KOLEGIUM KARKONOSKIE

w Jeleniej Górze

Układy Elektroniczne

- projekt nr 152

Prowadzący:

mgr inż. Bogdan Adamiak

Opracował:

Waszkiewicz Marcin

Nr albumu 11318

Grupa 1

Tygodnie nieparzyste

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)= 4mA

   R_g= 8 kΩ

   R_L= 15 kΩ

   Fd= 100 Hz

   Fg = 30 kHz

   U_WY=4V

Poniżej został umieszczony schemat badanego wzmacniacza.

Schemat dla prądów AC:

Rysunek 2Uproszczony schemat dla prądu zmiennego

Schemat dla prądów DC:

Rysunek 3Uproszczony schemat dla prądu stałego.

$$U_{m} = U_{\text{wy}} \bullet \sqrt{2} = 4 \bullet \sqrt{2} = 5,7\ V$$

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

$$R_{\text{obc}} = \frac{5,7V}{4mA} = 1,425k\mathrm{\Omega}$$

$$R_{3} = \frac{1}{\frac{1}{R_{\text{obc}}} - \frac{1}{R_{L}}} = \frac{1}{\frac{1}{1,425k} - \frac{1}{15k}} = \frac{1}{\frac{15}{21,375} - \frac{1,425}{21,375}} = \frac{1}{\frac{13,575}{21,375}} = 1,58k\mathrm{\Omega} \approx 1,6k\mathrm{\Omega}$$

U_R3 = R₃ • I_c = 1, 6kΩ • 4mA = 6, 4V

V1 = E_cc = U_R3 + U_CE + U_R4

Analiza graficzna pracy.

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

Obliczenia wartości elementów.

Wyznaczanie Bety i IB

Rysunek 4Schemat dla Bety

Wartości podane:

Ic = 4 [mA]

Uce =7,7 [V]

Rysunek 5Charakterystyka do odczytu bety

Ilość linii 17 każda po 1µA

$$\beta = \frac{I_{C1}}{I_{B1}} = \frac{4032,1\mu A}{17\mu A} = 237,2$$

$$I_{B} = \frac{4000\mu A}{237,2\mu A} = 16,86\mu A$$

$$increment = \frac{I_{B}}{ilosc\ lini} = \frac{16,86}{17} = 0,99$$

Wyznaczanie U_BE

Rysunek 6Schemat do obliczania U_BE

Rysunek 7Charakterystyka dla U_BE

Z wykresu odczytałem, że dla I_B równego 16,86 µA wartość U_BE wynosi 760 mV

U_RE = 2 ÷ 4U_BE = 3 • U_BE = 3 • 760 mA = 2280mV = 2, 228V = U_R4

E_cc = U_R3 + U_CE + U_R4 = 6, 4V + 7, 7V + 2, 228V = 16, 328  ≈ 17V

Obliczanie spadków napięć i wartości rezystorów

I_E = I_C + I_B = 4 mA + 16, 86 uA ≈ I_C

I_d = 5 ÷ 20I_B

I_d = 10I_B = 168, 6μA

$$R_{4} = \frac{U_{R4}}{I_{R4}} = \frac{E_{\text{CC}} - U_{R3} - U_{\text{CE}}}{I_{E}} = \frac{17V - 6,4V - 7,7V}{4mA} = \frac{2,9V}{4mA} = \frac{2,9V}{0,004A} = 725\mathrm{\Omega} = 750\ \mathrm{\Omega}$$

$$R_{3} = \frac{1}{\frac{1}{R_{\text{obc}}} - \frac{1}{R_{L}}} = \frac{1}{\frac{1}{1,425k} - \frac{1}{15k}} = \frac{1}{\frac{15}{21,375} - \frac{1,425}{21,375}} = \frac{1}{\frac{13,575}{21,375}} = 1,58k\mathrm{\Omega}$$

$$R_{2} = \frac{U_{R2}}{I_{R2}} = \frac{U_{R4} + U_{\text{BE}}}{I_{d} - I_{B}} = \frac{I_{C} \bullet R_{4} + U_{\text{BE}}}{I_{d} - I_{B}} = \frac{4mA \bullet 750\mathrm{\Omega} + 760mV}{168,6\mu A - 16,86\mu A} = \frac{3V + 0,760V}{151,74\mu A} = \frac{3,760}{0,00015174} = 24779,22763 = 25k\mathrm{\Omega}$$

$$R_{1} = \frac{U_{R1}}{I_{R1}} = \frac{E_{\text{CC}} - U_{R4} - U_{\text{BE}}}{I_{d}} = \frac{17V - 3,280V - 760mV}{168,6\mu A} = \frac{12,96V}{0,0001689A} = 76k\mathrm{\Omega}$$

wartości rezystorów:

R₁ = 76 [kΩ]≈82[kΩ]

R₂ = 25 [kΩ]≈27[kΩ]

R₃ = 1,58[kΩ]≈1,6[kΩ]

R₄ = 0,725[kΩ]≈0,750[kΩ]

Sprawdzenie wartości w programie PSpice

Rysunek 8Schemat dla prądu stałego z wartościami prądu i napięcia

Rysunek 9Schemat dla odczytu Ic

Rysunek 10Wartosci wszystkich elementów wygenerowane przez PSpice

$$Sprawdzam\ przedzial\ I_{C} \rightarrow \left( \frac{I_{C}z\ pspice - I_{C}}{I_{C}} \right) \bullet 100\% = \left( \frac{4,11 - 4}{4} \right) \bullet 100\% = 2,75\%$$

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	4 mA	16,86uA	237,2
Wygenerowane	4,11 mA	17,4 uA	237

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.

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 = 30 kHz

Rl=15 kΩ

Rg=8 kΩ

R₁ = 76 [kΩ]≈82[kΩ]

R₂ = 25 [kΩ]≈27[kΩ]

R₃ = 1,58[kΩ]≈1,6[kΩ]

R₄ = 0,725[kΩ]≈0,750[kΩ]

E_CC=17V

Rysunek 11Schemat do odczytu gm

$$g_{m} = \frac{I_{c}}{\text{φt}} = \frac{4mA}{26mV} = 159mS$$

gm=158mS	Rg=8kΩ	R1=82kΩ	Ecc=17V
RPI=Rb’e=1,51kΩ	fd=100Hz	R2=27kΩ
RX=Rbb’=10Ω	fg=30kHz	R3=1,6kΩ
RO=Rce=29,7kΩ	RL=15kΩ	R4=0,750kΩ

$$R = R_{g} + \frac{1}{\frac{1}{R_{1}} + \frac{1}{R_{2}} + \frac{1}{R_{b'e}}} = 8k\mathrm{\Omega} + \frac{1}{\frac{1}{75000\mathrm{\Omega}} + \frac{1}{27000\mathrm{\Omega}} + \frac{1}{1510\mathrm{\Omega}}} = 8k\mathrm{\Omega} + 1403,309014\mathrm{\Omega} = 8k\mathrm{\Omega} + 1,4k\mathrm{\Omega} = 9,4k\mathrm{\Omega}$$

R – rezystancja widziana z zacisków kondensatora

Rysunek 12Charakterystyka Amplitudowa

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

$$C_{1} = \frac{1}{2\pi Rfd \bullet 0,1} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 9400 \bullet 100 \bullet 0,1} = \frac{1}{590320} = 1,693\mu F \approx 2,2\ \mu F$$

$$C_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi fd} = \frac{158}{2 \bullet 3,14 \bullet 100} = \frac{0,158}{628} = 251,592\mu F \approx 220\mu F$$

$$\text{fd}_{1} = \frac{1}{2\pi R \bullet C_{1}} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 9400 \bullet 0,0000022} = \frac{1}{0,1298704}$$

=7, 699984Hz

$$\text{fd}_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi C_{2}} = \frac{0,158}{2 \bullet 3,14 \bullet 0,000220} = \frac{0,158}{0,0013816}$$

=114, 360162Hz

$$fd = \sqrt{\text{fd}_{1}^{2} + \text{fd}_{2}^{2}} = \sqrt{7,699984\hat{}2 + 114,360162\hat{}2} = 114,619093Hz$$

$$C_{1} = \frac{1}{2\pi Rfd \bullet 0,1} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 9400 \bullet 100 \bullet 0,1} = \frac{1}{590320} = 1,693\mu F \approx 2,2\ \mu F$$

$$C_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi fd} = \frac{158}{2 \bullet 3,14 \bullet 100} = \frac{0,158}{628} = 251,592\mu F \approx 330\mu F$$

$$\text{fd}_{1} = \frac{1}{2\pi R \bullet C_{1}} = \frac{1}{2 \bullet 3,14 \bullet 9400 \bullet 0,0000022} = \frac{1}{0,1298704}$$

=7, 699984Hz

$$\text{fd}_{2} = \frac{g_{m}}{2\pi C_{2}} = \frac{0,158}{2 \bullet 3,14 \bullet 0,000330} = \frac{0,158}{0,0020724}$$

=76, 240108Hz

$$fd = \sqrt{\text{fd}_{1}^{2} + \text{fd}_{2}^{2}} = \sqrt{7,699984\hat{}2 + 76,240108\hat{}2} = 76,627957Hz$$

Ze względu na to że f_d jest najbliżej 100Hz dla C2 = 220µF to do dalszej pracy przyjmuję właśnie ten kondensator

Obliczenie K_U

Rysunek 13Schemat do odczytu Ku

Rysunek 14Charakterystyka Ku

$$K_{U} = \frac{U_{\text{wy}}}{U_{\text{wej}}} = 216,800$$

K_U(f) = K_U • 0, 707 = 216, 800 • 0, 707 = 153, 2776

f_d = 158, 700Hz

f_g = 9.820MHz

Obliczenie K_Usk

Rysunek 15Schemat do odczytu KUsk

Rysunek 16Charakterystyka do odczytu KUsk

$$K_{\text{Usk}} = \frac{U_{\text{wyj}}}{U_{zrodla}} = 32,561$$

K_Usk(f) = K_Usk • 0, 707 = 32, 561 • 0, 707 = 23, 020627

f_d = 29, 347Hz

f_g = 123.533kHz

K_Umax = 32, 561

Wartość f_d=29,347 jest za mała dlatego zmniejszam pojemność kondensatora aby uzyskać wartość f_d jak najbliższą 100Hz

Rysunek 17Schemat do odczytu KUsk

Rysunek 18Charakterystyka do odczytu KUsk

K_Usk = 32, 560

K_Usk(f) = K_Usk • 0, 707 = 32, 560 • 0, 707 = 23, 01992

f_d = 116, 148Hz

f_g = 123.614kHz

Ku_max = 32, 560

Ponieważ dla kondensatora C2=47μF f_d dla K_Usk jest najbliższe 100 dlatego właśnie przyjmuje ten kondensator.

Pomiar rezystancji wejściowej wzmacniacza

Rysunek 19Schemat do odczytu Rwe

Rysunek 20Charakterystyka Rwe

$$R_{\text{we}} = \frac{U_{\text{wej}}}{I_{\text{wej}}} = 1,6210k\mathrm{\Omega} \approx 1,6k\mathrm{\Omega}$$

Pomiar rezystancji wyjściowej wzmacniacza

Rysunek 21Schemat do odczytu Rwy

Rysunek 22Charakterystyka Rwy

$$R_{\text{wy}} = \frac{U_{zrodla}}{I_{zrodla}} = 1,5260k\mathrm{\Omega} \approx 1,5k\mathrm{\Omega}$$

Pomiar skutecznego wzmocnienia prądowego K_Isk

Rysunek 23Schemat do odczytu KIsk

Rysunek 24Charakterystyka KIsk

$$K_{\text{iskut}} = \frac{I_{\text{wy}}}{I_{zrodla}} = 17,365$$

Pomiar wzmocnienia prądowego K_I

Rysunek 25Schemat do odczytu KI

Rysunek 26Charakterystyka KI

$$K_{I} = \frac{I_{\text{wy}}}{I_{\text{wej}}} = 20,434$$

Pomiar wzmocnienia mocy K_p

Rysunek 27Schemat do odczytu Kp

Rysunek 28Charakterystyka Kp

$$K_{p} = \frac{P_{\text{wy}}}{P_{\text{wej}}} = \frac{U_{\text{wy}} \bullet I_{\text{wy}}}{U_{\text{wej}} \bullet I_{\text{wej}}} = 4,4082k$$

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 dobierałem według szeregów rezystorowych E24, a wartości kondensatorów z szeregu E6

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 .

Spis literatury wykorzystanej w projekcie

- „ Projektowanie układów elektronicznych cz. 1 ” Józef Stanclik

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

Spis Ilustracji

Rysunek 1Schemat ideowy wzmacniacza 4

Rysunek 2Uproszczony schemat dla prądu zmiennego 5

Rysunek 3Uproszczony schemat dla prądu stałego. 5

Rysunek 4Schemat dla Bety 7

Rysunek 5Charakterystyka do odczytu bety 7

Rysunek 6Schemat do obliczania U_BE 8

Rysunek 7Charakterystyka dla U_BE 8

Rysunek 8Schemat dla prądu stałego z wartościami prądu i napięcia 10

Rysunek 9Schemat dla odczytu Ic 11

Rysunek 10Wartosci wszystkich elementów wygenerowane przez PSpice 11

Rysunek 11Schemat do odczytu gm 13

Rysunek 12Charakterystyka Amplitudowa 14

Rysunek 13Schemat do odczytu Ku 16

Rysunek 14Charakterystyka Ku 16

Rysunek 15Schemat do odczytu KUsk 17

Rysunek 16Charakterystyka do odczytu KUsk 17

Rysunek 17Schemat do odczytu KUsk 18

Rysunek 18Charakterystyka do odczytu KUsk 18

Rysunek 19Schemat do odczytu Rwe 19

Rysunek 20Charakterystyka Rwe 19

Rysunek 21Schemat do odczytu Rwy 20

Rysunek 22Charakterystyka Rwy 20

Rysunek 23Schemat do odczytu KIsk 21

Rysunek 24Charakterystyka KIsk 21

Rysunek 25Schemat do odczytu KI 22

Rysunek 26Charakterystyka KI 22

Rysunek 27Schemat do odczytu Kp 23

Rysunek 28Charakterystyka Kp 23