломный проект

на тему:

Усилитель напряжения с регулируемой фазой

Аннотация

В данном дипломном проекте разработан усилитель напряжения, работающий в режиме класса D и выдающий на выходе постоянное (0…350 В) и переменное (0…250 В) напряжения. Фаза переменного напряжения регулируется в пределах от 0 до .

Проведено исследование усилителя с помощью разностных уравнений в векторно-матричной форме. Результаты исследования подтверждены с помощью модели, собранной в среде Simulink математического пакета Matlab.

Разведены печатные платы с использованием специализированного пакета программ P-Cad 2001.

Задание

Разработать усилитель напряжения с регулируемой фазой со следующими параметрами:

питающее напряжение ;

частота питающей сети ;

выходное напряжение: переменное ;

постоянное ;

частота выходного напряжения с возможностью синхронизации от сети и внутренней синхронизацией;

максимальный выходной переменный ток ;

максимальный выходной постоянный ток ;

изменение фазы выходного напряжения от 0 до 180 эл. град.;

максимальная температура окружающей среды .

Содержание

Аннотация

Задание

Содержание

Введение

1. Основная часть

1.1 Выбор и обоснование структурной схемы устройства

2. Расчетная часть

2.1 Расчет генератора синусоидальных сигналов

2.2 Расчет и выбор элементов для ШИМ модулятора

2.3 Моделирование усилителя напряжения в среде Simulink математического пакета Matlab 6.5

Введение

Развитие усилителей неразрывно связано с появлением и совершенствованием усилительных элементов – сначала ламп, затем транзисторов, интегральных схем и других электронных приборов, усиливающих электрические сигналы.

Усилители можно классифицировать по следующим параметрам:

По своему назначению усилители условно делятся на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности. Если основное требование – усиление входного напряжения до необходимого значения, то такой усилитель относится к усилителям напряжения. Если основное требование – усиление входного тока до нужного уровня, то такой усилитель относят к усилителям тока. Следует отметить, что в усилителях напряжения и усилителях тока одновременно происходит усиление мощности сигнала (иначе вместо усилителя достаточно было бы применить трансформатор). В усилителях мощности в отличие от усилителей напряжения и тока требуется обеспечить в нагрузке заданный или максимально возможный уровень сигнала.

В зависимости от характера входного сигнала различают усилители гармонических (непрерывных) сигналов (линейные), усилители импульсных сигналов (импульсные). К первой группе относятся устройства для усиления непрерывных гармонических сигналов или квазигармонических сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее всех нестационарных процессов в цепях усилителя. Ко второй группе усилителей относятся устройства для усиления импульсов различной формы и амплитуды с допустимыми искажениями их форм. В этих усилителях входной сигнал изменяется настолько быстро, что процесс установления колебаний является определяющим при нахождении формы сигнала.

Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделить усилители на следующие типы.

Усилители постоянного тока предназначены для усиления электрических колебаний в пределах от нижней частоты, равной нулю, до верхней рабочей частоты усилителя. Главным является то, что они усиливают постоянные и переменные составляющие входного сигнала.

Усилители переменного тока предназначены для усиления лишь переменных составляющих входного сигнала. В зависимости от граничных значений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут быть низкой и высокой частоты.

По ширине полосы усиливаемых частот выделяют избирательные и широкополосные усилители.

По роду применяемых активных элементов усилители делятся на транзисторные, магнитные, диодные, ламповые, параметрические и др.

В качестве активных элементов в настоящее время в усилителях чаще используются полевые или биполярные транзисторы, либо интегральные схемы. Значительно реже применяются активные элементы в виде нелинейных емкостей или индуктивностей и специальные типы полупроводниковых диодов.

1. Обзор схемотехники усилителей напряжения

1.1 Анализ технического задания. Обзор возможных способов реализации усилителя

Рассмотрим основные способы реализации усилителей и режимы их работы.

этом режиме точка покоя транзистора находится примерно в средней части используемой части характеристики усилительного элемента, работающего, как принято говорить, без отсечки тока. Временные диаграммы на рис. ** дают представление о сущности режима А.

Режим А характеризуется сравнительно низким уровнем высших гармоник, однако энергетические показатели оказываются неблагоприятными. В режиме А непрерывно, независимо от уровня сигнала потребляется приблизительно одна и та же мощность от источника питания, а вследствие сравнительно небольшого коэффициента использования тока, например, коллекторного

,

где – амплитуда первой гармоники, – среднее значение тока, близкое к постоянному значению в отсутствие сигнала, КПД получается меньше 50%. Действительно, КПД, представляющий собой отношение полезной (отдаваемой) мощности к мощности, потребляемой от источника питания , равный

не может быть больше 50%. Это объясняется тем, что и коэффициент использования напряжения (коллекторного)

,

где – амплитудное значение первой гармоники коллекторного напряжения,

– постоянное напряжение на коллекторе в отсутствие сигнала.

Недостатком класса А является то, что от источника питания при любых сигналах потребляется почти одинаковая мощность , и с уменьшением амплитуды сигнала все большая ее часть тратится бесполезно [бел. ЭЦ].

Режим А широко применяется в однотактных каскадах, для которых он является единственно возможным. В реальных усилителях с режимом работы класса А КПД не превышает 25% [Белов ЭЦ].

то такой режим работы усилительного элемента (транзистора), в котором при синусоидальном входном сигнале ток в выходной цепи протекает только в течение половины периода (рис. **). Среднее значение тока в выходной цепи в этом случае примерно [Бел. ЭЦ]

,(1)

где – амплитуда импульсов выходного тока. Это равенство является строгим, если на интервале времени ток , а на интервале .

Выходной ток усилителя (рис. **) в целом резко несинусоидален, т. е. содержит кроме основной гармоники большой процент высших гармоник. Поэтому класс В на практике применяется только в так называемых двухтактных каскадах, состоящих из двух усилительных элементов, каждый из которых работает в классе В, но со сдвигом в полпериода . В них выходной ток почти синусоидальный, среднее значение тока, потребляемого от источника питания, равно , а коэффициент использования тока источника

.

С учетом равенства (1) получаем, что , т. е. коэффициент использования тока источника не зависит от амплитуды входного сигнала и существенно больше, чем в классе А. КПД в классе В определяется как