Transient - анализ переходных процессов.
Анализ переходных процессов, (рис. 1.8), в цепях позволяет определить форму выходного сигнала, то есть построить график сигнала как функции времени.
Рис.1.8 Анализ переходных процессов
Программа «Multisim» отвечает всем требованиям для выполнения моей дипломной работы. В данной программе есть все необходимые инструменты для моделирования и снятия характеристик.
2. Обзор усилителей мощности
2.1Трёхполосный усилитель мощности звуковой частоты
Схем бестрансформаторных усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) существует достаточно много, начиная от ламповых до современных, представляющих собой интегральную микросхему (например, TDA).
На рисунке представлена схема трехполосного УМЗЧ, собранного на интегральных микросхемах, (рис. 2.1.1).
Рис. 2.1.1 Трёхполосный УМЗЧ
Схема усилителя трехполостного УМЗЧ обеспечивает номинальную выходную мощность в низкочастотном канале 30 Вт на нагрузке 4 Ом, в среднечастотном и высокочастотном - по 15 Вт на нагрузке 8 Ом. Резисторы R3 - R6, конденсаторы С2 и СЗ и микросхема DA1 образуют активный фильтр низших частот с граничной частотой 300 Гц. Элементы R10 - R15, С10-С13 вместе с DA2 полосовой фильтр 300…3000 Гц, a R19 - R22, С19 - С21 и DA3 - фильтр высших частот с частотой среза 3000 Гц.
Крутизна скатов фильтров от 12 до 18дБ на октаву. Коэффициент усиления канала НЧ составляет 34, каналов СЧ и ВЧ - 23. Цепи R9C8, R16C16, R23C23 служат для устойчивой работы микросхем DA1 - DA3 усилителя, диоды VD1 - VD6 защищают микросхемы от индуктивных выбросов на нагрузках. Делитель R17R18 обеспечивает половину напряжения питания на не инвертирующих входах микросхем DA1 - DA3. Наиболее близким отечественным аналогом примененных микросхем TDA2030A являются КР174УН19А.
Транзисторы BD908 и BD907 можно заменить на транзисторы серий КТ864 и КТ865 соответственно (с одинаковыми буквенными индексами в паре): вместо диодов 1N4001 подойдут КД243 с любым буквенным индексом, а также любые другие на рабочий ток не менее 1А и напряжение не менее 50В. Эта схема является сложной, работает с разными нагрузками и полосами звуковых частот.
2.2Требования к предварительным усилителям
Основные требования к предварительным усилителям - малые нелинейные искажения сигнала (коэффициент гармоник - не более нескольких долей процента) и небольшой относительный уровень шумов и помех (не выше -66… - 70 дБ), а также достаточная перегрузочная способность. Всем этим требованиям в значительной мере отвечает предварительный усилитель В. Орлова (за основу он взял схему усилителя AU-X1 японской фирмы «Sansui»). Номинальные входное и выходное напряжения усилителя соответственно 0,25 и 1 В, коэффициент гармоник в диапазоне частот 20… 20000 Гц при номинальном выходном напряжении не превышает 0,05%, а отношение сигнал/шум 66 дБ.
Входное сопротивление усилителя 150 кОм, пределы регулирования тембра (на частотах 100 и 10000 Гц) от -10 до +6 дБ. Устройство предназначено для работы с УМЗЧ, входное сопротивление которого не менее 5 кОм. Усилитель (на рис. 2.2.1)
Рис. 2.2.1 УМЗЧ с малым коэффициентом гармоник
состоит из истокового повторителя на транзисторе VT1, так называемого мостового пассивного регулятора тембра (элементы R6-R11.1, С2-С8) и трехкаскадного симметричного усилителя напряжения сигнала. Регулятор громкости - переменный резистор R1.1 - включен на входе усилителя, что уменьшает вероятность его перегрузки. Тембр в области низших частот звукового диапазона регулируют переменным резистором R7.1, в области высших частот-резистором R11.1 (резисторы R7.2 и R11.2 использованы в другом канале усилителя). Коэффициент передачи симметричного усилителя определяется отношением сопротивлений резисторов R18, R17 и при указанных на схеме номиналах равен примерно 16. Режим работы транзисторов оконечного каскада (VT6, VT7) задан падением напряжения, создаваемым коллекторными токами транзисторов VT4, VT5 на включенных в прямом направлении диодах VD1 - VD3. Построечный резистор R15 служит для балансировки усилителя. Питать усилитель можно как от источника, питающего УМЗЧ, так и от любого нестабилизированного выпрямителя с выходными напряжениями +18…22 В.
Транзисторы КП303Д можно заменить на КП303Г, КП303Е, транзистор КП103М-на КП103Л, транзисторы КТ315В и КТ361В - транзисторами этих серий с индексом Г. Полевые транзисторы необходимо подобрать по начальному току стока, который при напряжении Uси=8 В не должен выходить за пределы 5,5…6,5 мА.
Диоды Д104 вполне заменимы диодами серий Д220, Д223 и т.п. Регулировка сводится к установке подстрочным резистором R15 нулевого напряжения на выходе и подбору резистора R18 до получения при входном напряжении 250 мВ частотой 1000 Гц выходного напряжения, равного 1 В (движки резисторов R7, R11 - в среднем, а резистора R1 - в верхнем по схеме положении).
Существенный недостаток описанного, да и многих других подобных устройств на транзисторах - сравнительно большое число элементов и, как следствие этого, довольно большие габариты монтажной платы.
2.3Усилитель мощности звуковой частоты на основе операционного усилителя
Значительно более компактными получаются предварительные усилители на основе операционных усилителей (ОУ). Примером может служить устройство, разработанное Ю. Солнцевым на базе ОУ общего применения К574УД1А, (рис. 2.3.1).
Рис. 2.3.1 УМЗЧ на основе Операционного усилителя (ОУ)
Проведенные им исследования показали, что коэффициент гармоник этого ОУ сильно зависит от нагрузки: вполне приемлемый при ее сопротивлении более 100 кОм, он возрастает до 0,1% при уменьшении сопротивления нагрузки до 10 кОм. Для получения достаточно малых нелинейных искажений я добавил к указанному ОУ параллельный усилитель, отличающийся практическим отсутствием искажений даже без отрицательной обратной связи. С ООС же коэффициент гармоник не превышает 0,03% во всем звуковом диапазоне частот при сопротивлении нагрузки более 500 Ом.
Остальные параметры предварительного усилителя следующие: номинальные входное и выходное напряжения 250 мВ, отношение сигнал / шум не менее 80 дБ, перегрузочная способность 15… 20 дБ.
Как видно из схемы, устройство состоит из линейного усилителя с горизонтальной АЧХ на ОУ DA1 и транзисторах VT1 - VT4 («параллельный» усилитель) и пассивного мостового регулятора тембра (элементы R12 - R14, R17 - R19, С6 - С9). Этот регулятор при необходимости можно исключить из тракта с помощью реле К1 (сигнал в этом случае снимают с делителя напряжения R10R11). Коэффициент передачи усилителя определяется отношением сопротивления резистора R3 к суммарному сопротивлению резисторов R2, R4. Мостовой регулятор особенностей не имеет. На низших частотах тембр регулируют переменным резистором R18.1, на высших - резистором R13.1. Резисторы R12, R14 предотвращают монотонный подъем и спад АЧХ за пределами номинального диапазона частот усилителя.
Для нормальной работы регулятора тембра сопротивление нагрузки должно быть не менее 50 кОм. При работе с источником сигнала, выходное U которого содержит постоянную составляющую, на входе усилителя необходимо включить разделительный конденсатор (на схеме изображен штриховыми линиями). Вместо указанных на схеме в усилителе можно применить транзисторы КТ3107И, КТ313Б, КТ361К (VT1, VT4) и КТ312В, КТ315В (VT2, VT3). Реле К1 - марки РЭС60 (паспорт РС4.569.436) или любое другое с подходящими габаритами и током и напряжением срабатывания. Диод VD1 - любой с допустимым обратным напряжением не менее 50 В.
Для соединения с усилительным трактом применен разъемный соединитель МРН14-1 (на плате устанавливают его вилку). Для питания усилителя необходим двух полярный источник питания, способный отдать в нагрузку ток около 30 мА при напряжении пульсации не более 10 мВ (иначе при неудачном монтаже возможно появление заметного фона). Регулировка усилителя сводится к установке требуемого коэффициента передачи с подключенным регулятором тембра и без него. В первом случае нужного результата добиваются изменением сопротивления подстроечного резистора R4 (а если нужно, то и подбором резистора R2), во втором резисторе R11.
2.4Усилитель мощности звуковой частоты с балансным дифференциальным входным каскадом
Одной из особенностей данного усилителя мощности является его питание от двухполярного источника. Это позволяет включить нагрузку между выходов усилителя и общим проводом без переходного конденсатора. Другая особенность состоит в применении входного балансного дифференциального каскада, обладающего хорошей термостабильностью.
Рис. 2.4.1 УМЗЧ с балансным дифференциальным входным каскадом
Усилитель состоит из входного каскада (транзисторы VT1, VT2), каскада усиления напряжения (VT3), выходного (VT4-VT7), элементов защиты выходных транзисторов (VD3-VD6).
Входной каскад выполнен по схеме дифференциального каскада с несимметричным выходом. Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1. Сигнал ООС подается с выхода через резистор R6 на базу транзистора VT2. Дифференциальный каскад сравнивает выходное напряжение с нулевым напряжением общего провода, и если по каким-либо причинам постоянное напряжение на выходе усилителя станет отличным от нуля, сигнал рассогласования с выхода дифференциального каскада поступает на выходной каскад, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе усилителя. С выхода дифференциального каскада сигнал поступает на усилитель напряжения и через резистор Д7 на выходной каскад.
Диоды VD1 и VD2 создают начальное смещение выходного каскада и обеспечивают температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов. Через конденсатор вольт добавки С5 подключается ПОС в цель коллекторной нагрузки транзистора VT3, обеспечивая тем самым получение максимального размаха выходного напряжения. Диоды VD3, VD4 и VD5, VD6 защищают выходные транзисторы, шунтируя в случае перегрузки, переходы транзисторов.
Элементы СЗ, С6, R.14, C7, L1 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах. Для температурной стабилизации тока покоя выходных транзисторов диоды VD1 и VD2 устанавливают на общий с транзисторами VT6 VT7 теплоотвод. Катушка L1 намотана на резисторе R15 (МЛТ-2) и содержит 25 витков провода ПЭВ-2 0,8. Резисторы R12 и R13 изготовлены из высокоомного провода (манганин, константан).
На базе данной схемы в проекте будет рассчитан усилитель мощности в соответствии с заданием.
Каждая из представленных схем, в целом выполняют предъявленным требованиям к усилителям мощности. В следующей главе я представлю интеграцию всех этих схем в одной, для обеспечения максимальных, требуемых показателей.
3. Расчет бестрансформаторного усилителя мощности
3.1Расчёт основных величин усилителя
Для усилителя мощности класса АВ принял использования напряжения равный x(кси) = 0,8, т.е.
x=Uвых / Uвх, (3.1.1)
Транзисторы в плечах усилителя включены по схеме эмиттерного повторителя, значит коэффициент усиления напряжения КU<1.
Принимаем КU≈1, тогда Uвых.составит:
вых = Uвх =1В, (3.1.2)
Из формулы для расчёта выходной мощности:
Р = U2вых / RH= 12/4 = 0,25 Вт << PH, (3.1.3)
Следовательно, входной сигнал должен быть усилен до напряжения с амплитудой:
вхус= , (3.1.4)
Исходя из этого принимаем двухполярное напряжение питания всего усилителя мощности Е = 13В.
Требуемая амплитуда выходного сигнала:
Uвых = Uвхусx = 11,2*0,8=9 В, тогда
Рвых = Uвых2 / (2 RH) = 92 / 8 = 10 Вт
Коэффициент усиления предварительного входного усилителя должен быть:
Квх = Uвхус / Uвх = 11,2 / 1 =11,2, (3.1.5)
Выбираем в качестве входного усилительного каскада дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель отличается повышенным коэффициентом усиления в отличие от каскада с ОЭ. Усилитель состоит из двух каскадов - входного, дифференциального, и выходного усилителя мощности класса АВ на комплементарных транзисторах.
3.2Расчёт дифференциального усилителя
Режим покоя
Рис. 3.2.1 Дифференциальный усилитель в режиме покоя
На рис. 3.2.1, показан ДУ на транзисторах Q1 и Q4, ток которого задаёт токовое зеркало на транзисторах Q2 и Q3. В ДУ принимаем транзисторы n-p-n типа BD 139, которые имеют следующие параметры:Кэmax = 220B; IKmax = 1A; Pном = 15Вт, h21э =124, fmax=1.5MГц, a=0.9897.
Принимаем сопротивления коллекторов ДУ R2 и R3 исходя из условия:
=R3 >>2E / IKmax
Или R2 =R3 >>26 / 0,15=173 Ом
Принимаем сопротивления коллекторов ДУ R2 и R3 равными 1,5кОм.
Для распределения падений напряжений на ДУ справедливо равенство:
Е = UR2,3 + UQ1,4 + UQ3, (3.2.1)
Для баланса напряжения на выходе усилителя и отсутствия нелинейных искажений необходимо чтобы падения напряжений относительно, открывающих транзисторы +13В были:R2,3 =E=13 B также UБQ1,4>Uвхус= 11.2 B.
Иначе в сумме напряжение между +13 и базой Q1, будет:
c = 13+11.2 = 24.2 B, (3.2.2)
Теперь определим ток покоя коллекторов ДУ:
R2,3 = UR2,3 / R2= 13/ 1500 = 8,7мА, (3.2.3)
Ток покоя баз транзисторов ДУ:
БQ1,4 = IR2,3 / h21э = 8,7 / 124 = 0,07мА, (3.2.4)
Тогда ток токового зеркала будет:
3 = 2 IR2,3+ 2 IБQ1,4= 2*8.7+2*0,07 = 17.54мA, (3.2.5)
Определим задающее сопротивление зеркала - R4:
= 2E/ I3 = 26 / 0.01754 = 1480 Ом, (3.2.6)
Принимаем 1,2 кОм и подстроечное на 500 Ом
Из формулы (3.2.1) получим, что падение напряжения на транзисторе Q3 UQ3<1.8B и равно:
Q3 = 1,8 - UБЭQ1,4 = 1.8-0.7 = 1.1B, (3.2.7)
Где UБЭQ1,4 = 0,7 В-падение напряжения на переходе база-эмиттер кремниевых транзисторов.
Определим сопротивления цепи баз ДУ R5 и R6 по формуле, выведенной из расчёта коэффициента усиления ДУ:
Принимаем R5 = R6 = 6800 Ом и дополнительное сопротивление равное сопротивлению источника R1 (источника)=R11=100Ом.
Для зеркала тока принимаем транзисторы n-p-n типа 2n3393, которые менее мощные (средней мощности) и имеют следующие параметры:Кэmax = 37B; IKmax = 100мA; Pном = 3Вт, h21э =150, fmax=1MГц
Для стабилизации коэффициента усиления ДУ с помощью делителей на резисторах R7=R8, R9=R10 и сопротивления транзистора, в цепи эмиттеров ДУ, равного RЭ= UQ3 / I3 = 1,1/0,01754 =63Ом осуществляется отрицательная обратная связь ООС. Из формулы (3.2.2) известно падение напряжения на резисторах R7и R8 - Uc=24.2B, а на R9 и R10 из формул (3.2.1) и (3.2.7) вытекает, что U9,10 = 2E - Uc=1,8В
По условия независимости тока делителя от тока базы покоя ДУ, формула (3.9), надо соблюсти:
Д>> IБQ1,4, (3.2.8)
В работе принимаем IД =0,242мА, тогда сопротивления будут равны:
=R8 = Uc / IД = 24.2 /0.000242 = 100 кОм, (3.2.9)
Ток через резисторы R9 и R10 по первому закону Кирхгофа равен:
I9,10 = IД - IБQ1,4 = 0.242 - 0.07 =0.172 мА, (3.2.10)= R10= U9,10/ I9,10 = 1,8 / 0,172 =10465 Ом, (3.2.11)
Принимаем ближайшее стандартное значение R9 = R10= 10кОм.
Определим ёмкость разделительных конденсаторов С1 и С2 определяющих нижнюю частоту усиления УМЗЧ. Для этого найдем круговую частоту:
w н=2pfн = 6,28*60 =376,8 рад/с,
тогда
С1 = С2=1/ (w н*(R6+R11)) = 1 / (376.8*6900) = 0.384 мкФ, (3.2.12)
Принимаем ближайшее стандартное значение С1 = С2=0,39мкФ.
3.3Расчёт выходного усилителя мощности
Для работы выходного усилителя мощности в режиме АВ используем цепь смещения на диодах D1-D6 и сопротивлениях R13, R14. Диоды типа 1n3879 с максимальным обратным напряжением - 75В.
Выходное сопротивление ДУ примерно равно:
выхДУ = R3 + Rэ*h21Э= 1500 + 63*124 = 9312 Ом, (3.3.1)
Для нормальной работы усилителя и повышения его КПД необходимо, чтобы параметр его транзисторов h21Э удовлетворял неравенству:
21Э>>RвыхДУ / RH или h21Э>> 9312/4 = 2328 (3.3.2)
Максимальный ток коллектора должен быть:
Максимальное напряжение транзисторов:
КЭ>Uвых = 9B (3.3.4)
Т.к. требуемый параметр h21Э очень велик, то выбираем транзисторы соединённые по схеме Дарлингтона с одинаковым значением h21Э = 500 большой мощности средней частоты fмах = 0,5МГц фирмы Zetex
- n-p-n тип ZTX 869 c UКэmax = 40B; Ikmax = 7A;
p-n-p тип ZTX 968 c UКэmax = 20B; Ikmax = 10A.
Общий коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ для схемы Дарлингтона определится как произведение каждого из двух:21Эдар = 500*500 =250000 >> h21Э = 2328
Падение напряжения на прямосмещённом диоде этого типа 0,65В на 3 диодах, следовательно, будет 1,95 В и подбором сопротивлений R14=R13 в режиме покоя необходимо добиться этого.
Принимаем R14=R13=30кОм (3.3.1)
Рис. 3.3.1 Подбор сопротивлений смещения R13=R14=30 кОм в режиме покоя.
Далее для ограничения верхней частоты усиления вводим элементы в цепь нагрузки (R12) - это конденсатор С3 и резистор R17.
Принимаем R17=0,25Ом, чтобы слабо влияло на амплитуду выходного напряжения, тогда емкость определим по формуле:
С3 = = =48.3 мкФ (3.3.5)
Принимаем ближайшее стандартное значение С3 = 47мкФ - 16В.
3.4Анализ спроектированного усилителя в программе «Multisim»
Рис. 3.4.1 Виртуальные осциллограммы входного и сигналов УМЗЧ
Из выходной осциллограммы видно, что форма её повторяет входную синусоиду и максимальное напряжение приближено к требуемым 9В. Так же видно, что на верхней частоте 14кГц, как требуется, коэффициент усиления уменьшается на 3дБ. Далее для узла выходного (OUT) 26 по виртуальной модели выполним анализ Фурье, из которого определим коэффициент гармоник выходного напряжения в полосе пропускания 1кГц.
Рис. 3.4.2 Результаты анализа Фурье для 5 гармоник на частоте 1кГц
Анализ Фурье показал, что коэффициент гармоник 0,95%, что является хорошим показателем.
Виртуальные измерительные приборы, позволяют убедится в эффективности данной схемы. Все необходимые требования были соблюдены, схема рассчитана верно. Компьютерная программа «Multisim» позволяет наблюдать выходной сигнал на уровне необходимых параметров.
Схема электрическая принципиальная спроектированного УМЗЧ
4. Охрана труда
4.1Анализ опасности прикосновения к токоведущим частям в различных ситуациях
Возможны два варианта прикосновения человека к сети: между двумя фазами - двухфазное и между фазой и нулевой точкой - однофазное. По сути речь идет о включении человека в электрическую цепь, так как само по себе прикосновение становится опасным, если человек становится как бы элементом электрической цепи, обладающим определенным сопротивлением и пропускающим через себя ток определенной величины (рис. 4.1.1).
Двухфазное включение, как правило, более опасно, поскольку к человеку непосредственно прикладывается наибольшее напряжение сети - линейное, а ток зависит только от сопротивления организма и имеет наибольше значение Ih, А.
где: Uф - фазное, Uл - линейное напряжение сети, Rh - сопротивление организма человека. В расчетах принимают Rh = 1 кОм.
Однофазное включение является менее опасным, чем двухфазное, поскольку ток через человека ограничивается сопротивлением обуви и пола, а также сопротивлением изоляции фазных проводов, однако вероятность однофазных прикосновений на порядок выше. Поэтому однофазное включение является основной схемой, вызывающей поражение людей током в сетях любого напряжения.
Напряжением прикосновения Uпр называется разность потенциалов между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек, или, другими словами, падение напряжения на сопротивлении тела человека Rh. Если пренебречь сопротивлением обуви и основания, на котором стоит человек, то Uпр = Ih×Rh, где Ih - ток, проходящий через человека.
Случаи поражения человека током возможны лишь при замыкании электрической цепи через тело человека или, иначе говоря, при прикосновении человека не менее чем к двум точкам цепи, между которыми существует некоторое напряжение.
Опасность такого прикосновения, оцениваемая величиной тока, проходящего через тело человека, или же напряжением прикосновения, зависит от ряда факторов: схемы включения человека в цепь, напряжения сети, схемы самой сети, режима ее нейтрали, степени изоляции токоведущих частей от земли, а также от величины емкости токоведущих частей относительно земли и т.п.
Схемы включения человека в цепь могут быть различными. Однако наиболее характерными являются две схемы включения: между двумя проводами и между одним проводом и землей (рис. 4.1.2). Разумеется, во втором случае предполагается наличие электрической связи между сетью и землей.
Рис. 4.1.2 Случаи включения человека в цепь тока: а - двухфазное включение; б, в-однофазные включения
.2Технические способы и средства обеспечения электробезопасности
Согласно указаниям правил устройства электроустановок (ПУЭ) безопасность обслуживающего персонала и посторонних лиц должна обеспечиваться выполнением следующих мероприятий:
-соблюдение соответствующих расстояний до токоведущих частей или закрытие, ограждение токоведущих частей;
-применение блокировки аппаратов и ограждающих устройств для предотвращения ошибочных операций и доступа к токоведущим частям;
-применение предупреждающей сигнализации, надписей и плакатов;
-применение устройств для снижения напряженности электрических и магнитных полей до допустимых значений;
-использование средств защиты и приспособлений, в том числе для защиты от воздействия электрического и магнитного полей в электроустановках, в которых их напряженность превышает допустимые нормы.
Токоведущие части электроустановки не должны быть доступны для случайного прикосновения, а доступные прикосновению открытые и сторонние проводящие части не должны находиться под напряжением, представляющим опасность поражения электрическим током как в нормальном режиме работы электроустановки, так и при повреждении изоляции. При этом в электроустановках напряжением до 1 кВ допускается применение неизолированных и изолированных токоведущих частей без защиты от прикосновения, если по местным условиям такая защита не является необходимой для каких-либо иных целей (например, для защиты от механических воздействий). При этом доступные прикосновению части должны располагаться так, чтобы нормальное обслуживание не было сопряжено с опасностью прикосновения к ним.
В связи с этим в нормальном режиме применяют по отдельности или в сочетании следующие меры защиты от прямого прикосновения:
-основную изоляцию токоведущих частей;
-ограждения и оболочки; установку барьеров;