KOLEGIUM KARKONOSKIE

w Jeleniej Górze

Układy Elektroniczne

- projekt nr

Prowadzący:

mgr inż. Bogdan Adamiak

Opracował:

Nr albumu

Jelenia Góra 2008

Projekt z elementów i układów elektronicznych

Jako tranzystor zastosować tranzystor 2N2907A parametry graniczne tranzystora są zamieszczone w dodatku – wydruk pliku PDF. Charakterystyki statyczne tranzystorów należy wygenerować za pomocą symulacji komputerowej przy zastosowaniu programu PSPICE STUDENT

Temat projektu 1

1. Zaprojektować obwody zasilania i stabilizacji punktu pracy tranzystorów w układzie wzmacniacza ( obliczyć wartości rezystorów i SEM baterii zasilających ), potencjał kolektora tranzystora Q1 = 0V .

2. Dopuszczalna odchyłka prądów Ic ±5%

3. Ocenić zmiany punktów pracy tranzystorów pod wpływem zmian temperatury od T_min=15°C do T_max=45°C

Temat projektu 2

Przeprowadzić symulację komputerową przy zastosowaniu programu SPICE STUDENT

1. Sprawdzić punkty pracy tranzystorów

2. Ocenić wpływ temperatury na punkty pracy tranzystorów

3. Zmierzyć parametry małosygnałowe Rwe, Rwy, Ku, Kusk, Ki, Kisk, Kp

4. Przy zastosowaniu transformaty Fouriera wyznaczyć charakterystykę zawartości harmonicznych w funkcji h=f_(Uwe)

Wymagania dotyczące zawartości i formy projektu.

1. Projekt należy oprawić.

2. Strona tytułowa z nr. projektu, imię i nazwisko autora, grupa i termin zajęć.

3. Dane projektu ze schematem ideowym.

4. Wstęp.

5. Część zasadnicza projektu.

• schemat uproszczony dla prądu stałego (oznaczenia elementów, napięć, prądów),

• schemat uproszczony dla składowych zmiennych, analiza graficzna stopnia wyjściowego,

• obliczenie wartości elementów: napięcie E_CC, rezystory (wartości zgodne z szeregami E12 lub E24,

• sprawdzenie warunków stałoprądowych ,

• ocena stałości temperaturowej punktów pracy,

( obliczenia powinny być kompletne z podaniem danych, zależności, wyników, odpowiednich rysunków, tablic i wykresów).

1. Podsumowanie ( zestawienie i ocena uzyskanych wyników, porównanie z zadanymi wyjaśnienie przyczyn ewentualnych niezgodności ).

2. Załączniki (materiały uzupełniające, parametry i charakterystyki tranzystorów, dodatkowe obliczenia, wyprowadzenie dodatkowych wzorów).

3. Spis literatury (cytowanej w tekście).

Część zasadnicza projektu.

1. Parametry tranzystora

   W układzie zastosowano tranzystor Q2N2907A o parametrach:

   P_Cmax (T=25^O C) = 600mW

   I_Cmax= 800mA

   V_CB0= 60V

   V_CE0= 60V

   V_BE0= 5V

   V_CEsat= 0.4V

2. Wartości zadane

   Indywidualny numer projektu: 152

   I_C1(T1)= 5,5mA

   R_g= 8 kΩ

   R_L= 25 kΩ

   Fd= 100 Hz

   Fg = 50 kHz

   U_WY=2V

Poniżej został umieszczony schemat badanego wzmacniacza.

Rys Schemat ideowy wzmacniacza

Schemat dla prądów AC:

Rys. Schemat uproszczony dla prądu zmiennego

Schemat dla prądów DC:

Rys. Schemat uproszczony dla prądu stałego.

Analiza graficzna pracy.

I_C [mA]

I_C= 4mA

U_CE [V]

U_CESAT βT 7,7 V

$$U_{m} = U_{\text{wy}} \bullet \sqrt{2} = 2 \bullet \sqrt{2} = 2,83\ V$$

$$R_{\text{obc}} = \frac{R_{3} \bullet R_{L}}{R_{3} + R_{L}} = \frac{U_{m}}{I_{C}}$$

$$R_{\text{obc}} = \frac{2,8V}{5,5mA} = 509\mathrm{\Omega}$$

$$R_{3} = \frac{1}{\frac{1}{R_{\text{obc}}} - \frac{1}{R_{L}}} = \frac{1}{\frac{1}{509} - \frac{1}{25k}} = 519,57\mathrm{\Omega} = 520\mathrm{\Omega}$$

U_R3 = R₃ • I_c = 560Ω • 5, 5mA = 3V

V1 = E_cc = U_R3 + U_CE + U_R4

Za U_CESAT przyjmuje 1 [V], za βT przyjmuje wartość 1 [V].

1. Obliczenia wartości elementów.

   1. Wyznaczanie Bety i I_B

Rys. Schemat do wyznaczenia bety.

Wartości podane:

Ic = 5,5 [mA]

Uce =4,83 [V]

Ilość linii 17 każda po 1µA

$$\beta = \frac{I_{C1}}{I_{B1}} = \frac{5574,7\mu A}{24\mu A} = 232$$

$$I_{B} = \frac{5500\mu A}{232\mu A} = 23,7\mu A$$

$$increment = \frac{I_{B}}{ilosc\ lini} = \frac{23,7}{24} = 0,9875 \approx 0,99$$

1. Wyznaczanie U_BE

Rys. Schemat na obliczanie wartości U_BE

Z wykresu odczytałem, że dla I_B równego 23,7 µA wartość U_BE wynosi 769,287 mV

U_RE = 2 ÷ 4U_BE = 3 • U_BE = 2, 307V = U_R4

E_cc = U_R3 + U_CE + U_R4 = 3V + 4, 83V + 2, 307V = 10, 137V  ≈ 10V

1. Obliczanie spadków napięć i wartości rezystorów

I_E = I_C + I_B = 5, 5 mA + 24 uA ≈ I_C

I_d = 5 ÷ 20I_B

I_d = 10I_B = 237μA

$$R_{4} = \frac{U_{R4}}{I_{R4}} = \frac{E_{\text{CC}} - U_{R3} - U_{\text{CE}}}{I_{E}} = \frac{10V - 3V - 4,83V}{5,5mA} = \frac{2,17V}{5,5mA} = \mathrm{\Omega} = 350\mathrm{\Omega}$$

$$R_{3} = \frac{1}{\frac{1}{R_{\text{obc}}} - \frac{1}{R_{L}}} = \frac{1}{\frac{1}{509} - \frac{1}{25k}} = 519,57\mathrm{\Omega} = 520\mathrm{\Omega}$$

$$R_{2} = \frac{U_{R2}}{I_{R2}} = \frac{U_{R4} + U_{\text{BE}}}{I_{d} - I_{B}} = \frac{I_{C} \bullet R_{4} + U_{\text{BE}}}{I_{d} - I_{B}} = \frac{5,5mA \bullet 350\mathrm{\Omega} + 769,287mV}{237\mu A - 23,7\mu A} = 12631,47 = 12k\mathrm{\Omega}$$

$$R_{1} = \frac{U_{R1}}{I_{R1}} = \frac{E_{\text{CC}} - U_{R4} - U_{\text{BE}}}{I_{d}} = \frac{10V - 2,307V - 769,287mV}{237\mu A} = \frac{7,922713V}{0,000237A} = 29k\mathrm{\Omega}$$

wartości rezystorów:

R₁ = 29 [kΩ]≈30[kΩ]

R₂ = 12 [kΩ]≈13[kΩ]

R₃ = 0,520[kΩ]≈0,560[kΩ]

R₄ = 0,350[kΩ]≈0,360[kΩ]

$$Sprawdzam\ przedzial\ I_{C} \rightarrow \left( \frac{I_{C}z\ pspice - I_{C}}{I_{C}} \right) \bullet 100\% = \left( \frac{5,63 - 5,5}{5,5} \right) \bullet 100\% = 2,26\%$$

Na powyższym rysunku zostały wygenerowane w pliku wyjściowych przez program PSPICE, wartości uzyskane w oparciu o wpisane wartości rezystorów i napięcia Ecc.

Za pomocą tej tabeli, można sprawdzić czy obliczone wartości są prawidłowe czy nie.

Wygenerowana wartość Ic mieści się w dozwolonej granicy 5% odchyłki. Otrzymane wartości, są zbliżone do obliczonych. Pomiaru dokonano dla temperatury 27 stopni.

	Ic	Ib	Beta
Obliczone	5,5 mA	23,7uA	232
Wygenerowane	5,63 mA	24,2 uA	232

1. Wpływ temperatury na zmiany punktu pracy

Zakres zmian temperatury wynosił 15, 30 oraz 45 stopni.

Poniżej zostały przedstawiony wyniki zmiany temperatury na punkty pracy.

15 stopni 30 stopni 45 stopni

Z powyższych wyników widać, że zmiana temperatury znacząco wpływa na zmianę punktów pracy tranzystora Q2N2907A. Z tego powodu należy zapewnić odpowiednie chłodzenie dla badanego tranzystora, w przeciwnym wypadku można się liczyć z pewnymi niedokładnościami pracy powyższego wzmacniacza.

1. Obliczanie wartości kondensatorów

W oparciu o obliczone wartości rezystancji wejściowej i wyjściowej w dalszej części pracy wykonałem poniższe obliczenia kondensatorów.

F_d = 100Hz

F_g = 50 kHz

Rl=25 kΩ

Rg=8 kΩ

R₁ = 30[kΩ]

R₂ = 13[kΩ]

R₃ = 0,560[kΩ]

R₄ =0,360[kΩ]

E_CC=10V

$$g_{m} = \frac{I_{c}}{\text{φt}} = \frac{5,5mA}{26mV} = 211mS$$

gm=216mS	Rg=8kΩ	R1=30kΩ	Ecc=10V
RPI=Rb’e=1,08kΩ	fd=100Hz	R2=22kΩ
RX=Rbb’=10Ω	fg=30kHz	R3=0,560kΩ
RO=Rce=21,3kΩ	RL=25kΩ	R4=0,620kΩ

$$R = R_{g} + \frac{1}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{b'e}}} = 8k\mathrm{\Omega} + \frac{1}{\frac{1}{30000\mathrm{\Omega}} + \frac{1}{13000\mathrm{\Omega}} + \frac{1}{1080\mathrm{\Omega}}}8k\mathrm{\Omega} + 965\mathrm{\Omega} = 8,965k\mathrm{\Omega}$$

$$C = \frac{1}{2\pi Rfd \bullet 0,1}$$

$$C_{1} = \frac{1}{2\pi Rfd \bullet 0,1} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 8965 \bullet 100 \bullet 0,1} = \frac{1}{563002} = 1,776\mu F \approx 2,2\ \mu F$$

$$C_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi fd} = \frac{216}{2 \bullet 3,14 \bullet 100} = \frac{0,216}{628} = 343,949\mu F \approx 330\mu F$$

$$\text{fd}_{1} = \frac{1}{2\pi R \bullet C_{1}} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 8965 \bullet 0,0000022} = \frac{1}{0,12386044}$$

=8, 07Hz

$$\text{fd}_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi C_{2}} = \frac{0,216}{2 \bullet 3,14 \bullet 0,000330} = \frac{0,216}{0,0020724}$$

=104, 23Hz

$$fd = \sqrt{\text{fd}_{1}^{2} + \text{fd}_{2}^{2}} = \sqrt{8,07\hat{}2 + 104,23\hat{}2} = 104,5419Hz$$

$$C_{1} = \frac{1}{2\pi Rfd \bullet 0,1} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 8965 \bullet 100 \bullet 0,1} = \frac{1}{563002} = 1,776\mu F \approx 2,2\ \mu F$$

$$C_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi fd} = \frac{216}{2 \bullet 3,14 \bullet 100} = \frac{0,216}{628} = 251,592343,949\mu F \approx 470\mu F$$

$$\text{fd}_{1} = \frac{1}{2\pi R \bullet C_{1}} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 8965 \bullet 0,0000022} = \frac{1}{0,12386044}$$

=8, 07Hz

$$\text{fd}_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi C_{2}} = \frac{0,216}{2 \bullet 3,14 \bullet 0,000470} = \frac{0,216}{0,0029516}$$

=73, 18Hz

$$fd = \sqrt{\text{fd}_{1}^{2} + \text{fd}_{2}^{2}} = \sqrt{8,07\hat{}2 + 73,18\hat{}2} = 73,62Hz$$

Ze względu na to że dla C2= 330uF fd jest najbliższe 100 to dlatego przyjmuję ten kondensator

1. Obliczenie K_U

$$K_{U} = \frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{wej}}} = 114,426$$

f_d = 170, 848Hz

f_g = 10MHz

1. Obliczenie K_Usk

Schemat do odczytywania KUsk

Charakterystyka do odczytu K_Usk

$$K_{\text{Usk}} = \frac{U_{\text{wyj}}}{U_{zrodla}} = 12,423$$

f_d = 26, 813Hz

f_g = 231.533205kHz

K_Umax = 12, 423

K_Usk = 12, 422

f_d = 110, 458Hz

f_g = 231.282kHz

Ku_max = 32, 560

1.7 Pomiar rezystancji wejściowej wzmacniacza :

Schemat do odczytu R_we

Charakterystyka R_we

$$R_{w} = \frac{U_{\text{wej}}}{I_{\text{wej}}} = 1,1169k\mathrm{\Omega} \approx 1,1k\mathrm{\Omega}$$

1.8 Pomiar rezystancji wyjściowej wzmacniacza

Schemat do odczytu R_wy

Charakterystyka R_wy

$$R_{\text{wy}} = \frac{U_{zrodla}}{I_{zrodla}} = 545,998\mathrm{\Omega}$$

1.9 Pomiar skutecznego wzmocnienia prądowego KIsk

Schemat do odczytu K_Iskuteczne

Charakterystyka K_Iskuteczne

$$K_{\text{iskut}} = \frac{I_{\text{wy}}}{I_{zrodla}} = 3,9751$$

1.10 Pomiar wzmocnienia prądowego KI

Schemat do odczytu K_I

Charakterystyka K_I

$$K_{I} = \frac{I_{\text{wy}}}{I_{\text{wej}}} = 4,4591$$

1.11 Pomiar wzmocnienia mocy Kp

Schemat do odczytu K_p

Charakterystyka K_p

$$K_{p} = \frac{P_{\text{wy}}}{P_{\text{wej}}} = \frac{U_{\text{wy}} \bullet I_{\text{wy}}}{U_{\text{wej}} \bullet I_{\text{wej}}} = 508,998$$

2. Podsumowanie wykonanego projektu

Wykonałem projekt z przedmiotu Elementy i układy elektroniczne o temacie „Zaprojektować obwody zasilania i stabilizacji punktu pracy tranzystorów w układzie wzmacniacza” .

Jako tranzystor miałem zastosować tranzystor 2N2907A ,

Projekt ten miał za zadanie pokazać jaką zdobyłem wiedzę , na zajęciach projektowych , potrzebną do obliczenia elementów wzmacniacza.

Musieliśmy wykazać się znajomością obsługi programu PSpice , oraz wygenerować za pomocą symulacji komputerowej charakterystyki statyczne tranzystora .

Wartości rezystorów i kondensatorów dobierałem według szeregów rezystorowych E24.

Wszystkie pomiary zostały wykonane w temperaturze 27 stopni Celsjusza .

Po wyliczeniu wszystkich wartości elementów wzmacniacza wygenerowałem plik wyjściowy w programie PSpice . Wartość prądu kolektora IC wyniosła 4,12 mA , a zadana w projekcie wynosiła 4 mA .Czyli różnią się od siebie wartością 0,12 mA , co stanowi ok. 3 % błędu.

Musiałem też zbadać wpływ temperatury na pracę układu. Zakres temperatury wynosił od 15, 30, 45 stopni Celsjusza .

Z otrzymanych plików wyjściowych wynika , że zmiana temperatury ma duży wpływ na punkt pracy tranzystora . Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia , prąd IC i RPI rośnie , natomiast IB , Ro maleją . Jest to zjawisko niekorzystne . Dlatego powinno się stosować radiatory do odprowadzenia ciepła z tranzystorów , albo wzmacniacz powinien znajdować się w pomieszczeniu klimatyzowanym .Co miało by na celu utrzymanie stałej temperatury otoczenia wzmacniacza .

3. Spis literatury wykorzystanej w projekcie

- „ Projektowanie układów elektronicznych cz. 1 ” Józef Stanclik

- „Elementy i układy elektroniczne .Projekt i Laboratorium ” Andrzej Filipkowski