Усилитель мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский Институт Электронной Техники

Технический университет

Курсовой проект

Тема: Усилитель мощности

Выполнил студент группы МП-22

Павлов А.М.

Проверил:

Бабкин Е.Е.

МИЭТ 2013г.



1. Задание к курсовому проекту

Входные данные

Мощность в нагрузке: = 40Вт

Сопротивление нагрузки: = 4 Ом

Амплитуда напряжения источника сигнала: = 1В

Внутреннее сопротивление источника сигнала: = 1кОм

Входное сопротивление УМ: = 100кОм

Полоса рабочих частот: = 0 10 000Гц

Неравномерность на крайних частотах:

КПД:

Коэффициент гармоник на частоте 6 кГц (коэффициент нелинейных искажений):

2. Расчёт усилителя мощности

Амплитуда напряжения и эффективное значение на нагрузке:

= = 18В; = = 12.6В;

Амплитуда тока выходных транзисторов и нагрузки:



Минимальная величина среднего тока, потребляемого от источника питания в каждом плече в режиме заданной выходной мощности

= = 1,04 А.

Мощность, потребляемая от источника:

= = 61.5 Вт

Максимальное напряжение питания:

= = 59В

Следовательно, источник питания имеет относительно земли два плеча:

= 29.5 В, = -29.5В.

Запас по напряжению

= - =29.5 - 18 = 11.5В

согласуется с рекомендацией

= +=

Мощность рассеяния в выходном каскаде при полной заданной мощности в нагрузке :



= - = 61.5 - 40 = 21.5В.

Из этой мощности в каждом из плеч «умощнителя» выделяется половина несколько меньшей мощности, так как часть ее (до 5%) поглощают эммитерные резисторы:

= * 11Вт;

Пусть 11Вт. Из условий:

= = , = = = , += = [K/Вт] найдем для выходных транзисторов VT4 и VT8:

3338В;

11Вт;

= 3,25А только при параллельном соединении двух транзисторов в верхнем и нижнем плечах выходного каскада. Каждый из этих четырёх транзисторов должен иметь индивидуальный выравнивающий эммитерный резистор вдвое большей величины, чем расчётная формула: (0,050,1) (параллельное соединение).

Параметры необходимые для дальнейших расчётов (параметры, которые используются при расчете радиатора):



(5А)

= 2В(2В) при = / 2 1,63 А;

( 298К) = 60Вт - мощность рассеяния коллектором с радиатором.

398К (для 2Т818 - 2Т819 = 423К) - максимально допустимая температура перехода;

тепловое сопротивление переход - корпус = 1,25К/Вт.

Итак, для выходного каскада выбраны КТ818В х 2 в качестве VT4 и КТ819В х 2 в качестве VT8.

Далее оценим их начальный ток коллектора (эммитера) с учётом формулы:

:

= 50 мВ/4 Ом = 12,5 мА. Выберем с запасом 30мА. В нашем варианте расчетный ток каждого из параллельных транзисторов будет 15мА,

По (0,050,1)найдём величину резистора в эммитере VT4(VT8): (0,050,1)* 4 Ом 0,2Ом, 0,3Ом 0,2Ом, примем R4=R8=0,2Ом.

Максимальная расчётная мощность резисторов:

0.61Вт.



Выбор транзисторов VT3 (VT7) , зеркальных относительно VT4(VT8) некритичен, так как они используются в диодном включении. Подойдут транзисторы с допустимым током эмиттера в 2-3 раза меньшим, чем у транзисторов VT4 (VT8), с минимальным рабочим напряжением.

Примем: VT3 - КТ816А, VT7 - КТ817А.

Мощность рассеяния на этих транзисторах невелика, так как, выделяется тепло только на эмиттерном переходе:

Хотя такую мощность транзисторы могут рассеивать без радиатора, но транзисторы VT3 (VT7) нужно все же размещать на радиаторе (используя изолирующую прокладку) вблизи транзисторов VT4 (VT8) из условий оптимальной работы токового зеркала VT3, VT4 и VT7, VT8 по температуре.

Рассчитаем сопротивление и мощность резисторов R3, R7.

Из формулы для коэффициента передачи токового зеркала

получим:

Рекомендуется выбирать коэффициент зеркала.

Чем он меньше, тем стабильнее зеркало, но тем хуже коэффициент передачи. Выберем



(где I4 это ток эмиттера с запасом для VT4)

Примем =9 Ом ± 5%. Максимальная мощность этого резистора рассчитывается после нахождения амплитуды тока эмиттера VT3 (VT7) при больших сигналах:

=>

Определим амплитуду тока и мощность транзистора VT2 (и VT6).

Амплитуда тока транзистора VT4 (и VT5) равна:

Мощность рассеяния транзисторов VT2 (VT6) оценивается как:

.

Рассчитаем сопротивление резистора R2 = R6.

Для этого следует задаться амплитудой напряжения UmОУ, которая снимается с выхода ОУ. Ограничиваем (с целью улучшения динамики ОУ) эту амплитуду UmОУ не более 46 В.

Оценим амплитуду возбуждения баз выходных транзисторов VT4 (VT8):

Задав амплитуду выходного напряжения «умощнителя» Um вых ОУ = 5В, оценим необходимые рабочие точки транзисторов VT2 и VT1. Найдём амплитуду тока базы VT2:

(= 40).

Определим сопротивления резисторов R1 и R5 из условий обеспечения амплитуды при закрывании VT1 максимальной амплитудой Um вых ОУ:

С некоторым запасом (VT1 не должен закрываться до нуля) примем

R1 = R5 =2 кОм ± 5% => мощность резистора

.

Выберем резистор мощностью 0.3 Вт.

Теперь можем найти ток покоя транзистора VT1



В статике этот ток должен задавать принятый нами ток

=> коэффициент передачи первого зеркала

Что и должно быть при выбранной схеме зеркала с эмиттерными резисторами R2(R6).

Сопротивление резистора, согласно формуле

:

вычисляется

Примем R2 = R6 = 4,5 Ом ± 3%; Р=0,125 Вт.

Уточним необходимую амплитуду напряжения на входе «умощнителя»:

что вполне согласуется с величиной выходного напряжения ОУ.

Сопротивление резистора R9 = 1 Ом является стандартной величиной, применяемой в RC-цепочке (R9C5) коррекции усилителя методом «грубой силы». Аналогично емкость конденсатора C5 выбрана малой (0,1 ч 1 мкФ), так что в рабочей полосе частот R9 не нагружает усилитель; это предотвращает снижение КПД и повышение потребления тока на верхних частотах.

Теперь можно рассчитать мощность рассеяния на коллекторе транзистора VT2 (VT6):

Итак, к транзисторам VT2 (VT6) предъявлены требования:

Таким условиям в рекомендованной группе отвечают транзисторы КТ814Б(VТ2), КТ815Б(VТ6).

Транзисторы входного каскада усилителя мощности VT1 (VT5) работают в очень облегченном режиме. Здесь уместны транзисторы KT814A (VT1) и КТ815A (VT5). VT1 и VT4, как и VT2 с VT5, должны иметь хороший тепловой контакт (крепеж на общем радиаторе попарно).

3. Выбор типа операционного усилителя (ОУ)

ОУ должен удовлетворять следующим требованиям:

высокая частота единичного усиления ;

высокая скорость нарастания напряжения ;

низкий входной ток.

.

Ни один из имеющихся операционных усилителей не обладает такой частотой единичного усиления, следовательно, нам придётся использовать несколько ОУ. В таком случае требование по ч.ед.ус. будет следующим:

(для двух ОУ), где .

.

Чтобы обеспечить низкий входной ток выберем ОУ на полевых транзисторах.

Нам подходит ОУ К544УД2А.

4. Расчет параметров цепей отрицательной обратной связи

R1=10кОм;

Сопротивления R4 и R6 равны соответственно R1 и R3. Резистор R2 определяет входное сопротивление усилителя, которое должно быть относительно большим. Возьмем R2 = 100 кОм. Емкости конденсаторов С2 и С3 определяют нижнюю граничную частоту усилителя.



;

, где

R1 = R4 =10 кОм ± 5%;

R3 = R6 =117,7 кОм ± 5%.

С3 =150 нФ ± 5%;

С2 =15 нФ ± 5%;

5. Расчет радиатора

Из расчета выходного каскада нам известна выделяемая на транзисторах суммарная мощность Рр = 11 Вт, на каждом из выходных транзисторов мощность рассеяния . Группируем тепловые параметры для выбранных транзисторов (КТ816 - КТ817) и универсальные постоянные для теплового расчета:

площадь теплового контакта корпус транзистора - радиатор SK = 1,4 см2;

тепловое сопротивление переход - корпус Rпк =5К/Вт;

макс. допустимая температура перехода Тпmax 423К (+150°С);

макс. температура среды (внутри блока усилителя) Тсмаx333К (+60°С);

коэффициент вязкости воздуха ;

ускорение свободного падения g =9,8м/сек2;

объемный коэффициент расширения воздуха R = 1/273.



Выберем размеры радиатора:

L=h=4 см;

d=2 мм;

=1,5 мм.

Тепловое сопротивление корпус-радиатор:

.

Рассчитаем средний перегрев радиатора над средой:

;

Оптимизированное расстояние между ребрами:

.



Найдем величину теплового сопротивления радиатор-среда на один транзистор выходного каскада:

.

Рассчитаем полную поверхность радиатора:

.

Полная поверхность теплоотвода должна быть в 2 раза больше(2 транзистора).

Рассчитаем число секций радиатора:

.

Общее число секций N=2.

Полная длина радиатора(примерная):



6. Схема усилителя мощности

мощность напряжение радиатор



Список литературы

1. Методические указания к курсовому проектированию по радиоэлектронике. Под редакцией В.А.Кустова, - М.: Изд. МИЭТ, 1987г.

2. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. У.Титце, К.Шенк, Пер. с нем. - М.: Мир, 1983г.

3. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под редакцией Н. Н. Горюнова. - М.: Энергоатомиздат, 1985г.

Размещено на Allbest.ru

...