міністерство освіти і науки України

донецький національний технічний університет

Курсова робота по дисципліни

«Електроніка та мікросхема техніка»

Розробка напівпровідникового елементів для

електроприводів

Донецьк 2011 р

Вступ

Використання у промисловості керованих статичних напівпровідникових перетворювачів це загальна тенденція розвитку сучасного регульованого електропривода. з високими техніко-економічними показниками

Це показує необхідність розробки різних елементів які створюють такі перетворювачі...

Мета курсової роботи

Ознайомлення та придбання студентами навичок з розрахунку напівпровідникових елементів систем для електроприводів.

Зміст курсової роботи

Розрахунково-пояснювальна записка складається :

1.Розрахунок параметрів елементів які задані.

2. Схема елемента

2.Розробка електричної схеми перетворювача або випрямляча

Обсяг курсової робот

Розрахункова-пояснювальна записка містить:

• титульний аркуш,

• зміст,

• вступ,

• технічне завдання,

• розрахунок параметрів обраних елементів

• список використаної літератури,

• електричну принципову схему силової частини перетворювача,

• електричну принципову силової частини випрямляча

.

Завдання №1.

Розрахунок каскаду попереднього підсилення з СЕ

Мета роботи

Метою даної роботи є набуття навиків розрахунку транзисторних каскадів.

Тероетичні відомості

Для виконання розрахунку необхідно знати основні характеристки підсилювачів змінного струму, принцип дії та методи розрахунку транзисторних каскадів.

Вихідні дані

Виконаємо розрахунок каскаду, схема електрична принципова наведена на рис.1.

Рис.1. Каскад попереднього підсилення на біполярному транзистори з СЕ.

Амплітудне значення напруги на виході каскаду U_вих.м=7,5В

Опір навантаження R_н=1200Ом

Напруга джерела живлення Е_к=30В

Нижня межа частот f=75Гц

Допустиме значення коефіцієнта викривлень у зоні нижніх частот М=2,15.

Необхідно визначити

Тип транзистора,

режим роботи транзистора,

опори резисторів дільника R₁, R₂,

опір резистора колекторного навантаження R₃,

опір резистора у ланцюгу емітера R₄.

ємкість розділяючи конденсаторів С_1,С₂

ємкість конденсатора в ланцюгу емітера С_3,

гарантовані значення коефіцієнтів підсилення каскаду за струмом, напругою, потужністю.

При побудові схеми каскаду будемо використовувати елементи з допустимим відхиленням від номінальної величини 5%.

Табл..1

Цифри номера заліковой книжки		0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Десятки	Одиниці
	Uвих м,В	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,75	6,5	7,25	8
	Rн,Ом	130	180	240	330	430	510	620	820	1000	1300
	Ек,В	10	12	14	16	18	20	23	26	29	32
f,Гц		50	75	100	125	150	175	200	225	250	275
Мн		2,2	2,1	2	1,9	1,8	1,7	1,6	1,5	1,4	1,3

Варіанти вихідних даних наведені у табл..1. Варіанти обираються по останнім двом цифрам залікової книжки: Приклад еомер залікової книжки 77732

З колонки 3 маємо f _н, М_н . З колонки 2 маємо U_вих.м, R_н, Е_к

Порядок розрахунку

Обираємо транзистор

• допустима напруга між колектором та емітером повина перевищувати напругу джерела живлення U_{к мах}>Е_к,

• величина допустимого струму колектора повинна перевищувати максимальне значення струму у колекторному колі транзистора

I_{к мах}>I_ок+I_км, де I_ок – струм спокою у колі колектора,

I_км – амплітуда змінної складової струму у колі колектора,

I_км=U_{вих мах}/R_н,

де R_н=R₃R_н/R₃+R_н – еквівалентний опір навантаження каскаду за змінним струмом. При цьому R₃ є навантаженням за постійним струмом.

Виходячи з того, що даний каскад є підсилювачем потужності, для забезпечення максимальної передачі потужності задаємо:

R₃= R_н, тобто R₃=1200Ом (до речі, за умов підсилення напруги задають R₃ < R_н, а при підсиленні струму R₃ >R_н), тоді

R_н=12000*1200/1200+1200=600Ом

I_км=7,5/600=12,5мА

Для забезпечення економічності каскаду за мінімальних нелінійних викривлень обирають

I_ок=(1,05-1,1)I_км=13,8мА

На підставі вищесказаних умов необхідно обирати транзистор, який би забезпечував:

• U_км>30В,

• I_км>13,8+12,5=26,3мАл

За данними табл. 1 знаходимо, що заданим вимогам відповідає транзистор КТ315Г, у якого К_м=35В, Iкм=100мА, Р_км=150мВт, h_21Е=50….350. Табл.3. додатка.

Знаходимо напругу між колекторм та емітером транзистора у режимі спокою

U_ок=U_{вих. мах}+U_ост,

де U_ост – напруга між колектором та емітером, ніжче якої при роботі каскаду виникають значні нелінійності викривлення через те, що у робочу зону потрапляють ділянки характеристик транзистора зі значною кривизною.

Для малопотужних транзисторів, як правило, задають U_ост=1В. Тоді

U_ок=7,5+1=8,5В

Знаходимо потужність, що виділяється на колекторі транзистора:

Р_к= I_ок U_ок, при цьому необхідно виконання умови: Р_к< Р_{к мах}

Р_к=13,8*8,5=117<150мВт, таким чином обраний транзистор відповідає вимогам за потужністю.

Знаходимо опір навантаження у колі колектора. Виходячи із R₃= R_н,

маємо R₃= 1200Ом, Потужність, що розсіюється у резисторі:

Р= I²R, отже Р _кз = I² _окR₃=(13,8*10^-3) ²*1200=0,227Вт

За табл.2. Додатка, вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 0,25Вт з опором 1200Ом .

Знаходимо опір резистора у ланцюгу емітера

, при цьому необхідно виконувати співвідношення:

R₄/ R₃ = (0,1….0,4), що забезпечує незначне зниження динамічного діапазону каскаду і падіння напруги на R₄, яке перевищує значення контактного потенціалу р-н переходу транзистора. Отже знаходимо R₄=358Ом, а R₄/ R₃=0,3, що відповідає вищенаведеної умові.

Потужність, що розсіюється в R₄ Р ₄ = I² _окR₄ = 0,068Вт. Обираємо резистор

типу С2-33 потужністю 0,25Вт з опором 360Ом, табл.2.Додаток

Знаходимо ємність конденсатора С₃, що шунтує R₄ за умови, що його опір на частоті f_н повинен бути у 10 разів менше за опір резистора R₄:

,

Робоча напруга на С₃:

U_с3= I² _окR₄=13,8*10^-3*360=4,97В

Обираємо конденсатор типу К50-35 емністю 100мкФ на напругу 6,3В. Табл.3. Додаток.

Знаходимо величину струму спокою бази транзистора:

I_об=I_ок/h_21Емін=13,8/50=0,276мА

Оскільки у відкритому стані транзистора напруга між його базою та емітером становить близько 0,6В, то напруга спокою бази – 0,6В. і можнл знайти орієнтовне значення вхідного опору транзистора

R_вх=U_об/I_об=2170Ом

Знайдемо величини опорів резисторів дільника R₁, R₂, Дільник підімкнено до напруги

U_д=Е_к=30В.

Величина струму в дільнику вибирається у межах:

I_д=(2….5)I_об, що забезпечує незалежність задання режиму спокою транзистора при зміні його параметрів під впливом температури, при зміні на інший і т.п. I_д=5*0,276 1,38мА

Падіння напруги на резисторі R₄ складає

U₄=(I_ок+I_об)R₄ = (13.,8+0,276) 360 =5,07В.

Тоді

Обираемо R₁ =15кОм R₂=4,3кОм

Знаходимо потужність, що виділяється в резисторах R₁, R₂

Р_R1=( I_об+I_Д)²*R₁=[(0,276+1,38)*10^-3]²*15*10³=0,041Вт

Р_R2=I_д²R₂=(1,38*10^-3)²*4,3*10³=0,008Вт

Вибираємо резистори типу С2-33 потужністю 0,125Вт.

Знайдемо ємність конденсатора С₂ за умови забезпечення допустимого значення коефіцієнта частотних викривлень М_н

,

Робочу напругу С₂ приймаємо рівною U_с2=1,5Е_к

Вибираємо конденсатор типу К73-17 ємністю 0,68мкФ на напругу 250В. Табл.3. Додаток.

Знаходимо розрахункові коефіцієнти підсилення каскаду за струмом, напругою,потужністю:

Як бачимо навіть мінімальне значення коефіцієнта підсилення транзистора h_21Еmin=50. Таким чином маємо запас за підсиленням.

Електричну принципову схему розрахованого каскаду підсилення з СЕ навено

на рис.2.

Рис.2. Каскад підсилення з СЕ.

Контрольні запитання

Яким чином обираються параметри резисторів

Для чого потрібен дільник.

Які функції виконує R₄

Завдання №2

Розрахунок підсилюючих каскадів на операційних підсилювачах

Мета розрахунку

Метою даної роботи є набуття навиків розрахунку підсилюючих каскадів на ОП

Теоретичні відомості .

Для виконання розрахунку необхідно знати основні параметри і характеристики ОП, принципи побудови та дії підсилювачів на ОП, методи їх розрахунку.

Вихідні данні.

Вихідними даними для розрахунку є:

• Тип та схема підсилюючого каскаду. Це може бути інвертируючий підсилювач чи двохвходовий суматор. Схеми наведені на рис. 1а. и 1.б.

Рис.1.а, Рис.1.б.

• Величини опорів деяких резисторівсхеми каскаду .

• Напрямки протікання струмів у гілках каскаду та величини деяких із них.

• Величини деяких напруг на входах і виходах каскаду або його коефіцієнт підсилення за напругою, K_u.

• Будувати каскад пропонується на ИМС ОУ 140УД7.

• Напруга живлення 12В

Варіанти вихідних даних наведені у табл. 1. 2. Варианти обираються за номером залікової книжки, по останнім двом цифрам. Передостання цифра – це дані з табл.1. остання цифра – це дані з табл.2.

Таблиця 1.

Таблица 2.

После выбора данных необходимо определить

• Величини параметрів, позначених у табл. 1, 2. знаком Х,

• Вказати, правильно позначені на рис.1. 1.а, 1.1.б напрямки протікання струмів,

• Тип та потужність резисторів пристрою.

• Необхідно навести електричну принципову схему каскаду із поданням заданих та отриманих за результатами розрахунку номінальних значень опорів напруги і струму, напрямків протікання останні

Приклад розрахунку інвертуючого підсилювача на ОП

Вихідні дані:

R₁ = 1кОм,

R₃ = відсутнє,

R₄ = 2кОм,

U₁ = 0,15В,

U₃ = -3В

З аналізу вихідних даних видно, що це інвертурюючий підсилювач, схема, якого наведена на рис. 1.2.

Рис.1.2

Необхідно визначити

• Опір резистора R₃,

• величини струмів I₁, I₃, I₄,

• коэфіцієнт підсилення K_u,

• правильність позначених напрямків протікання струмів,

• тип и потужність резисторів каскаду

Коефіцієнт підсилення по напрузі маємо

Оскільки потенціал інвертуючого входу ОП для схеми інвертуючого підсилювача дорівнює нулю, маємо

За першим законом Кірхгофа I₃ = I₁ =0,15мА і напрямок його протікання також вказан вірно.

Очевидно, що I₄ =U₃/R₄ = -3/2=-1,5мА і напрямок його протікання є зворотним до вказаного.

Електрична принципова схема інвертуючого підсилювача з параметрами, отриманими за даними розрахунку і побудованого на ОУ 1140УД7, наведена на рис. 1.3.

Потужніст , що виділяється в резисторах підсилювача, становить

Отже

P_R1 = 1*10³ (0, 15*10^-3)² = 2, 25*10^-5Вт

P_R3 = 20*10³(0, 15*10^-3)² = 4, 5*10^-4Вт

P_R4 = 2*10³(0, 15*10^-3)² = 4, 5*10^-3Вт

Рис.1.3.

ЗА табл. 2. Додатка вибираємо резистори типу С2-33 з номінальною потужністю 0,125 Вт.

Контрольні запитання

• Поясніть різницю між інвертируючим підсилювачем та неінвертуючим.

• Чому ОП неможливо використовувати без зворотного звязку.

• Можна застосовувати ОП для підсилювання сигналів напруги змінного струму від дво-та обнополярного джерела живлення.

• Порівняйте складність розрахунку підсилюючого каскаду на ІМС ОП і на транзисторе с СЕ.

Завдання №3

Побудова комбінаційних логічних пристроїв

Мета роботи

Метою роботи є набуття навиків реалізації логічних функцій та аналізу роботи логічних комбінаціїних пристроїв.

Теоретичні положення

Для виконання роботи необхідно знати основні елементарні логічні функції та елементи, що іх реалізують, а також принципи реалізації та аналізу роботи складних комбінаційних пристроїв

Вихідні дані

Вихідними данними при реалізації комбінаційного пристрою є логична функція, що її повинен реалізувати пристрій та набір логічних елементів, на яких він повинен бути побудований.

У даній роботі необхідно побудувати комбінаційний логічний пристрій, що реалізує логічну функцію, яка має такий загальний вигляд:

y = f₁[f₂(а₁,а₂), f₃(а₃,а₄)],

де: f₁, f₂, f₃ – елементарні логічні функції (вважаємо заданими і елементи, що їх реалізують).

а₁,а₂,а₃,а₄ – логічні змінні

Варіанти вихідних даних наведені у табл. 2.1.

Варіант обираеться за номером залікової книжки. Останні цифри залікової книжки 32.

Из колонки 3 имеем

а₁ = х₁, а₂ = х₂,

_

а₃ = 0, а₄ = х₃

Из колонки 2 - f₁ = И-НЕ, f₂ = И-НЕ, f₃ = ИЛИ-НЕ.

Отже функція, яку треба реалізувати, має вигляд

________________

_______

________ ___

У = Х₁*Х₂ *(0 +Х₃)

Приклад побудови та аналізу роботи комбінаційного пристрою

Вихідні дані

• Нехай

(зверніть увагу,що змінна а₃ = 0 – є константою нуля).

• При побудові пристрою можно застосовівати двовходові логічні елементи 2І, 2АБО, І-НЕ, 2АБО-НІ и инвертора НІ.

• На входи пристрою надходят лише прямі сигнали вхідних змінних, тобто х₁, х₂, х₃ .

Необхідно:

• Побудувати схему комбінаціоного пристрою, що реалізує задану логічну

функцію

• Скласти таблицю істинності заданої функції

• Побудува часові діаграми роботи комбінаційного пристрою

Порядок виконання роботи

Спочатку спростимо запропоновану до реалізації функцію

• Оскільки а₃ = 0, то

То маємо

у = х₁* х₂ *х₃ , зрозуміло, що комбінаційний пристрій, що реалізує цю функцію,буде більш простішим, ніж той, що реалізує задану функцію.

Аналіз отриманої логіческої функції показує, що для реалізації потрібні такі логічні елементи:

Д ва інвертора для інверсії змінни х₁, х₃

Д ва элемента 2І-НІ для реализации функции у = х₁* х₂ и

f ₁= f₂* f₃

Логічна схема комбінаціїного пристрою, що реалізує функцію має вид, рис. 2.1.

Рис.2.1

Таблиця істинності логічної функції наведена у табл. 2.1

Наведеним у табл. 2.1 данним відповідають часові диаграми, зображені на рис.2.2.

Рис.2.2.

Контрольні запитання

• У чому полягає необхідність мінімізації ллогічних функцій, шо повині бути реалізовані комбінаційними пристроями.

• Яким чином проводиться мінімізація логічних функцій, коли вона складна.

• Назвить основні закони алгебри логіки..

Завдання №4

Розрахунок однофазного регулятора змінної напруги

1. Мета розрахунку.

Метою даної роботи є набуття навиків розрахунку тиристорних регуляторів змінної напруги

2. Теоретичні відомості, необхідні для виконання розрахунку

Для виконання розрахунку необхідно знати принцип дії та основні параметри тиристорів, а також принцип дії та методику розрахунку регуляторів напруги змінного струму на тиристорах .

3. Вихідні дані.

Вихідними данними для розрахунку є:

• U_п, В - діюче значення напруги мережи живлення,

• F_п, Гц - частота мережи живлення,

• R_н, Ом - опір навантаження,

• α в градусах электрических – кут керування тиристорів,

• U_с, В - напруга джерела живлення системи керування тиристорами.

Варіанти вихідних даних наведені в табл. 1.

3. Приклад розрахунку однофазного регулятора напруги

Вихідні дані.

Виконаємо розрахунок регулятора, схема якого наведена на рис. 1.

Вихідними даними є:

• U_п, = 380В - діюче значення напруги мережи живлення,

• F_п, =50Гц - частота частота мережи живлення,

• R_н, =7,5Ом - опір навантаження,

• α =45⁰ в градусах электрических – кут керування тиристорів,

• U_с, =12В - напруга джерела живлення системи керування тиристорами.

• Охолодження тиристоров повітряне природне,

• Температура оточуючого середовища 25⁰С

• Рекомендується застосувати тиристори типа Т10.

Рис.1

Необхідно визначити

• Параметри тиристора,

• Режими работы силової схеми регулятора (струм, напруги, коефіціент форми струму навантаження),

• Залежності діючої напруги на навантаженні, середнього струму тиристора та коефіціента форми струму тиристора від величини кута керування (представити графікі).

• Втрати потужності в тиристорах та ступінь їх перегріву.

4. Порядок розрахунку

Знайдемо необхідні значення параметрів тиристоров.

Амплітуда зворотної напруги на тиристорах.

где К_з – коефіціент запасу, враховує можливі перенапруги (за звичай

приймають К_з = 1,25).

Знайдемо значення середього та амплітудного струмів, що протікають через тиристор.

Для будь-якої величини кута керування величину середнього струму можно знайти за

формулой

При цьому максимальне значення струму, на яке повинен бути розрахованй тиристор, відповідає α = 0. Тоді

Выбираємо тиристори, що віповідають вимогам

U_п > U_а,, I_гр> I_а,

де U_п - допустима напруга на тиристорі, що повторяюється,

I_гр – среднеє значення допустимого граничного струму тиристора із повітрянним охлоджуванням.

Із табл. 3 додатка, обираем тиристори типа Т10 – 80 , що мають параметри:

U_п=700В>669,75В

I_г0 =25А>22,75А

Вмикаючий струм керування I_у=0,15А,

Вмикаючая напруга керування U_у=4В,

Порогова напруга U₀=1,02В,

Динамічний опір у відкритому стані R_дин.=1,7*10^-3Ом,

Встановленний тепловий опір R_т=3,4⁰С/Вт

Знаходимо середнє значення струму через тиристор при заданому значенні кута керування

З допомогою отриманих результатів будуємо залежність значень середнього струму від кута керування. Результати розрахунків зведені у табл. 4.2 и графіки на рис.4.1.

Знайдемо значення діючого струму тиристора для α=45⁰.

Користуючись формулой для струму знаходим вираз для коефіцієнта форми струму тиристора

Рис.2.

Знайдемо залежність коэфіцієнта форми струма при різних значеннях кута керування, данні зведені у табл. 3. та за її значеннями побудуємо графік рис.3.

Знаходимо діючє значення струму навантаження для кута керування α=45⁰, використовуючи результати розрахунку пп. 4.7.3.

I_н=√2*34,15=48,15А.

Знайдемо вираз для розрахунку діючого значення напруги на навантаженні залежно від куте керування .

Для α=45⁰ з урахуванням значення діючого значення струму навантаження маємо

U_н = 48,15*7,5 = 361,13В

Рис.3.

За знайденими виразами знаходимо залежність діючої напруги на навантаженні регулятора від кута регулювання. Результати зводим у табл.4., та графік на рис. 4.

Рис.4

Аналізуючи графікі рис. 4. можна дійти висновку, що наибільш эффективніше регулювання величини напруги на навантаженні тиристорного регулятора має місто при значеннях кута керування від 30⁰ до 150⁰.

Знайдемо потужність, що віддається у навантаження при заданому значені кута керування (45⁰). Математичний вираз для лінійної апроксимації робочої ділянки вольт-амперної характеристики тиристора має вигляд

u_т = U₀ + i_тR_д, де - u_т – миттєві значення напруги на тиристорі.

Тоді втрати потужності в одному тиристорі становитимуть

Втратами потужності у ланцюгах керування нехтуємо.

Перегрів тиристора при заданому куті керування .

Таким чином, наибольша температура тиристора при куті керування

Т_max=T_c + ΔT=25+74,05=99,05⁰C<T_max.доп.=140⁰С,

де Т_с – температура оточуючого середовища.

T_max.доп - максимально допустима температура нагріву кремнієвої

напівпровідникової структури.

Знаходимо величину опору додаткового резистора у лагцюгу керування тиристора .

Вибираємо найблище стандартне значення -51Ом. Потужність, що розсіюється у цьому резисторі Р_доб=R_добI²_упр=51*0,15²1,15Вт.

Із табл. 2 додаток вибираємо резистор типу С2-33 потужністю 2Вт.

Єлектична схема розробленого регулятора наведена на рис. 4.4

І

Рис.4.4.

Контрольні запитання

• Поясніть, для чого призначені тиристорні регулятори напруги змінного струму та яка їх класифікація.

• Поясніть залежність графіків струму та напруги від кута керування.

• Чим визначаються втрати потужності у відкритому тиристорі.

• Поясніть, для чого у коло керування тиристора вводиться додатковий резисто

Завдання № 5

РОЗРАХУНОК ОДНОФАЗНОГО ВИПРЯМПЯЧА МАЛОЇ ПОТУЖНОСТІ