Усилитель мощности

Усилитель мощности

Введение

Во многих областях современной науки и техники часто встречается необходимость усиления электрических сигналов различных видов с сохранением их формы. Устройства, предназначенные для этой цели, называют усилителями.

Усилители имеют широкое и разностороннее применение: в радиосвязи и радиовещании, телевидении, звуковом кино, устройствах записи и воспроизведения звука, дальней проводной связи, измерительной аппаратуре, а также в телемеханике, автоматике, электронно-вычислительных машинах, аппаратуре исследования космического пространства и т.д. Электронные сигналы усиливаются с помощью специальных приборов - усилительных элементов, которые получают электрическую энергию от источника питания и преобразует её в энергию усиливаемых сигналов, т.е. обладают управляющими свойствами.

Управляющий источник энергии, от которого усиливаемые сигналы поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти сигналы вводят, - входной цепью или входом усилителя. Устройство являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь, к которой подключают нагрузку, - выходной цепью или выходом усилителя.

Источник управляемой энергии, преобразуемый усилителем в энергию усиливаемых сигналов, называют источником питания усилителя или основным источником питания. Кроме основного усилитель иногда имеет вспомогательные источники питания, энергия которых не преобразуется в усиливаемые сигналы, а используется для приведения усилительных элементов в рабочее состояние (например, источник питания цепей накала электронных ламп, источник напряжения смещения и т.д.).

Усиление, даваемое одним усилительным элементом, для практических целей оказывается обычно недостаточным; в усилителе используют несколько усилительных элементов, включённых таким образом, что усиленные первым элементом сигналы подводятся ко второму, усиленные вторым - к третьему и т.д. При этом один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы связи называют усилительным каскадом, или просто каскадом; большинство современных усилителей является многокаскадными.

Усилители классифицируют по различным признакам: характеру усиливаемых сигналов, полосе усиливаемых частот, назначению усилителя и роду используемых усилительных элементов. Усилители переменного тока усиливают лишь переменные составляющие сигнала в полосе частот от нижней рабочей частоты fн до верхней рабочей частоты fв; к этой группе относятся большинство существующих усилителей.

Усилители с транзисторами и электронными лампами называют электронными, так как принцип действия используемых в них усилительных элементов основан на электронных процессах, происходящих в полупроводнике и вакууме. Транзисторы и электронные лампы являются наиболее совершенными и универсальными усилительными элементами; они дают большое усиление в широкой полосе частот, имеют простые схемы включения, большой срок службы, не требуют какой-либо настройки и наладки в эксплуатации. По этим причинам транзисторные и ламповые усилители являются наиболее распространенными и широко применяемыми, несмотря на сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Если говорить об основных параметрах электронных усилителей, то свойства усилителей во многом определяют область их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры. К ним кроме коэффициента усиления относятся чувствительность, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений и некоторые другие.

Выходной является мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку. Различают номинальную и максимальную выходную мощность. Номинальной называют такую наибольшую выходную мощность, при которой искажения усиливаемого сигнала не превышают некоторого оговорённого заранее значения (обычно 3-5%). С возрастанием выходной мощности увеличиваются и искажения усиливаемого сигнала. Наибольшую мощность, которую можно получить от усилителя при уровне искажений до 10%, называют максимальной. Максимальная выходная мощность может в 2-10 раз превышает номинальную.

Чувствительностью усилителя называют напряжение низкочастотного сигнала в милливольтах или микровольтах, подаваемого на его вход, при котором усилитель отдаёт в нагрузку номинальную мощность. Чем меньше это входное напряжение, тем выше чувствительность.

Диапазон усиливаемых частот - это область рабочих частот усилителя, в границах которой его коэффициент усиления изменится в пределах, заданных техническими условиями. Диапазон частот, в пределах которого коэффициент усиления не более, чем в 0,7 раз от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя. Входное сопротивление - характеризует внутреннее сопротивление усилителя переменному току. От правильного выбора входного и выходного сопротивления во многом зависит входная и выходная мощность усилителя, и работа всего устройства. Коэффициент нелинейных искажений, называемый иногда коэффициентом гармоник, отображает уровень нелинейных искажений усилителя. Усилитель не является линейным элементом, поэтому при поступлении на его вход гармонического сигнала, изменяющегося с частотой f1, в выходном сигнале возникнут дополнительные составляющие с частотами f2=2f1, f3=3f1 и т.д. Для наглядного изображения устройства усилителя воспользуемся структурной электрической схемой:

Рис. 1 - Структурная электрическая схема усилителя

На этой схеме изображены основные узлы усилителя: предварительный усилитель, усилитель мощности, источник питания, состоящий из трансформатора, выпрямителя, фильтра, и стабилизатора.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов предварительного усиления, назначением которых является усиление напряжения, тока или мощности сигнала до величины, необходимой для подачи на вход усилителя мощности. Основное требование, предъявляемое к каждому каскаду предварительного усиления, заключается в получении возможно большего напряжения, тока или мощности сигнала, так при этом число каскадов будет наименьшим, а усилитель - наиболее простым и дешёвым.

Питание усилительных схем может осуществляться от различных источников, но основным из них является выпрямитель и стабилизатором напряжения совместно с фильтром, который уменьшает коэффициент пульсаций.

В зависимости от положения точки покоя на статических ВАХ активных приборов УМ делятся на классы. Количественной характеристикой класса усилителя служит угол отсечки Qотс - выраженная в градусах половина длительности той части периода усиливаемого сигнала, в течение которой через активный прибор протекает ток.

В режиме класса А точка покоя выбирается таким образом, чтобы рабочая точка при движении по линии не попадала в области отсечки коллекторного тока и насыщения, а транзистор в течение всего периода усиливаемых сигналов остается в активном режиме.

Для класса А угол Qотс =1800, т.к. ток через транзистор при определенном уровне амплитуд входных сигналов протекает в течение всего периода сигнала.

Достоинством класса А является низкое значение коэффициента гармоник по сравнению с остальными классами, причём чем меньше амплитуды сигналов по сравнению с током покоя и, соответственно, меньше КПД, тем меньше искажения сигнала. Из-за низких энергетических параметров усилители мощности класса А находят применение в качестве микромощных усилителей мощности с выходной мощностью до нескольких десятков милливатт.

Усилители мощности класса В выполняют по трансформаторной и безтрансформаторной схемам. Наиболее распространена схема безтрансформаторного двухтактного усилители мощности класса В на комплиментарных транзисторах (с дополнительной симметрией), работающих в режиме эмиттерных повторителей напряжения на общую нагрузку.

Положительная полуволна напряжения на нагрузку при подаче на вход сигнала формируется транзистором n-p-n типа, а отрицательная - транзистором p-n-p типа. При отсутствии сигнала оба транзистора закрыты, потребляемая мощность равна нулю.

Недостатком усилителей мощности класса В являются переходные искажения сигнала, особенно заметные при малых амплитудах напряжения. Эти искажения появляются в моменты перехода сигнала через ноль и обусловлены резкой нелинейностью входных ВАХ биполярных транзисторов на начальном участке. Для уменьшения переходных искажений применяют класс АВ - промежуточной между режимами А и В с углом отсечки 100 - 1200. Точка покоя транзисторов задаётся в активной области. Для сдвига точки покоя в активную область применяют дополнительные источники Есм > Uотп. В качестве отпирающих напряжений используют напряжения на прямосмещённых p-n - переходах диодов.

Современные усилители мощности для уменьшения нелинейных искажений строят по схемам с общей отрицательной обратной связью на основе режимов В и АВ.

Исходные данныенm = 7 (В) - амплитуда напряжения на нагрузке;н = 10 (Вт) - мощность на нагрузке;н = 2.45 (Ом) - сопротивление нагрузки;нm = 2.86 (А) - амплитуда тока на нагрузке;вхm = 3 (мВ) - амплитуда входного напряжения;н = 18 (Гц) - низшая частота усиливаемых сигналов;в = 9 (кГц) - высшая частота усиливаемых сигналов.

1. Выбор и обоснование схемы выходного каскада

Схема усилителя мощности приведена на рис. 1.1. Вид отрицательной обратной связи - единичная ООС по напряжению.

Рис. 1.1 - Усилитель мощности

Операционный усилитель DA обеспечивает заданное значение напряжения на нагрузке, а усилитель мощности как правило имеет коэффициент Ku£1 и усиливает сигнал ОУ по току и, следовательно, по мощности. В тех случаях, когда выходное напряжение ОУ меньше Uнm, выходной каскад должен иметь Ku³1, и для этого содержать транзисторы, включенные по схеме ОЭ.

Рис. 1.2 - Типовая схема выходного каскада

2. Расчет напряжений питания ±Е, потребляемой мощности Ро, КПД, мощности на коллекторах оконечных транзисторов Рк

ЭДС питания:

 (2.1)

Среднее значение потребляемого тока:

 (2.2)

Потребляемая мощность:

 (2.3)

Мощность нагрузки:

 (2.4)

Мощность на коллекторе:

 (2.5)

Коэффициент полезного действия:

 (2.6)

Максимальная мощность на коллекторе:

 (2.7)

Рис. 2.1 - Линии нагрузки входных транзисторов

Построим зависимости Ро(Uнм), Рн(Uнм), Рк(Uнм), КПД(Uнм). Uнм=0.001…Uнм.

Рис. 2.2 - Зависимость Po, Pн, Pк от напряжения Uнм

Рис. 2.3 - Зависимость КПД от напряжения Uнм

3. Выбор оконечных транзисторов, расчёт площади теплоотводов

Выходные транзисторы выбираются по предельно-допустимым параметрам:

 (3.1)

 (3.2)

 (3.3)

По справочнику [5] подбираем транзисторы, удовлетворяющие предельным параметрам:

VT4: КТ819Б (n-p-n)

VT5: КТ818Б (p-n-p)

Рассчитаем площадь теплоотвода для транзистора VT4.

Общее тепловое сопротивление:

, (3.4)

где - температура окружающей среды;

- температурный запас.

Общее тепловое сопротивление складывается из составляющих:

, (3.5)

где - тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод;

- тепловое сопротивление теплоотвод - окружающая среда.

Выберем

, (3.6)

где - коэффициент, зависящий от условий теплообмена радиатора с окружающей средой;

- площадь теплоотвода.

Из формулы (3.5) определяем:

Из формулы (3.6) определяем:

. (3.7)

Так как параметры VT4 и VT5 одинаковые, то площадь теплоотвода транзистора VT5 равна 53.53см2.

Суммарная площадь теплоотводов для двух транзисторов:

. (3.8)

4. Расчёт и выбор элементов усилителя мощности - предоконечные транзисторы, источники тока и др.

Резисторы R3 и R4, включённые параллельно эмиттерным переходам предоконечных транзисторов, предотвращают режим обрыва базы выходных транзисторов при запирании предоконечных транзисторов и выбираются в пределах 100-500 Ом[1].

R3,R4: МЛТ-0,125-470 Ом ± 5%.

Входной ток выходных транзисторов VT4 и VT5:

 (4.1)

Требования к предоконечным транзисторам:

 (4.2)

 (4.3)

 (4.4)

Выбираем транзисторы с параметрами[5]:

VT2: КТ815А (n-p-n)

VT3: КТ814А (p-n-p)

После выбора предоконечных транзисторов определяем входной ток усилителя мощности:

Определяем UБЭ4=0.7В.

 (4.5)

Напряжение Uкэ транзистора VT1 устанавливают равным:

 (4.6)

где напряжение отпирания транзисторов.

Транзистор VT1 включён по схеме с коллекторной стабилизацией - c отрицательной обратной связью по напряжению. Напряжение на нём:

 (4.7)

Определив значение Uсм и задавшись R2=1кОм рассчитаем R1(UБЭ=0.7В):

 (4.8)

Выбираем R1: СП3-38а-0,125-4,7 кОм20%;

R2: МЛТ-0,125-1 кОм5%.[1]

Ток источника тока равен (IO≥IВХМ):  

Выбираем транзистор VT1:

 (4.9)

 (4.10)

 (4.11)

Выбираем транзистор с параметрами[5]:

VT1: КТ348А (n-p-n)

Рассчитаем источники тока.

Входные токи:.

Рис. 4.1 - Схема источника тока

Выбираем транзисторы VT6 и VT8 по предельным параметрам:

 (4.12)

 (4.13)

 (4.14)

Выбираем транзисторы с параметрами[5]:

VT6, VT8: КТ361А (p-n-p)

Потенциал базы UБ для сохранения активного режима транзистора должен удовлетворять условию:

Выбираем ток делителя:

 (4.15)

Рассчитываем резисторы: Uпр=0,7В

 (4.16)

 (4.17)

 (4.18)

Выбираем резисторы R5,R6,R7[1]:

R5: МЛТ-0,125-2 кОм5%;

R6: МЛТ-0,125-330Ом5%;

R7: МЛТ-0,125-10кОм5%.

Второй источник тока на n-p-n транзисторе рассчитывается аналогично. Результаты расчетов будут такие же.

Выбираем n-p-n транзисторы VT7, VT9 и резисторы R8, R9, R10 для второго источника тока[1,5].

VT6, VT8: КТ315А (n-p-n)

R8: МЛТ-0,125-2 кОм5%;: МЛТ-0,125-330Ом5%;: МЛТ-0,125-10кОм5%.

5. Выбор операционного усилителя для усилителя мощности, расчёт элементов цепи ООС

По справочнику [8] подбирается ОУ с характеристиками, удовлетворяющими условиям:

 (5.1)

 (5.2)

 (5.3)

 (5.4)

Выбираем операционный усилитель DA1 КР140УД6А с параметрами:

6. Расчёт предварительного усилителя

Предварительный усилитель должен быть двухкаскадным, причём один из каскадов инвертирующий, а другой - неинвертирующий. Общее усиление распределяется поровну между первым и вторым каскадами.

 (6.1)

Требуемый коэффициент предусилителя равен:

 (6.2)

 (6.3)

выбираем   

Рис. 6.1 - Схема предусилителя

Рассчитаем первый каскад предусилителя (неинвертирующий).

Выбираем ОУ DA2 КР140УД7 с параметрами[8]:

Кu=50000;см=4мВ;вх=200нА;=0,8МГц.

Резисторы определим из условия:

 (6.4)

К1=49

Выбираем: , тогда .=R12.

Выбираем резисторы R11, R12, R13[1]:: МЛТ-0,125-10 кОм5%;, R13: МЛТ-0,125-510 кОм5%;

Входное напряжение ошибки:

 (6.5)

Выходное напряжение ошибки:

 (6.6)

Коэффициент передачи цепи ОС:

 (6.7)

На постоянном токе глубина ОС:

 (6.8)

Реальное усиление замкнутого усилителя не менее:

 (6.9) Погрешность не превышает величины:

 (6.10)

Рассчитаем конденсатор С1:

 (6.11)

С1: К71-7-20В-0,020мкФ±10%.[1]

Рассчитаем аналогично второй каскад предусилителя (инвертирующий):

Выбираем ОУ DA3 КР140УД7 с параметрами[8]:

Кu=50000;см=4мВ;вх=200нА;=0,8МГц.

Резисторы определим из условия:

 (6.12)

К2=48

Выбираем: , тогда

Выбираем резисторы R14, R15[1]:

R14: МЛТ-0,125-10 кОм5%;: МЛТ-0,125-510 кОм5%;

Входное напряжение ошибки:

 (6.13)

Выходное напряжение ошибки:

 (6.14)

Так как UОВЫХ2 велико, то применяем разделительный конденсатор С2:

 (6.15)

С2: К71-7-20В-1мкФ±10%.[1]

Построим ЛАЧХ каскадов и усилителя в целом:

Рис. 6.2 - ЛАЧХ каскадов и усилителя в целом

7. Проектирование блока питания

Расчёт и выбор стабилизаторов

Блок питания в общем случае содержит 4 канала: источники  и  для питания выходного каскада и источники  и  питания ОУ. Стабилизаторы рассчитываются на выходное напряжение и ток. При проектировании стабилизаторов необходимо определить средний ток потребления Iп и максимальный ток Iпмакс по каждому каналу путем суммирования токов всех нагрузок данного канала - Iнm, Iо, Iп_оу и др. Стабилизаторы могут быть выполнены на интегральных микросхемах.

Для питания каналов E+ и E- выбираем интегральный стабилизатор DA4 и DA5 [8]: КР1180ЕН9.

Рис. 7.1 - Схема включения интегрального стабилизатора КР1180ЕН9.

Параметры выбранного интегрального стабилизатора:

Uвых=9±0,18 В,мин=2,5 В,п≤8мА,вх≤35 В,вых=1,5 А.

Т.к. Iвых =1,5 А, а Iнm=2.45 А, то используем схему с повышенным входным током (транзистор VT10 (p-n-p) для канала E+ и VT11 (n-p-n) для канала E-).

Входное (выпрямленное) напряжение стабилизатора выбирают из условия:

Uв1 = Uвх1 = (Uвых1+Uмин+Uбэ) ×(1+ Кн+Кп) =(9+2,5+1)∙(1+0.1+0.1)=15В (7.1)

Транзисторы VT10 и VT11 выбираем по следующим предельно-допустимым параметрам:

 (7.2)

 (7.3)

 (7.4)

Выбираем комплементарную пару n-p-n и p-n-p транзисторов [5], имеющих близкие параметры:

VT10: КТ818А (p-n-p);: КТ819А (n-p-n).

Параметры выбранных транзисторов:

Рассчитаем площадь теплоотвода для транзистора VT10.

Общее тепловое сопротивление:

, (7.5)

 (7.6)

. (7.7)

Так как параметры VT10 и VT11 одинаковые, то площадь теплоотвода транзистора VT11 равна 61.365 см2.

Суммарная площадь теплоотводов для двух транзисторов:

 (7.8)

Резистор R16 выбирается из условия:

 (7.9)

где Iпст - ток потребления стабилизатора DA1.

Выбираем резисторы R16 и R17[1]:

R16,R17: МЛТ-0,25-20Ом±1%

Выбираем конденсаторы С5 - С8 [1]:

С5,С6: К53-14-16 В - 0,33 мкФ  10%;,С8: К53-14-10 В - 1 мкФ  10%.

Для питания каналов U+ и U- выбираем интегральный стабилизатор DA6 и DA7 [8]: КР1180ЕН15.

Рис. 7.2 - Схема включения интегрального стабилизатора КР1180ЕН15

Параметры выбранного интегрального стабилизатора:

Uвых=15±0.3 В,мин=2,5 В,п≤8мА,вх≤35 В,вых=1,5 А.

Входное (выпрямленное) напряжение стабилизатора выбирают из условия:

Uв2 = Uвх2 = (Uвых2+Uмин) ×(1+ Кн +Кп)=(15+2.5)∙(1+0.1+0.1)=21В  (7.10)

Выбираем конденсаторы С11- С14 [1]:

С11,С12: К53 - 14 - 30 В - 0.33 мкФ  10%;,С14: К53 - 14 - 16 В - 1 мкФ  10%.

Расчёт и выбор выпрямителя и схемы фильтра для питания ОУ и выходных каскадов.

Выберем выпрямитель со средней точкой (Рис. 7.3).

Рис. 7.3. Схема выпрямителя со средней точкой.

Рассчитаем действующее значение напряжения и ток вторичной обмотки трансформатора предназначенного для питания каналов E+ и E-:

 (7.11)

 (7.12)пр = 1 В

Требования к диодам:

 (7.13)

 (7.14)

Выбираем диоды VD1-VD4 [3]: КД204В.

Параметры выбранных диодов:

Iпр.ср.=1 А,обр.max=50 В.

Рассчитаем емкость конденсаторов С3 и С4.

Так как конденсаторы симметричны, то их емкости одинаковы.

, (7.7)

где tр - время разряда конденсаторов (tр=7мс).

Выбираем С3 и С4 [1]: К 71 - 7-25В- 2000мкФ ± 5%

Рассчитаем действующее значение напряжения и ток вторичной обмотки трансформатора предназначенного для питания каналов U+ и U-:

 (7.15)

 (7.16)пр = 1 В

Требования к диодам:

 (7.17)

 (7.18)

Выбираем диоды VD5-VD8 [3]: Д2Г.

Параметры выбранных диодов:

Iпр.ср.=16 мА,обр.max=50 В.

Рассчитаем емкость конденсаторов С9 и С10.

Так как конденсаторы симметричны, то их емкости одинаковы.

, (7.19)

Выбираем С9 и С10 [1]: K52-1Б - 25 В - 33 мкФ±10%

Выбор трансформатора

В соответствии с формулами (7.4, 7.5, 7.16, 7.17) выбираем трансформатор [1]: ТПП304 - 127/220 -50.

Параметры выбранного трансформатора:

номинальная мощность: 135 В∙А,

ток первичной обмотки: 1,4/0,79 А,

ток вторичной обмотки: 3,86 А,

напряжения вторичных обмоток:

коллектор транзистор теплоотвод питание

U11-12=4,92В;-18=4,92В;-14=10В;-20=10В;-16=2,45В;-22=2,45В.

Заключение

В данной курсовой работе был спроектирован двухтактный усилитель мощности класса АВ с общей отрицательной обратной связью.

Усилитель имеет две ступени усиления: по напряжению (предварительный усилитель), и по напряжению и току (усилитель мощности). Обе ступени содержат операционные усилители и имеют корректирующие усиление обратные связи.

Спроектированный усилитель может применяться в качестве усилителя мощности звуковой частоты в диапазоне 18 Гц - 9 кГц работающий на акустическую систему с сопротивлением Rн = 2.45 Ом. Коэффициент полезного действия данного усилителя мощности равен 55%. Максимальная мощность на нагрузке равна 10 Вт. Усилитель питается от сетевого напряжения 220 В (50 Гц).

Параметры используемых в усилителе и источнике питания элементов взяты из справочной литературы и полностью соответствуют ГОСТу.

Список литературы

1. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Амиков и др. Мн.: Беларусь, 1994.

. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учебн. пособие для вузов. - М: Радио и связь, 1989.

. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник / А.В. Баюков и др. - М.: Энергоиздат, 1982. 744 с.

. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник / К.М. Брежнев и др. под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981.

. Галкин В.И., Прохоренко В.А. Полупроводниковые приборы: (диоды и транзисторы). - Мн.: Беларусь, 1979.

. Ю.А. Козусев. Практическое пособие к лабораторным занятиям по теме «Исследование усилителей мощности» курса «Электронные цепи непрерывного действия» для студентов специальности Т.07.02. Гомель. ГПИ. 1997. №3147.

. Ю.А. Козусев. Практическое пособие к лабораторным занятиям по теме «Исследование усилителей мощности» курса «Электронные цепи непрерывного действия», часть 1, для студентов специальности Т.07.02. Гомель. ГПИ. 1990. №1831.

. А.Л. Булычев, В.И. Галкин, В.А. Прохоренко. Аналоговые интегральные схемы: Справочник. - Минск «Беларусь», 1993.

Приложение

Перечень элементов