Усилитель мощности

Усилитель мощности

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П. О. СУХОГО

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Промышленная электроника»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

по дисциплине «Электронные цепи непрерывного действия»

на тему: «усилитель мощности»

Исполнитель: студент гр. ПЭ-33

Запертов М.Н.

Руководитель: преподаватель Кухаренко С.Н.

Гомель 2015

ВВЕДЕНИЕ

Усилитель - это активный четырехполюсник (Рис.1), к входным зажимам которого подводится входной сигнал U1,а к выходным присоединено сопротивление нагрузки Rн.

Мощность сигнала, выделяющаяся в нагрузке усилителя, представляет собой преобразованную энергию источников питания, управляемую входным напряжением или входным током.

Мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем мощность на его входе. Это и отличает усилители от пассивных четырехполюсников, таких, как, например, трансформаторы, с помощью которых можно повысить напряжение или ток, но нельзя повысить мощность.

Источником входного сигнала может служить звукосниматель, фотоэлемент, микрофон, термопара и др. Нагрузкой усилителя обычно бывает громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, электроннолучевая трубка и др.

Типы усилителей и их классификация

выходной каскад транзистор выпрямитель

Усилители можно разделить на различные типы по ряду признаков .

По роду усиливаемых электрических сигналов [1]:

1.   Усилители гармонических сигналов.

2.      Усилители импульсных сигналов.

К усилителям гармонических сигналов относятся микрофонные, магнитофонные, граммофонные записи звука и др.

К усилителям импульсных сигналов относятся усилители, предназначенные для усиления импульсных сигналов связи, радиолокации, телевидения, счетно-решающих устройств и др.

По ширине полосы частот входного сигнала:

1.        Усилители постоянного тока.

2.      Усилители переменного тока низкой и высокой частоты.

Усилители постоянного тока предназначаются для усиления постоянного или медленно меняющегося напряжения (тока) в пределах от частоты Fн=0 до частоты Fв, т.е. для усиления как постоянной, так и переменной составляющих входного сигнала.

Усилители переменного тока низкой и высокой частоты предназначаются для усиления сигнала с частотой от Fн до Fв. К таким усилителям относятся усилители гармонических и импульсных сигналов. В зависимости от диапазона частот входного сигнала усилители могут быть узкополосными и широкополосными [1].

Узкополосные усилители предназначаются для усиления сигналов в узкой полосе частот, например, от десятков герц до 15 кГц. Такие усилители часто называют усилителями низкой частоты. К узкополосным усилителям можно отнести и специальные избирательные усилители с полосой частот в несколько сот герц.

Широкополосные усилители предназначаются для усиления сигналов с более широким спектром частот, например, от нескольких десятков герц до нескольких мегагерц, и используются в качестве видеоусилителей, усилителей счетно-решающих устройств, усилителей радиолокационных устройств и др.

Усилители высокой частоты (УВЧ) или резонансные усилители применяются для усиления сигналов несущей частоты (как модулированных, так и немодулированных), например, принимаемых приемной антенной радиоприемного устройства. Кроме того, такие усилители используются для усиления промежуточной частоты в супергетеродинных приемниках.

Нагрузкой усилителей обычно являются колебательные контуры. Полоса частот, пропускаемая такими усилителями, зависит от параметров колебательных контуров и резонансной частоты и измеряется единицами, десятками и сотнями килогерц.

Основные показатели усилителей

Усилители имеют показатели, характеризующие их свойства [1]. К таким показателям относятся:

1.     Коэффициент усиления.

2.      Диапазон частот входного сигнала.

.        Выходная мощность.

.        Коэффициент полезного действия.

.        Чувствительность.

.        Искажения.

.        Собственные помехи.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления усилителя может быть по напряжению Кu, по току Ki, по мощности Kp.

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение, ток или мощность на выходе усилителя больше соответствующих значений на его входе. Коэффициент усиления может быть выражен в отвлеченных или в логарифмических единицах.

В отвлеченных единицах:

=Uвых/Uвх Ki=Iвых/Iвх Kp=Pвых/Pвх

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Диапазон частот входного сигнала

Диапазон частот входного сигнала зависит от назначения усилителя. Узкополосные усилители обычно предназначаются для усиления гармонических сигналов с частотным спектром от десятков герц до 10-15 кГц.

Широкополосные усилители предназначаются для более широкой полосы частот, например, от десятков герц до нескольких мегагерц. Это объясняется тем, что в большинстве случаев широкополосные усилители усиливают импульсные сигналы, которые можно представить в виде суммы гармонических составляющих. Спектральный состав импульсов зависит от формы и длительности импульсов. Спектр импульсов безграничен, но с увеличением номера гармоник их амплитуда убывает. Для практического воспроизведения формы импульсов можно ограничится лишь частью спектра. Так, для прямоугольного импульса за ширину полосы входного сигнала принимают полосу частот П, определяемую выражением:

П=2/tи ,

где tи- длительность импульса.

Выходная мощность

Выходная мощность усилителя в зависимости от его назначения может быть от сотых долей ватта до сотен ватт. Максимальная мощность, которую можно получить на выходе усилителя при условии, что величина искажений сигнала на выходе не превысит заданной величины, называется номинальной мощностью. Эта мощность указывается в техническом паспорте прибора. При электрических испытаниях усилителей номинальная мощность определяется по величине выходного напряжения усилителя. Для этого на вход усилителя от звукового генератора подается напряжение с частотой 400 или 1000 Гц. Величина входного напряжения должна быть такой, чтобы на выходе усилителя установилось напряжение, равное значению:

вых= Pвых Rн

Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя представляет собой отношение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой усилителем от источников питания.

Для ламповых усилителей КПД может определятся с учетом и без учета мощности, потребляемой цепями накала. Наиболее часто КПД усилителя рассчитывается без учета мощности, потребляемой цепями накала Рн, так как это дает возможность сравнивать экономичность работы ламп и транзисторов при различных электрических режимах работы.

Чувствительность

Чувствительность усилителя характеризуется наименьшей величиной напряжения или тока входного сигнала при постоянной его частоте, при которой на выходе усилителя создается номинальная мощность или заданное напряжение. Чувствительность усилителя можно определить по амплитудной характеристике, показывающей зависимость выходного напряжения от входного.

Блок-схема усилителя

В большинстве случаев усиление одного усилительного элемента бывает недостаточно, и в усилителе применяют несколько таких элементов, которые включаются так, чтобы электрические колебания, усиленные первым элементом, подводились ко второму, затем к третьему и т.д., т.е. чтобы сигнал усиливался отдельными ступенями. Часть схемы усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется усилительной ступенью или усилительным каскадом.

Для наглядного изображения устройство усилителя применяют блок-схему, на которой прямоугольниками обозначают основные части (узлы) усилителя (Рис.2).

Рис.2 Блок-схема усилителя.

Рассмотрим название отдельных частей (узлов) схемы [1]. Источником сигнала может являться любой источник тока, например, микрофон, звукосниматель, фотоэлемент и др. Предварительный усилитель усиливает напряжение, ток или мощность входного сигнала до необходимой величины, при которой будет нормально работать оконечный каскад усилителя. Предварительный усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов предварительный усиления, количество которых будет определятся необходимым усилением сигнала. Если напряжение, ток или мощность, отдаваемые источником сигнала, достаточны для нормальной работы оконечного каскада, предварительный усилитель в составе усилителя не нужен. В каскадах предварительного усиления обычно применяются маломощные ламповые триоды и пентоды, а также транзисторы малой мощности.

Оконечный каскад усилителя предназначен для передачи в нагрузку заданной мощности или заданного напряжения сигнала. Нагрузкой усилителя в зависимости от его назначения может быть громкоговоритель, электроннолучевая трубка, реле или другие исполнительные устройства. В оконечном каскаде усилителя применяются так называемые выходные лампы - триоды и пентоды, рассчитанные на получение нужной выходной мощности или напряжения, а также транзисторы средней и большой мощности.

Вариант 18

Исходные данные

нm = 18 (В) - амплитуда напряжения на нагрузке;н = 21 (Вт) - мощность на нагрузке;н = 7.71 (Ом) - сопротивление нагрузки;нm = 2.33 (А) - амплитуда тока на нагрузке;вхm = 26 (мВ) - амплитуда входного напряжения;

fн = 28 (Гц) - низшая частота усиливаемых сигналов;в = 14 (кГц) - высшая частота усиливаемых сигналов.

1. Выбор и обоснование схемы выходного каскада

Мощный выходной каскад [2] является основным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений, поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получить наибольший КПД и малые нелинейные искажения.

Нелинейные искажения для мощных транзисторных каскадов обусловлены зависимостью h21б или h21э от режима работы, нелинейностью характеристик Iэ(Uэб) или Iб(Uэб), а также нелинейностью характеристик намагничивания магнитной системы трансформатора, часто используемого для согласования выходного каскада с нагрузкой.

Транзисторные выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными, причем полевые транзисторы в мощных выходных каскадах, как правило, не используют вследствие малой допустимой мощности рассеяния.

Активные элементы в усилителях мощности могут работать в режимах А, В или АВ. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

Однотактные выходные каскады обычно работают в режиме А. При их создании используют все три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые, обеспечивая высокий КПД, существенно ухудшают его частотные характеристики.

В связи с тем, что КПД однотактных выходных каскадов в режиме А меньше 0.5, в мощных выходных каскадах часто используют двухтактные выходные каскады, которые работают в режиме В или АВ. Применяются все три схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ, ОК. Двухтактные выходные каскады можно подразделить на каскады с согласующими выходными трансформаторами и безтрансформаторные выходные каскады.

В трансформаторных каскадах удается, как правило, получать лучшее согласование каскада и нагрузки, легче получить требуемую температурную стабильность. Они являются классическими схемами, обеспечивающими большую мощность. Недостаток их - наличие громоздких трансформаторов и значительные нелинейные и частотные искажения.

Безтрансформаторные мощные выходные каскады в последнее время получают все более широкое распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов, имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики, легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, отсутствие частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами позволяет вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному току, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости всего устройства может быть достигнуто путем введения простейших корректирующих цепей.

Безтрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двукратным схемам на транзисторах, работающих в режиме В или АВ и включенных по схемам с ОЭ или ОК. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n), носят название каскадов с дополнительной симметрией.

Рассмотрев все вышесказанное, в качестве мощного выходного каскада выберем безтрансформаторный мощный выходной каскад по двухтактной схеме на транзисторах работающих в режиме АВ (рис.1.1).

Рис.1.1 Схема усилителя мощности класса АВ

Составные транзисторы VT2-VT3 и VT4-VT5 (схема Дарлингтона) образуют комплементарный эмиттерный повторитель. Цепь смещения, содержащая источники тока Io и транзистор VT1, обеспечивают класс АВ выходных транзисторов.

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

Напряжения питания выходного каскада выбирают из условия

Е=Uнm + DU, (2.1)

где DU равно сумме минимального напряжения на источнике тока Iо (1-2В) и напряжений Uбэ транзисторов. Типовые значения DU =(3¸5)В и должны уточняться для каждой схемы ВК.

 (В) (2.2)

На рис.1.2 построены линии нагрузки выходных (оконечных) транзисторов. Нумерация транзисторов дана для рис.1.1.

Рис.2.1 Линии нагрузки выходных транзисторов

Рассчитаем энергетические параметры усилителя класса АВ:

Для класса АВ значения Po и Рк должны учитывать дополнительные потери мощности в точке покоя, потребляемая мощность в классе АВ с ненулевым током.

Среднее значение потребляемого тока:

 (А) (2.2)

Потребляемая мощность:

(Вт), (2.3)

Выходная мощность (на нагрузке):

 (Вт) (2.4)

Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных (оконечных) транзисторов:

(Вт) (2.5)

Коэффициент полезного действия:

 (2.6)

Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных транзисторов, имеет максимум:

 (Вт), (2.7)

при  (В). (2.8)

Рис.2.2 Графики зависимостей , ,

Рис. 2.3 График зависимости КПД(Uнm)

3. Выбор оконечных транзисторов, расчет площади теплоотводов

Выходные транзисторы выбираем по предельно-допустимым параметрам:

 (А) (3.1)

 (В) (3.2)

 (Вт) (3.3)

Выбираем 2 транзистора [3], имеющие близкие параметры:

4: КТ816Б- p-n-p

VT5: КТ817Б- n-p-n

Параметры выбранных транзисторов:

Iкбо<=1 (мА);

Uкэmax =45 (В);

Iкmax = 3 (А);

Pкmax = 25 (Вт);

b = h21э = 25 ;

Тпmax = 1500С-максимально-допустимая температура коллекторного перехода.

Расчёт площади теплоотвода:

Определим требуемое общее тепловое сопротивление:

 (град/Вт) (3.4)

где Тс = (35 ¸ 40) 0С - температура окружающей среды,

DТ = (5¸10) 0С - температурный запас.

Общее тепловое сопротивление складывается из составляющих:

Т = RТП-к + RТкТ + RТТс , (3.5)

где RТкТ - тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод;

RТТс - тепловое сопротивление теплоотвод - окружающая среда;

RТП-к - тепловое сопротивление коллекторный переход - корпус.

Для определения RТП-к построим график рис.3.1:

Рис.3.1 Зависимость Ркмакс (Т)

Величина RТкТ определяется качеством теплового контакта корпус - теплоотвод. При отсутствии электрической изоляции между корпусом и радиатором можно принять RТкТ = (0¸0,2) град/Вт.

Если применяется электрическая изоляция, когда на общий радиатор устанавливаются два или более транзисторов, имеющих разные потенциалы коллекторов (корпусов), или по конструктивным требованиям на теплоотводе нулевой потенциал, то принимают RТк-Т =(0,2¸0,5) град/Вт. Выбираем RТк-Т =0,2 град/Вт

Тепловое сопротивления теплоотвод - окружающая среда RТТс является характеристикой теплоотвода (радиатора), которая позволяет определить его минимально-допустимую площадь Sт.

 ,  (3.6)

где Кт - коэффициент, зависящий от условий теплообмена радиатора с окружающей средой. Для черненого алюминиевого ребристого теплоотвода без принудительной вентиляции на основе эмпирических данных можно принять .

Из (3.6) выражаем Sт учитывая Кт:

. (3.7)

Из (3.5) выражаем:

ТТс=RТ RТП-к  RТкТ = 18.103 - 2.889 - 0,2 = 15.014 (град/Вт) (3.8)

Рассчитываем искомую величину Sт:

. (3.9)

Т.к. транзисторов 2, то площадь теплоотвода необходимо удвоить:

(см2). (3.10)

4. Расчет и выбор элементов усилителя мощности

Резисторы, включенные параллельно эмиттерным переходам предоконечных транзисторов, предотвращают режим обрыва базы выходных транзисторов при запирании предоконечных транзисторов и и выбираются в пределах 100-600 Ом;

3 = R4 = 560 Ом;

Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторе:

P34=R34∙( Iкбо2 - Iкбо4)2= 560∙( 100∙10-6 - 50∙10-6)2=1.4∙10-6 (Вт)

Выбираем R3,R4 - МЛТ резисторы из ряда Е24 [4]:

МЛТ- 0.125 - 560 Ом ±5%.

Определим входной ток выходных транзисторов VT4 - VT5:

(А) (4.4)

Выберем предоконечные транзисторы по предельно-допустимым параметрам:

 (А) (4.5)

Uкэ макс ³ 2Е=42 (В) (4.6)

 (Вт) (4.7)

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

2: КТ815Б (n-p-n)

VT3: КТ814Б (p-n-p)

Параметры выбранных транзисторов:

Iкбо<=50 (мкА);

Uкэmax = 40 (В);

Iкmax = 1,5 (А);

Pкmax = 10 (Вт);

b = h21э = 40.

После выбора предоконечных транзисторов определяем входной ток усилителя мощности:

 (мA), (4.8)

где R - сопротивление резистора, включенного параллельно эмиттерному переходу.

Достаточным усиление по току можно считать в том случае, если Iвхm £ 5мА, что соответствует типовому значению выходного тока ОУ.

вхm1=2.394 мA > 5 мА

Назначение цепи смещения - уменьшение свойственных классу В переходных искажений путем нейтрализация зоны нечувствительности двухтактных выходных каскадов.

Рис.4.1 Схема усилителя мощности класса АВ с цепью смещения

Выбираем транзистор VT1 [3]:

КТ316А (n-p-n)

Параметры выбранного транзистора:

Uкэmax = 10 (В);

Iкmax = 10 (мА);

Pкmax = 150 (мВт);

b = h21э = 50 - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Uбэ = 0.7 (В)

Напряжение Uкэ транзистора VT1 (рис. 4.1) устанавливаем равным

кэ1=Uсм = UБЭотп2 + ½UБЭотп3½ + UБЭотп4 + ½UБЭотп5½ (4.13)

где UБЭотп - напряжение отпирания транзисторов.

Uкэ1=Uсм =0.78+0.78+0.62+0.62=2.8 (В) (4.14)

Транзистор VT1 (рис. 4.1) включен по схеме с коллекторной стабилизацией - с отрицательной обратной связью по напряжению Uкэ. Напряжение на нем:

 . (4.15)

Определив требуемое значение Uсм и задавшись R2=1кОм, рассчитываем R1. В качестве R1 выбираем резистор примерно удвоенного номинала, чтобы иметь возможность перекрыть погрешности расчетов, вызванные неопределенностью учитываемых характеристик транзисторов.

 (Ом) (4.16)

Выбираем R2 - МЛТ резистор из ряда Е24 [6]:

МЛТ- 0.125 - 1 кОм ±5%.

Выбираем R1- подстроечный резистор из ряда Е24 [6]:

МЛТ- 0.125 - 4.7кОм10%

Выбор источника ток

Источники тока Io обеспечивают режим стабилизации Uсм и их величина должна быть не менее тока (4.8):

 ³ Iвхm. (4.17)

Схема источника тока приведена на рис. 4.3. Ток Io - это ток коллектора VT1, включенного по схеме с фиксированным потенциалом базы (резисторы R1-R4), эмиттерной стабилизацией (R2) и термокомпенсацией (VD1). Потенциал базы UБ для сохранения активного режима транзистора должен удовлетворять условию:

б ³ Uнm+0,5×Uсм. (4.18)

б ³ 18+0,5 × 2.8=19.4 (В) (4.19)

Рис. 4.2. Схема источника тока.

Выбираем транзистор VT1(рис.4.2) по предельным параметрам:

кэ > 2Е = 42 (В) (4.20)

Iк > Iо = 2.5 (мА) (4.21)

Рк > E×Io =18 ×0.0024=43 (mВт) (4.22)

Выбираем транзистор VT1 [5]: КТ315И (p-n-p)

Параметры выбранного транзистора:

Uкэmax = 60 (В);

Iкmax = 50 (мА);

Pкmax = 100 (mВт);

b = h21э = 30

Рассчитаем ток базы

 (мкА)

Выбираем ток делителя:

дел = (5¸10)×IоБ = (5¸10)×Iо/b= (мА) (4.23)

и рассчитываем резисторы:

=0,75 определяем по графику через  (по справочнику).

 (Ом) (4.24)

 (кОм) (4.25)

 (Ом) (4.26)

Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторах:

1=R1∙ Iдел 2= 206∙(5∙10-3 )2=5.15∙10-3 (Вт)

P2=R2∙(Iк1+Iб1) 2= 2.95∙103 ∙ (10∙10-3 +0.5∙10-3)2=0.012 (Вт)

P3=R3∙( Iдел +Iб1) 2= 107.7 ∙ (5∙10-3 +0.5∙10-3)2=0.089 (Вт)

Выбираем R1, R2, R3 - МЛТ резисторы из ряда Е24 [6]:

: МЛТ- 0.125 - 220 Ом ±5%.

R2: МЛТ- 0.125 - 3,3 кОм ±5%.

R3: МЛТ- 0.125 - 110 Ом ±5%.

Выбираем диод VD1 [7] из условия, что Iпр > Iдел =2.5 мА.

VD1: Д2В

Параметры выбранного диода:

Iпр = 9 мА;

Uпр = 1 В.

Расчет второго источника тока на n-p-n транзисторе не отличается от проделанного.

Рис. 4.3. Схема источника тока.

Выбираем транзистор VT2 (рис.4.3) по предельным параметрам:

кэ > 2Е = 42 (В) (4.20)

Iк > Iо = 2.5 (мА) (4.21)

Рк > E×Io =21 × 0.0025=52. 5 (mВт) (4.22)

Выбираем транзистор VT3 [5]: КТ361К (n-p-n)

Параметры выбранного транзистора:

Uкэmax = 50 (В);

Iкmax = 50(мА);

Pкmax = 150 (mВт);

b = h21э = 30

Рассчитаем ток базы

 (мкА)

Выбираем ток делителя:

дел = (5¸10)×IоБ = (5¸10)×Iо/b= (мА) (4.23)

и рассчитываем резисторы:

=0,75 определяем по графику через  (по справочнику).

 (Ом) (4.24)

 (кОм) (4.25)

 (Ом) (4.26)

Рассчитаем рассеиваемую мощность на резисторах:

5=R5∙ Iдел 2= 206∙(5∙10-3 )2=5.15∙10-3 (Вт)

P6=R6∙(Iк1+Iб1) 2= 2.95∙103 ∙ (10∙10-3 +0.5∙10-3)2=0.012 (Вт)

P4=R4∙( Iдел +Iб1) 2= 107.7 ∙ (5∙10-3 +0.5∙10-3)2=0.089 (Вт)

Выбираем R4, R5, R6 - МЛТ резисторы из ряда Е24 [6]:

: МЛТ- 0.125 - 220 Ом ±5%.

R6: МЛТ- 0.125 - 3,3 кОм ±5%.

R4: МЛТ- 0.125 - 110 Ом ±5%.

Выбираем диод VD2 [7] из условия, что Iпр > Iдел = 2.5 мА.

VD1: Д2В

Параметры выбранного диода:

Iпр = 9 мА;

Uпр = 1 В.

5.  Выбор ОУ для усилителя мощности, расчет элементов цепи ООС

Рис. 5.1 Усилитель мощности на основе повторителя.

 (5.1)

Операционный усилитель DA1 (рис.5.1) обеспечивает требуемые амплитуды тока и напряжения на входе ВК. Поэтому параметры ОУ должны удовлетворять условиям.

выхОУ = (мА) (5.2)

Uвых ОУ > Uнm = 18 (В) (5.3)

Vuвых ³ 2p×fв×Uнm = (В/мкс) (5.4)

Выбираем ОУ [8]: К1408УД1

Параметры выбранного ОУ:

Uвых = 19 (В);

Iвых = 100 (мА);

Vuвых = 4 (В/мкс);

Кус = 70 000

f1 = 0.5 (МГц)

Необходимое значение глубины обратной связи достигается применением операционных усилителей (ОУ) с большим коэффициентом усиления. Для сохранения значения глубины ООС на частотах десятки килогерц общее усиление замкнутого усилителя рекомендуется выбирать из условия

Кум = ±(1¸3). (5.5)

Выберем Кум = 2.

Рассчитаем элементы ООС (следуя из того что )

Выбираем R5=100 (kОм)

6. Расчет предварительного усилителя

Подбор ОУ.

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

 (6.1)

Общее усиление:

 (6.2)

Коэффициент усиления предусилителя:

Из ходя из формулы (5.3):

Vuвых ³ 2p×fв×Uнm1 = (В/мкс) (5.4)

Рис. 6.1 Двухкаскадный предварительный усилитель.

Выберем DA1 и DA2 [9]: К1408УД1

Ku = 70 000

Uсм = 8мВ

Iвх = 20 (нА)

f1 = 0.5 (МГц)

Расчет элементов цепей ООС.

Определяем Kum:

Определяем Ku:

 (6.4)

К1 и К2 имеют одинаковые значения. В этом случае:

K1= (6.5)

Выбираем К1=К2=19

Первый каскад предусилителя:

Выбираем резистор R1 = 10 (кОм)

 (6.6)

Коэффициент передочи цепи ОС:

 (6.7)

Глубина ОС равна:

Граничная частота разомкнутого ОУ DA1:

 (Гц)

Граничная частота замкнутого ОУ DA1:

 (Гц)

Второй каскад предусилителя:

Выбираем резистор R3 = 10 (кОм)

 (Ом) (6.6)

Коэффициент передочи цепи ОС:

 (6.7)

Глубина ОС равна:

Граничная частота разомкнутого ОУ DA1:

 (Гц)

Граничная частота замкнутого ОУ DA1:

 (Гц)

Выбираем R1, R2, R3, R4 - МЛТ резисторы из ряда Е24 [6]:

: МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;

R2: МЛТ- 0.125 - 200кОм ±5%;

R3: МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;: МЛТ- 0.125 - 180 кОм ±5%.

Рассчитываем емкость конденсатора С2:

Выбираем конденсаторы из ряда Е24 [4]:

С2: КМ - (М75) - 50 В - 430 пФ  10%

Расчет режима покоя предварительного усилителя с учетом напряжения смещения и входных токов ОУ [10].

Из справочных данных имеем Iвх = 20 (нА), Uсм = 8 (мВ).

Тогда

 (мВ) (6.9)

  (мВ) (6.10)

В результате получаем:

 (мА) (6.11)

Расчет разделительных конденсаторов исходя из заданной нижней частоты.

Для устранения влияния входной ошибки по постоянному напряжению разделительные конденсаторы.

Производим расчет конденсаторов:

 (Гц)

 (мкФ) (6.12)

 (нФ) (6.13)

Выбираем конденсаторы С1,C3 [4]:

1: К50 - 35 - 40 В - 2.7 мкФ  10%;

C3: К50 - 35 - 40 В - 56 мкФ  10%.

Построение асимптотических ЛАЧХ каскадов и усилителя в целом.

Данные для построения:

Коу = 70000 = 96,9 дБ;

f1 = 0,5 МГц;

К1 = 11 = 20.83 дБ;

К2 = 11 = 20.83 дБ;

Кум = 2 = 6 дБ;

fн = 56 Гц;

fн = 28 кГц.

 (Гц) (6.14)

 (кГц) (6.15)

 (кГц) (6.16)

К, дБ

           96,.9

60                                        -20 дБ\дек

            21

20                20дБ\дек              

                             7.14                    56              45,5к      0.5М              f,Гц

             1          10        100         1к        10к       100к      1М        10М

Рис 6.1 Асимптотическая ЛАЧХ 1-го каскада.

К, дБ

           96,.9

60                                        -20 дБ\дек

            2                                                                             -20              

20                20дБ\дек                                                        -40

                             7.14                    56               45.5к      0.8М              f,Гц

            1          10        100         1к        10к       100к      1М        10М

Рис 6.2 Асимптотическая ЛАЧХ 2-го каскада.

К, дБ

             44                                -20

40

20                  60 дБ\дек                             -40

                   56                45.5к                                    f,Гц

            1          10        100         1к        10к       100к      1М        10М

Рис 6.3 Асимптотическая ЛАЧХ усилителя.

7. Проектирование блока питания

Блок питания в общем случае содержит 4 канала: источники Е+ и Е для питания выходного каскада и источники U+ и U 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. Для определения среднего тока учитывается ток (2.2).

Стабилизаторы могут быть выполнены на интегральных микросхемах. Входное (выпрямленное) напряжение выбирают из условия:

в = Uвх = (Uвых+Uмин) ×(1+ Кн +Кп) (7.1)

где Кн =0,1- коэффициент нестабильности сети,

Кп -коэффициент пульсаций,

Uмин - минимальное напряжение на стабилизаторе.

Uв = Uвх =  (В) (7.2)

Рис. 7.1. Схема интегрального стабилизатора КР142ЕН18Б с регулируемым выходным напряжением (для -Е ).

Выбираем интегральный стабилизатор DA1 [9]: КР1179ЕН24.

Параметры выбранного интегрального стабилизатора:

Uвых = -370.48 (В);

Uмин = 2.5 (В);

Iпст  3 (мА);

Uвх  40 (В) = 35.4 (В);

Iвых = 1.5 (А).

Определяем значения резисторов. Резисторы R1 и R2 выбираем из соотношений:

 (7.7)

 (кОм)

Выбираем R1=2,7 (кОм) (7.8)

Выразив из выражения (7.7) сопротивление R2, получаем:

 (кОм) (7.9)

Выбираем резисторы R1, R2 из ряда Е24 [6]:

: МЛТ - 0.125 - 2.7 kОм ±5%;

R2: МЛТ - 0.125 - 6.2 kОм ±5%;

Выбираем конденсаторы С1, С2 [4]:

С1: К50 - 16 - 25 В - 30 мкФ  10%;

C2: К50 - 6 - 25 В - 10 мкФ  10%.

Рис. 7.3 Интегральный стабилизатор КР142ЕН12А с регулируемым выходным напряжением (для +Е).

Выбираем интегральный стабилизатор DA2 [9]: КР142ЕН12А.

Параметры выбранного интегрального стабилизатора:

Uвых = 270.36 (В);

Uмин = 2.5 (В);

Iпст  8 (мА);

Uвх  40 (В) = 35.4 (В);

Iвых = 1.5 (А).

Выбираем конденсаторы С1, С2 [4]:

С1: К50 - 16 - 25 В - 30 мкФ  10%;

C2: К50 - 6 - 25 В - 10 мкФ  10%.

8. Выбор и расчет выпрямителя и схемы фильтра

Выберем выпрямитель, выполненный на блоках диодов, т.е. мостах (Рис.8.1).

Рис. 8.1 Схема выпрямителя для питания выходного каскада.

1 = 220 В U2 =  В

I2 =  А

пр = 1 В

Требования к диодам:

 (A) (8.1)

 (В) (8.2)

Выбираем диоды [12]: 2Д202В 8 х шт.

Параметры выбранных диодов:

Iпр.ср = 5 (А);

Uобр.макс = 70 (В).

Рассчитаем емкость конденсаторов С1 и С2. Т.к. конденсаторы симметричны, то их емкости одинаковы.

Tр = 7 мс

 (мкФ) (8.3)

Для уменьшения емкости данных конденсаторов применяем LC-фильтры [2].

Рис. 8.2 LC-фильтр

Зададимся коэффициентом пульсаций Кп1 = 40%.

Тогда

 (мкФ) (8.4)

С1 = С2 = С3 = С4

 = 100 Гц

Зададимся коэффициентом пульсаций Кп2 = 5%.

Тогда

 (8.5)

 (мГн) (8.6)

Выбираем дроссель [4]: Д52

Параметры выбранного дросселя:

Индуктивность при номинальном токе - 0.01 Гн;

Номинальный ток намагничивания - 12.5 А.

Выберем конденсаторы С1 = С2 = С3 = С4 [4]:

К50 - 22 - 50 В - 4000 мкФ  10%;

8. Выбор трансформатора

Действующие значения напряжений и токов вторичных обмоток трансформатора:

 (В) (9.1)

 (А) (9.2)

 (Вт) (9.3)

Выбираем трансформатор [4]: ТПП319

Параметры выбранного трансформатора:

200 ПЛМ 274058

2.03 / 1.15

.5

.0

.63

Рис. 9.1 Трансформатор

При использовании трансформаторов ТПП-127/220 В со стержневыми сердечниками ПЛМ на 220 В необходимо: соединить выводы 3 и 9; подать напряжение 220 В на выводы 2 и 7.

Заключение

В результате проведения курсового проекта была выполнена основная цель:

Закрепление теоретических знаний по дисциплине путем инженерного проектирования электронного аналогового устройства.

Были выполнены следующие конкретные задачи курсового проекта:

·        Изучение схемотехники мощных выходных каскадов;

·        Приобретение навыков расчета энергетических параметров усилителей;

·        Освоение методики расчета тепловых режимов мощных полупроводниковых приборов;

·        Освоение принципов построения усилительных устройств на интегральных аналоговых микросхемах на основе глубокой отрицательной обратной связи;

·        Умение проектировать вторичные блоки питания электронных устройств на дискретных и интегральных полупроводниковых приборах.

В соответствии с индивидуальным заданием был спроектирован предварительный усилитель на ОУ и усилитель мощности класса В, включая расчет тепловых режимов дискретных элементов и расчет блока питания.

Литература

1.     Буланов Ю.А., Усов С.Н. Усилители и радиоприемные устройства. Изд. 2-е, переработ. и доп. Учебник для радиотехнических специальностей техникумов. - М., Высшая школа, 1971.

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

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

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

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

.        Резисторы: Справочник/ В.В.Дубровский и др.; Под ред. И.И.Четвертакова-2-е изд. М.: Радио и связь, 1991.

.        Диоды: Справочник / О.П.Григорьев, В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, С.Л.Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990.

.        Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / C. В. Якубовский и др.- М.: Радио и связь, 1989.

.        Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т. 9.-М.: ИП РадиоСофт, 1999.- 512 с.

10.   Ю. А. Козусев. Методические указания к лабораторным занятиям по курсу "Электронные цепи непрерывного действия", часть 1, для студентов специальности 20.05. Гомель. ГПИ. 1990. N1831.

11.    Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник -2-е изд., стереотип.-/А.А.Зайцев, А.И.Миркин, В.В.Мокряков и др. Под ред. А.В.Голомедова.- М.: Радио и связь, КУбК-а,1994.

.        Справочник по полупроводниковым диодам/ Бородин Б.А. и др.; Под редакцией И.Ф.Николаевского. - М.: Связь, 1979

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

14.   Гутников В.С. «Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. -Л.: Энергоатомиздат, 1988.