Усилитель систем автоматики

Зная номинал R6, найдём:

С5, С6 - номиналы рекомендованы в технической документации и равны 100 нФ у каждого конденсатора.

Расчёт конденсатора С5 производится аналогично разделительной ёмкости в транзисторном варианте:

С4 - рассчитаем аналогично ёмкости С2 из предыдущего каскада.

Из тех же соображений, что и в первом каскаде, возьмём номинал ёмкости равной:

2.4 Расчёт регулировки усиления:

Регулировку усиления, как и условились, будем вводить во второй каскад. Расчёт элементов регулировки такой же как и для транзисторного варианта:

Резистор R4, для обеспечения КMIN, должен быть равным:

- подстроечный резистор (СП3 - 28) включённый последовательно с R6'.

Так как усилитель дифференциальный, и мы подбором элементов схемы старались уровнять токи смещения, то ёмкость на выходе, которая будет весьма габаритной, можно не ставить и это позволит значительно уменьшить размеры платы.

3. Конструкторская часть

В качестве материала, из которого изготавливается печатные платы транзисторного варианта и варианта на микросхемах, используем фольгированный стеклотекстолит СОНФ - 1 - 35 (ТУ 16 - 503.204 - 80).

Все используемые постоянные резисторы типа С2-33Н-0.125 за исключением R14 в транзисторном варианте и R4 в микросхемном варианте - С2-33Н-0.5.

Все используемые неполярные конденсаторы типа К10-17Б (типоразмер -0805).

Все электролитические конденсаторы типа К50-6 номинальным напряжением не менее, чем на 16В.

Печатную плату будем изготавливать методом химического травления. Шаг координатной сетки, при разработке печатной платы, выберем равным 1,25 мм. Методом травления можно получить минимальную ширину дорожек мм. Но лучше использовать толщину дорожек мм.

Транзисторный вариант:

Найдём размеры печатной платы XP*YP для размещения k=37 элементов заданной электрической схемы.

Каждый элемент с габаритными размерами XUi*YUi занимает на плате площадь SUi= XUi*YUi

Площадь, занимаемая элементами на плате, составит:

Данные по установочным размерам элементов представлены в следующей таблице

С учётом зазоров между элементами, общую площадь для элементов электрической схемы можно представить как площадь функциональной поверхности SF:

SF=SE/CZ

де CZ-коэффициент заполнения или плотности упаковки элементов на плате. Выберем коэффициент заполнения равным CZ=0,25. Тогда:

SF=SE/CZ=1522/0,25=6088?6000 мм2

Размеры краевых полей X1,X2,Y1,Y2 выбираются кратными шагу координатной сетки, поэтому выберем значение 2,5 мм. Ширину зоны присоединения ( размещения разъёма) Xпр возьмём тоже 2,5 мм. Окончательные размеры печатной платы определяются по формулам:

где CF-коэффициент формы.

В следующей таблице представлены зависимости размеров платы в зависимости от выбранного коэффициента формы:

Вариант при CF=1,6, так как, при заданных линейных размерах XP*YP=105*67,5мм плата имеет наименьшую площадь, по сравнению с другими вариантами. Поэтому, поскольку ограничения на форму и размещение не предъявлялись, принимаем размеры печатной платы XP*YP=105?67,5мм.

Рассчитаем размеры функционального узла по координате Z. Характерные для плат размеры по координате Z представлены на рисунке ниже:

Из рисунка найдём:

ZP=ZUmax+Z0+h=13+1+1=15мм, где:

-толщина материала платы;

ZUmax=13-максимальная из высот монтажа элементов;

Z0-толщина пайки элементов со стороны печатных проводников.

Таким образом, в ходе расчётов установлены окончательные размеры платы - 105?67,5?15мм.

Рассчитаем диаметры отверстий D для установки навесных элементов и соответствующие им диаметры контактных площадок. Принято, что

D=DV+0,2мм

где DV-диаметр вывода. Диаметр контактной площадки Dк.п. определяется по формуле

Dк.п.=2XA+D,

где ХА=0,5 мм - ширина проводника.

Для уменьшения числа технологических операций, следует близкие значения диаметров сгруппировать, округлив в большую сторону. В следующей таблице занесены полученные результаты:

Расчёт радиатора на транзисторы оконечного каскада производим следующим образом:

Поскольку эта мощность выделяется на обоих транзисторах, то делим её пополам:

По графику из справочника радиолюбителя-конструктора найдём площадь радиатора по мощности и температуре (задана по ТЗ):

Площадь поверхности радиатора для одного транзистора S=80 см2, так как она довольно большая, то радиатор делается ребристым.

Микросхемный вариант:

Найдём размеры печатной платы XP*YP для размещения k=18 элементов заданной электрической схемы.

Каждый элемент с габаритными размерами XUi*YUi занимает на плате площадь SUi= XUi*YUi

Площадь, занимаемая элементами на плате, составит:

Данные по установочным размерам элементов представлены в таблице:

С учётом зазоров между элементами, общую площадь для элементов электрической схемы можно представить как площадь функциональной поверхности SF:

SF=SE/CZ

где CZ-коэффициент заполнения или плотности упаковки элементов на плате. Выберем коэффициент заполнения равным CZ=0,25. Тогда:

SF=SE/CZ=912,3/0,25=3649?3650 мм2

Размеры краевых полей X1,X2,Y1,Y2 выбираются кратными шагу координатной сетки, поэтому выберем значение 2,5 мм. Ширину зоны присоединения ( размещения разъёма) Xпр возьмём тоже 2,5 мм. Окончательные размеры печатной платы определяются по формулам:

где CF-коэффициент формы.

В следующей таблице представлены зависимости размеров платы в зависимости от выбранного коэффициента формы:

Вариант при CF=1,7, так как, при заданных линейных размерах XP*YP=85*50мм плата имеет наименьшую площадь, по сравнению с другими вариантами. Поэтому, поскольку ограничения на форму и размещение не предъявлялись, принимаем размеры печатной платы XP*YP=85?50мм.

Рассчитаем размеры функционального узла по координате Z. Характерные для плат размеры по координате Z представлены на рисунке ниже:

Из рисунка найдём:

ZP=ZUmax+Z0+h=16+1+1=18мм, где:

h-толщина материала платы;

ZUmax=16-максимальная из высот монтажа элементов;

Z0-толщина пайки элементов со стороны печатных проводников.

Таким образом, в ходе расчётов установлены окончательные размеры платы - 85?50?18мм. Рассчитаем диаметры отверстий D для установки навесных элементов и соответствующие им диаметры контактных площадок. Принято, что D=DV+0,2мм, где DV-диаметр вывода. Диаметр контактной площадки Dк.п. определяется по формуле

Dк.п.=2XA+D,

где ХА=0,5 мм - ширина проводника.

Для уменьшения числа технологических операций, следует близкие значения диаметров сгруппировать, округлив в большую сторону. В следующей таблице занесены полученные результаты:

Так как микросхема 140УД10 работает в области малых сигналов, то есть мощности на её выходе невысоки. В охлаждении она не нуждается, следовательно, расчёт радиатора для неё проводить не будем.

Расчёт радиатора для микросхемы А2030Н не обязателен, так как в техническом описании есть вид радиатора, рассчитанного именно под эту микросхему:

4. Выбор оптимального варианта

Оценку оптимальности одного из вариантов будем производить по следующим критериям:

1. Размеры печатной платы под монтаж

2. Общее число элементов на плате

3. Число электролитических конденсаторов, как наиболее ненадёжных при длительной эксплуатации (высыхают)

Результаты сравнения по вышеописанным пунктам:

1. Sтр=6000 > Sмк=3650 мм2

2. Ктр=37 > Кмк=18

3. Кэл,тр=8> Кэл,мк=4

Как нетрудно заметить, микросхемный вариант имеет преимущества по всем названным критериям, но могут возникнуть случаи, когда транзисторный вариант будет предпочтительней. Поскольку в нашем задании не предъявлялось требований к размещению устройства и каких-либо особенностей условий его эксплуатации (повышенное давление, завышенный радиоактивный фон и т.д.), для которых подошли бы только устройства на «военных» транзисторах, то сделаем вывод о том, что микросхемный вариант предпочтительней.

5. Заключение

В ходе расчетов была получена схема на транзисторах ШУ с коэффициентом усиления К0?325. Схема состоит из пяти каскадов, причем коэффициент усиления каждого находится в пределах 15, что вполне соответствует предварительному расчету усилителя.

Во второй части курсового проекта была рассчитана схема усилителя с использованием ИМС.

В предыдущем разделе, мы выяснили, что оптимальным вариантом является усилитель с применением ИМС.

6. Список использованной литературы

1. Афанасьев В.В., Данилаев М.П., Нуриев И.И., Усанов А.И. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Методическое пособие. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2007. 48 с.

2. Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие / Ефимов В.В., Павлов В.Н., Соколов Ю.П. и др.; под ред. Н.В. Терпугова .-М.: Высш. школа , 1982.-190 с., ил.

3. Проектирование усилительных устройств на транзисторах: Учебное пособие для вузов; под ред. Г.В. Войшвилло.-М., «Связь», 1972.

4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана.-М.:Радио и связь, 1981,-656 с., ил.

5. Турута Е.Ф. 3500 микросхем усилителей мощности низкой частоты и их аналоги (2-е издание, переработанное и дополненное).-М.: ДМК Пресс, 2005.-352 с., ил. (Справочник)

6. Нестеренко Б.К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению.-М.: Энергоиздат, 1982. - 128 с., ил.

Страницы: 1, 2, 3