Усилитель мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Исходные данные для расчёта УМЗЧ

2. Структурная схема усилителя мощности

3. Выбор и расчёт схемы УМЗЧ

3.1 Выходной каскад

3.2 Входной каскад

Введение

Несмотря на бурное развитие цифровых методов и способов записи, воспроизведения и обработки звуковой информации, конечным электронным устройством любой звукотехнической системы является аналоговый усилитель мощности.

Назначение усилителя мощности - довести электрический сигнал звуковой частоты до уровня, необходимого для возбуждения электроакустического преобразователя, в роли которого могут выступать громкоговорители, головные телефоны и т.д.

В настоящее время наибольшее распространение получили транзисторные усилители мощности. На построение транзисторных усилителей мощности существенное влияние оказывает схемотехника операционных усилителей (ОУ).

Существуют некоторые отличия, обусловленные, с одной стороны, энергетикой, с другой - узкой "специализацией" усилителя мощности, но по сути усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) - это мощный ОУ, не обязательно усиливающий постоянную составляющую входного сигнала. В связи с этим можно утверждать, что, с точки зрения схемной конфигурации, практически любой ОУ при соответствующем параметрическом синтезе с учётом возможностей и ограничений технологии изготовления может выполнять функции УМЗЧ.

Целью курсовой работы будет являться углубление и закрепление знаний, приобретение опыта не только самостоятельной работы по проектированию усилителей, но и расчётов отдельных каскадов усилителей и обоснованного выбора структурной схемы усилителя, параметров элементов, а также научить работать со справочной литературой.

1. Исходные данные для расчёта УМЗЧ

- Архитектура УНЧ: Полумостовая

- Вид отрицательной обратной связи: Последовательная по напряжению

- Сопротивление нагрузки: 4 Ом

- Чувствительность: 100мВ.

- Наличие защит: Защита от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода.

- Входное сопротивление: Не менее 10 кОм.

- Выходная мощность: 5 Вт.

- Напряжение питания: Однополярное.

- Полоса воспроизводимых частот: 20….15000 Гц.

2. Структурная схема усилителя мощности

Усилителями мощности называют схемы, которые, прежде всего, должны обеспечивать заданную высокую мощность в нагрузке. Усиление по напряжению для них является второстепенным фактором. Назначение усилителя мощности - довести электрический сигнал звуковой частоты до уровня, необходимого для возбуждения электроакустического преобразователя по возможности с минимальными искажениями сигнала. Принцип работы усилителя мощности следующий: усилитель преобразует мощность источника питания постоянного тока в переменный ток нагрузки, например громкоговорители или головные телефоны. Требования к УМЗЧ можно сформулировать следующим образом: форма сигнала на выходе усилителя должна в точности повторять форму сигнала на входе (сигнал претерпевает линейные преобразования); усилитель должен обладать высокой линейностью и высоким коэффициентом полезного действия (КПД), так как в функции усилителя не входит обогрев помещений.

Можно сформулировать основные требования для усилителя мощности звуковой частоты: электрический усилитель транзисторный

- обеспечивать согласование выходного сопротивления источника сигнала с собственным входным сопротивлением;

- обладать малыми нелинейными искажениями;

- обладать достаточной полосой пропускания при заданной мощности в нагрузке;

- обеспечивать уровень необходимой мощности, подводимой к нагрузке;

- иметь высокий КПД

Структурная схема УМЗЧ представлена на рисунке 1.

Рис.1 - Структурная схема УМЗЧ

УМЗЧ состоит из входного каскада, представляющего собой согласующий элемент схемы с источником сигнала, промежуточный каскад - усилитель напряжения и оконечного каскада, представляющего собой эмитерный повторитель, имеющий большое усиление по току.

Входной каскад должен удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечить необходимое входное сопротивление для согласования выхода источника сигнала;

- обладать большим динамическим диапазоном при перегрузке по входному сигналу;

Промежуточный каскад должен иметь достаточно большой коэффициент усиления по напряжению.

Оконечный каскад чаще всего представляет собой усилитель тока с коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. Роль оконечного каскада сводится к следующему:

- осуществить трансформацию сопротивления относительно низкоомной нагрузки к высокому выходному сопротивлению ПК;

- обеспечить в нагрузке необходимый ток при необходимой амплитуде напряжения на нагрузке;

- обеспечить максимальный КПД, так как именно потери в ОК определяют общие в усилителе мощности;

- поскольку ОК является наиболее энергетически нагруженным элементом, в нём должны быть предусмотрены элементы защиты как усилителя в целом, так и нагрузки.

3. Выбор и расчёт схемы УМЗЧ

Выбираем структурную схему усилителя мощности. Она представлена на рисунке 2. Входной каскад выполнен на транзисторе VT1, включенный с общим эмиттером. Резистор R4 является нагрузкой первого каскада усиления. С него усиленный сигнал поступает на базу транзистора VT2, являющимся промежуточным каскадом усиления. Выходной каскад собран на биполярных транзисторах VT7…VT10 по схеме Дарлингтона. Таким образом, усилитель мощности является трёхкаскадным. Составим примерную схему будущего усилителя мощности:

Рисунок 2 - Ориентировочная схема УМЗЧ

Максимальное напряжение на выходе и максимальный выходной ток рассчитываются по выходной мощности PL = 5 Вт. и сопротивлению нагрузки RL = 4 Ом.

Umax =

Imax =

3.1 Выходной каскад

Традиционно работу и расчёт усилителя мощности начинают рассматривать с выходного каскада, так как от схемы выходного каскада существенно зависят многие параметры УМЗЧ такие как: энергетические показатели, нелинейные искажения, надёжность и т.д. Выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, включённых по схеме Дарлингтона. В этом каскаде нагрузка подключается к коллекторам выходных транзисторов. Выходной каскад УМЗЧ представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Выходной каскад УМЗЧ

Необходимое напряжение питание EП усилителя мощности найдём, исходя из формулы мощности:

PL =

Из получившейся пропорции находим:

Откуда:

При найдём EП ;

EП =

Выберем напряжение питания немного больше, учитывая погрешности при расчете и потери мощности питания на входном и промежуточном каскадах. Примем

Выходной каскад служит усилителем тока и в общем виде может рассматриваться как преобразователь импедансов, согласующий низкоомный выход каскада с нагрузочным сопротивлением.

Мощность выходных каскадов лежит обычно в пределах от 50мВт. до 100Вт. И более, поэтому при расчете усилителей всегда следует учитывать рассеиваемую транзисторами мощность.

Напряжение пробоя выходных транзисторов VT8 и VT10 должно быть:

Максимальная мощность рассеяния транзисторов VT8 и VT10 при активной нагрузке и гармоническом сигнале на входе равно:

Ток короткого замыкания выходных транзисторов равен:

Таким образом, при известных значениях параметров по справочным данным выбираем комплементарную пару выходных транзисторов: VT8 - КТ 816В, VT10 - КТ 817В.

По максимальному выходному току Imax и минимальному усилению по току B0 = 25, выбранного типа транзисторов VT8 и VT10, рассчитываем ток коллектора транзисторов VT7 и VT9:

Такому коллекторному току соответствует маломощный кремниевый транзистор КТ 3102Б - структуры n-p-n и маломощный кремниевый транзистор КТ 3107Б - структуры p-n-p.

В качестве транзистора VT2 (транзистора промежуточного каскада) можно использовать практически любой маломощный низкочастотный транзистор. Следует только обратить внимание на предельное напряжение коллектор-эмиттер, которое не должно быть меньше, чем . Такому напряжению соответствует транзистор типа КТ 3107Б у которого максимальное напряжение коллектор-эмиттер равняется 45В.

Перейдём к рассмотрению и расчёту защиты от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Из-за малого выходного сопротивления усилитель мощности легко может быть перегружен по току нагрузки и выведен из строя за счёт перегрева выходных транзисторов. Конструктивные меры повышения надёжности, такие как выбор транзисторов с большим запасом по мощности рассеяния, увеличение площади теплоотводящей поверхности, приводят к удорожанию конструкции и ухудшению её массогабаритных показателей. Поэтому целесообразно использовать схемотехнические способы повышения надёжности, вводя в усилитель мощности цепи защиты от токовых перегрузок и коротких замыканий выхода.

Рассмотрим принцип действия защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода. Схема защиты состоит из транзисторов VT5 и VT6 и резисторов R10…R13. Схема защиты представлена на рисунке 4. Работает цепь защиты следующим образом.

При достаточно малом токе нагрузки транзистор VT5 заперт, так как падение напряжения на резисторе R11 недостаточно для его открывания, и цепь защиты практически не оказывает влияния на работу усилителя мощности. При увеличении тока нагрузки растёт падение напряжения на резисторе R11 (для положительной полуволны; для отрицательной полуволны выходного напряжения будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R12). При достижении напряжения падающего на резисторе R11, порога UБЭ ПОР открывания транзистора VT5 он отпирается, забирая на себя часть тока источника, тем самым стабилизируя максимальный ток нагрузки. Номиналы резисторов R11 и R12 рассчитаем по формуле:

Резисторы R11 и R13 имеют малое сопротивление (100…150 Ом) и служат для ограничения тока базы транзисторов VT11 VT13. Резисторы R11 и R13 практически не влияют на работу цепи защиты.

Рисунок 4 - Схема защиты выходного каскада УМЗЧ от токовой перегрузки и короткого замыкания выхода.

Далее перейдем к рассмотрению схемы температурной стабильности тока покоя выходного каскада УМЗЧ. Существует достаточно много различных схемотехнических приёмов обеспечения температурной стабильности тока покоя выходных транзисторов. Все они в конечном счете требуют создания теплового контакта элементов стабилизирующей цепи либо с корпусом транзисторов, либо с теплоотводящей поверхностью. Еще один пример построения выходного каскада усилителя мощности с температурной стабилизацией тока покоя выходных транзисторов приведен на рисунке 4. Преимущество данного способа заключается в том, что на теплоотводящую поверхность помещается только один термочувствительный элемент - транзистор VT4. Условие, из которого выбирают номиналы резисторов R6 и R8:

В общем случае отношение должно быть численно на единицу меньше количества p-n переходов в контуре. Резистор R8 выполняется переменным для обеспечения установки требуемого тока покоя транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Выберем номиналы сопротивлений R6 и R8, учитывая, что их отношение должно быть примерно равняться трём, так в выходном каскаде стоят четыре транзистора (т.е. имеется четыре p-n перехода). Возьмём сопротивление R6 равным 1000 Ом, тогда R8 будет равным:

Для расчёта резистора R7, воспользуемся выражением:

где

и

рассчитаем R7:

3.2 Входной каскад

Схема входного каскада представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Схема входного каскада УМЗЧ

Сначала выберем транзистор VT1, к примеру возьмём КТ 3102Б у которого коэффициент Далее найдём ток базы транзистора, взяв ток коллектора равным 0.001 A.

Ток в делителе напряжения R1, R2 и R3 должен быть намного больше тока базы транзистора VT1. Возьмём

Найдём сопротивления R1, R2 и R3. При токе

 =

На резисторах R1 и R2 при падении напряжения на 6.3 В. можно рассчитать номиналы резисторов R1 и R2:

В принципе резисторы R1 и R2 можно заменить одним резистором на 16000 (Ом), но так как в схеме предусмотрен фильтр сетевых пульсаций (R1 и С 1), то примем R1 = 6 Ком, а R2 соответственно 10 Ком.

Далее найдём сопротивление R4:

где 0.7В = и

По условию входное сопротивление усилителя мощности должно быть больше 10 Ком. Найдём входное сопротивление усилителя, исходя из значений сопротивлений R1, R2, R3:

Следовательно входное сопротивление удовлетворяет условию задачи, так как:

Параметры цепи обратной связи определяются заданной чувствительностью усилителя. По условию курсовой работы чувствительность усилителя мощности равна 0.1 В. т.е.

Найдём эффективное напряжение :

Соответственно должно выполняться равенство:

Следовательно, отношение

Выберем значения сопротивлений обратной связи, учитывая, что на эмиттерах выходных транзисторов должна быть половина напряжения питания. Так как на базе транзистора VT1 относительно общей шины напряжение падает на 6.3 В, то можно найти его значение:

На резисторе R7 напряжение на 0.7 В меньше, т.е. равно 10В. Так как напряжение на эмиттерах выходных транзисторов должно быть 8.5 В. Т.е. половина напряжения питания, то падение напряжения на R7 составит:

Теперь можно рассчитать сопротивление R7:

Из отношения найдём

Ёмкость конденсатора связи С 3 рассчитаем по нижней граничной частоте (по условию 20 Гц.).

Размещено на Allbest.ru