Розрахунок підсилювача потужності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Політехнічний технікум

Конотопського інституту Сумського державного університету

Комп'ютерні та електронні технології

напряму підготовки 050802 «Електронні пристрої та системи»

спеціальності 5.05080202 «Виробництво електронних та електричних засобів автоматизації»

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з предмету «Електронна схемотехніка»

на тему: Розрахунок підсилювача потужності

Студента 3 курсу 531 групи

Коритченка Артема Анатолійовича

Керівник: викладач

Л.К. Бойко

Члени комісії Т.В. Гребеник

В.В. Рязанцев

Л.К. Бойко

м. Конотоп 2017 р.



Зміст

Вступ

1. Огляд існуючих пристроїв

1.1 Призначення пристрою

1.2 Область застосування

2. Характеристика пристрою

2.1 Основні параметри

2.2 Аналіз структурної схеми

3. Методика розрахунку параметрів схеми

Висновки

Список використаних джерел



Вступ

У наш час однією із самих швидко розвиваючих і перспективних галузей науки та техніки є електроніка. Зараз практично неможливо знайти яку-небудь галузь промисловості, у якій би не використовувалися електронні вимірювальні прилади, пристрої автоматики й обчислювальної техніки. Але всього цього не було б без винаходу напівпровідних пристроїв, у тому числі транзисторів і діодів, які є тими елементарними цеглинками з яких і будується сучасний будинок електроніки.

Спочатку транзистор був розроблений саме як підсилювальний прилад, покликаний замінити громіздкі електронні лампи, а вже пізніше став використовуватись, як основний елемент логічних схем. З тих пір практично всі електронні підсилювачі виконуються на основі транзисторів.

Пристрій призначений для підсилення вхідного сигналу за рахунок енергії джерел живлення називається підсилювачем. Важливим типом підсилювача є підсилювач потужності. Будучи або самостійними пристроями або частиною більш складних апаратів підсилювачі знайшли широке застосування в радіомовленні звуковому кіно техніці звукозапису телебаченні радіолокації й радіонавігації ядерній фізиці медицині й біології системах автоматики й т.д.

Основною метою даного курсового проекту є закріплення і поглиблення навичок по розрахунку, вибору елементарної бази підсилювачів потужності.

підсилення вхідний сигнал живлення



1. Огляд існуючих пристроїв

1.1 Призначення пристрою

Підсилювач потужності - це спеціальний електронний пристрій, розроблене для перетворення невеликого за потужністю електричного сигналу, який надходить від джерела, в більш потужний сигнал. Адже для управління електроакустичними приладами-перетворювачами, наприклад, навушниками або ж гучномовцями, необхідний потужний вихідний сигнал без спотворень, а джерело часто не може видати потрібну потужність сигналу або спотворює його небажаними впливами.

Підсилювач потужності може бути як незалежним окремим пристроєм з власною панеллю і системою управління, так і бути внутрішнім елементом якогось приладу і бути впаяним в гібридну схему. Це пристрій є найостаннішим ланкою в будь ланцюга звукопідсилення. Підсилювач потужності можна розрізнити по області його застосування.

Зазвичай є дві основні сфери використання: побутова та професійна. Також можна їх розділити за схемами виконання на однотактний і двотактний підсилювач потужності. Однотактний працюють у так званому режимі лінійного підсилення. У такому режимі струм протікає через транзистор в перебігу повного періоду [1]

В електротехніці за характером вхідного сигналу підсилювачі діляться на: підсилювачі постійного та змінного струму, які в свою чергу, поділяються на підсилювачі:

низької частоти або звукової частоти (ПНЧ, ПЗЧ) (діапазон частот від 10 Гц до 20 кГц);

високої частоти (ПВЧ) (діапазон частот від 20 кГц до 100 Мгц);

ультра високої частоти.

За характером підсилення поділяються на:

широкосмугові;

резонансні;

диференціальні;

операційні;

селективні.

Підсилювач потужності знаходиться в абсолютно будь-якому приладі або пристрої, які відтворює звукові сигнали найширшого спектру частот. Так як первинний сигнал, який зчитується, спочатку зазвичай має досить-таки незначну потужність, для передачі його на інші пристрої і потрібно використовувати підсилювачі. Такі прилади можна знайти в будь-якому мобільному телефоні, магнітофоні, в комп'ютерах і ноутбуках і навіть у дитячих іграшках, які можуть говорити (у яких є динаміки). У таких побутових приладах використовують і побутові підсилювачі.

Призначення таких пристосувань - посилення електричного сигналу до значень звукового діапазону, які здатний сприйняти людський слух середньостатистичного обивателя (зазвичай це від 15 до 22 кілогерц). Потрібно зауважити, що з віком діапазон значно знижується (в основному падає його верхня межа), слух стає менш чутливим - і більшість людей у віці не здатні сприймати звуки на частоті більше ніж 16-17 кілогерц.

Потужним каскадом прийнято вважати каскад, в якому транзистори віддають в навантаження потужність, близьку до максимально можливої. Основними вимогами, що пред'являються до могутніх вихідних каскадів, є отримання необхідної потужності в навантаженні і максимальний КПД при допустимих спотвореннях сигналу.

Вимога максимального КПД має найбільше значення для підсилювачів з живленням від автономних джерел. Максимальне посилення потужності -- другорядна вимога, оскільки необхідне посилення може бути одержане в інших каскадах.

Чим вищий ККД каскаду, тим менш могутній транзистор потрібен для отримання необхідної потужності. Максимальний ККД досягається при оптимальному навантаженні. Проте опір навантаження, як правило буває задано. Якщо воно значне відрізняється від оптимального, то для отримання високого ККД навантаження включають через трансформатор, що погоджує. Використовування трансформатора, що погоджує, на вході могутнього вихідного каскаду дозволяє одержати максимальний коефіцієнт посилення потужності передвихідним каскадом і мінімальний рівень спотворень при заданій потужності в навантаженні підсилювача.

Застосування трансформаторів, що погоджують, в малогабаритних підсилювачах приводить до зниження ККД, оскільки малогабаритні недорогі трансформатори мають порівняно малий ККД.

Режими роботи транзисторів у вихідних каскадах. Транзистори можуть працювати в режимах класів А, В або АВ.

Режимом класу А називають такий режим, при якому вихідний струм протікає протягом всього періоду підсилюваного сигналу. Режим з таким відсіченням, при якій вихідний струм протікає практично тільки протягом напівперіоду сигналу, називають режимом класу В.

Середній режим, при якому вихідний струм протікає протягом більше одного напівперіоду сигналу, називають режимом класу АВ. Вибір режиму здійснюється подачею відповідної напруги між базою і емітером. У режимах класів АВ і В можуть працювати тільки двотактні каскади [2]

Однотактні вихідні каскади застосовуються іноді в підсилювачах з малою вихідною потужністю, оскільки їх ККД не перевищує 40 %.

За способами підключення кінцевого каскаду до навантаження можна розподілити: на каскади з безпосереднім включенням навантаження, резисторні, дросельні та трансформаторні.

Найбільш високий ККД мають дросельні та трансформаторні каскади потужного підсилення. Максимальний ККД в них вдвічі більше, ніж при безпосередньому підключенні навантаження, та майже в 6 разів більше, ніж у резисторного. Однак у резисторного каскаду смуга підсилених частот ширше, ніж у дросельного, і значно ширше трансформаторного. Вартість, маса, габаритні розміри як дросельного, так і трансформаторного, набагато більше від резисторного.

Найпростішим способом підключення навантаження до каскаду потужного підсилювача є безпосереднє введення навантаження у вихідне коло підсилювального елемента без вихідного пристрою. До переваг такої схеми відноситься її простота, відсутність додаткових деталей, втрат потужності у вихідному каскаді, додаткових нелінійних, частотних та перехідних спотворень і можливість посилення сигналів у широкій смузі частот. До недоліків - протікання через навантаження постійної складової струму живлення.

В резисторному каскаді потужного підсилення навантаження підключається в вихідне коло через резисторно-ємнісний пристрій RС. Струм живлення тут через навантаження не проходить; крім того, навантаження поєднано з загальним проводом схеми, що часто буває необхідно. Резисторний каскад простий, але має недоліки в порівнянні з каскадом з безпосереднім включенням - наявність конденсатора, який звужує смугу пропуску підсилювача; розмір конденсатора збільшуються в ділянці низьких частот.

Навантаження, яке підключене безпосередньо та через конденсатор - застосовується в безтрансформаторних кінцевих каскадах, а навантаження, підключене через дросель та трансформатор у трансформаторних кінцевих каскадах.

Можливість використання безтрансформаторних схем саме в транзисторних кінцевих каскадах обумовлена, по-перше тим, що транзистори працюють при порівняно низькій напрузі живлення (тому безпосереднє підключення гучномовця не шкідливе для обслуговуючого персоналу), по-друге, вони можуть працювати на меншому опорі навантаження.

В безтрансформаторних схемах звичайно застосовується послідовне живлення транзисторів від одного чи двох джерел постійної напруги.

При розрахунку кінцевого каскаду з великою потужністю застосовують схеми на складених транзисторах. Складені транзистори мають великі коефіцієнти струму, великий вхідний і малий вихідний опори. До недоліків слід віднести звуження частотного діапазону складеного транзистора в порівнянні з одинарним.

Залежно від способу включення і типу застосовуваних транзисторів розрізняють дві схеми - схему Дарлінгтона та схему Шиклої. Комбінація складених транзисторів в вихідних каскадах дозволяє створити декілька різновидів схем кінцевого каскаду.

Характеризуючи ці схеми, можливо відмітити:

- коефіцієнти передачі за струмом верхнього та нижнього плеч у всіх схемах практично рівні коефіцієнту передачі за струмом складених транзисторів;

- в квазікомплектарних схемах спостерігається несиметричність вихідного сигналу з-за нерівності коефіцієнта підсилення плеч каскаду за напругою, а також із-за нерівності вхідного та вихідного опорів. Однак введення глибокого зворотного негативного зв'язку приводить до незначних відмін цих параметрів.

- коефіцієнти передачі за струмом верхнього та нижнього плеч у всіх схемах практично рівні коефіцієнту передачі за струмом складених транзисторів;

- в квазікомплектарних схемах спостерігається несиметричність вихідного сигналу з-за нерівності коефіцієнта підсилення плеч каскаду за напругою, а також із-за нерівності вхідного та вихідного опорів. Однак введення глибокого зворотного негативного зв'язку приводить до незначних відмін цих параметрів.

Основні вимоги, які ставлять до передкінцевого каскаду - одержання максимального підсилення за напругою для компенсації малих коефіцієнтів підсилення за напругою вихідного та вхідного каскадів.

При однотактному кінцевому каскаді, а також двотактному безтрансформаторному з послідовним збудженням плеч або з паралельним збудженням транзисторів різного типу (р-n-р і n-р-n)від передкінцевого каскаду потрібна однофазна вихідна напруга. У цьому випадку за передкінцевий може правити звичайний резисторний каскад, в якому транзистор частіше всього ввімкнутий за схемою з загальним емітером, з безпосереднім або ємнісним зв'язком з кінцевим каскадом.

Функцію передкінцевого каскаду на схемі, наведеної на рисунку 1.1 виконує транзистор VТ1.

Амплітуда сигналу у попередніх каскадах звичайно мала, тому нелінійні спотворення переважно невеликі. Найбільше поширення в попередніх каскадах одержала схема включення транзистора з загальним емітером, яка дозволяє отримати найбільше підсилення і має достатньо великий вхідний опір. Цим вимогам відповідає резистивний каскад, який може забезпечити рівномірне підсилення в широкій смузі частот при малих спотвореннях і не схильний наводкам від зовнішніх магнітних полів. [3]

З можливих способів стабілізації режиму в попередніх каскадах найбільше поширення одержала емітерна стабілізація як найбільш ефективна і проста за схемою. При використанні безпосередніх зв'язків поряд з емітерною стабілізацією вводиться негативний загальний зворотний зв'язок за постійним струмом. Для підвищення лінійності підсилювача, одержання великого вхідного опору, розв'язання за постійним струмом входу підсилювача та кола зворотного зв'язку, більш високої температурної стабільності, поліпшення динамічних характеристик у ролі вхідного каскаду застосовують диференційний каскад (рисунок 1.1).



Рисунок 1.1 - Схема кінцевого каскаду, зібраного на складених комплементарних транзисторах [3]

Рисунок 1.2 - Принципова схема диференційного каскаду [3]

Одним із основних напрямів створення високоякісних підсилювачів є застосування зворотного зв'язку. В підсилювачах застосовується зворотний негативний зв'язок за змінним та постійним струмом. Застосування НЗЗ за струмом дозволяє зменшити лінійні і нелінійні спотворення, які вносяться підсилювачем, знизити вихідний опір підсилювача потужності.

Негативний зворотний зв'язок за постійним струмом стабілізує напругу спокою транзисторів кінцевого каскаду. Застосування грубого НЗЗ (більш 40-50 дБ) не рекомендується, тому що це приводить до виникнення динамічних спотворень. Якщо потрібно одержати коефіцієнт загальних гармонійних спотворень менше 0,1-0,5 %, в підсилювач вводиться НЗЗ більше 50 дБ.

Для підвищення амплітуди вихідної напруги належить застосовувати вихідні транзистори з можливо меншим значенням опору насичення, а попередній каскад будувати за схемою, яка забезпечує найбільшу амплітуду сигналу на базах транзисторів фазоінвертерного каскаду.

Для цього в схемі попереднього каскаду підсилювача повинна обов'язково бути "Вольтдобавка", а опір в емітерному колі транзистора повинен бути мінімальним чи зовсім відсутнім.

В той же час повинні бути вжити заходи щодо жорсткої стабілізації постійної напруги в точці з'єднання вихідних транзисторів при зміні температури.

Для забезпечення добрих демпфувальних властивостей підсилювача, вихідний опір транзисторів кінцевого каскаду повинен бути принаймні в 3-5 разів менше опору навантаження. Подальше зменшення вихідного опору не має смислу, тому що в коло демпфувального струму, що виникло за рахунок е.р.с. котушки гучномовця, крім вихідного опору входить опір навантаження.

"Вольтдобавка" звичайно вводиться за допомогою позитивного зворотного зв'язку (ПЗЗ), напруга якого з виходу підсилювача подається на відвід опору навантаження передкінцевого каскаду. ПЗЗ приводить до збільшення опору підсилювача. Збільшення напруги на передкінцевому каскаді приводить до зменшення нелінійних спотворень.

В безтрансформаторних вихідних каскадах найбільш часто застосовують режими В або АВ. При використовуванні режиму класу В в підсилювачах на ділянці малих струмів виникають перехідні спотворення, які виявляються у вигляді відсічки струму. Кількісно перехідні спотворення оцінюються часом переключення підсилюючих елементів. Зменшення перехідних спотворень досягається застосуванням режиму класу АВ, при якому на вхід підсилюючого елемента подається відповідна напруга зміщення. Напруга зміщення створюється за допомогою діодного кола чи за допомогою транзисторної схеми.

Режим роботи транзисторів кінцевого каскаду визначає струм спокою, який протікає через транзистор при відсутності керуючого сигналу. Зміна температурних умов приводить до зміни струму спокою і, відповідно, режиму роботи транзисторів кінцевого каскаду, що приводить до збільшення нелінійних перехідних спотворень.

Найбільш часто в підсилювачах використовується діодна стабілізація струму, заснована на температурній залежності вольтамперних характеристик діоду. Напруга зміщення забезпечується характеристиками діоду. Рекомендується застосовувати кількість діодів, яка дорівнює кількості транзисторів в кінцевому каскаді. Але при такому способі складно забезпечити з достатньою точністю потрібне зміщення. Для більшої точності підстроювання напруги зміщення послідовно з діодами включається опір.

Так як вхідний опір достатньо великий в якості вхідного каскаду була обрана схема диференційного каскаду, а в якості кінцевого каскаду з урахуванням заданої потужності була обрана схема кінцевого каскаду, зібраного на комплементарних транзисторах.

1.2 Область застосування

У сучасній техніці широко використовується принцип управління енергією, що дозволяє за допомогою витрати невеликої кількості енергії управляти енергією, але у багато разів більшою. Форма як керованої, так і керуючої енергії може бути будь-якою: механічною, електричною, світловою, тепловою та іншою.

Окремий випадок управління енергією, при якому процес управління є плавним і однозначним. Коли керована потужність перевищує керуючу, це називається підсилення потужності або просто підсилення, прилад, який здійснює таке управління, називають підсилювачем [4].

Дуже широке застосування в сучасній техніці мають підсилювачі, у яких як керуюча, так і керована енергія являє собою електричну енергію. Такі підсилювачі називають підсилювачами електричних сигналів.

Підсилювачі електричних сигналів, застосовуються в багатьох галузях сучасної науки і техніки. Особливо широке застосування підсилювачі мають у радіозв'язку і радіомовлення, радіолокації, радіонавігації, радіопеленгації, телебаченні, звуковому кіно, дротового зв'язку, техніці радіовимірювань, де вони є основою побудови всієї апаратури.

Крім зазначених областей техніки, підсилювачі широко застосовуються в телемеханіці, автоматиці та обчислювальних пристроях. У апаратурах ядерної фізики, хімічного аналізу, геофізичної розвідки, точного часу, медичної, музичної та в багатьох інших галузях.

Практично єдина проблема на сьогоднішній день - це відведення тепла. Так як потужні підсилювачі розсіюють велику кількість тепла, необхідно інтенсивно відводити це тепло, що не дозволяє мініатюризувати потужні підсилювачі.

В даний час багато підсилювачів виконуються на друкованих платах. Застосування друкованих плат дало можливість, у порівнянні з об'ємними конструкціями, збільшити щільність монтажу, надійність, ремонтопридатність, зменшити масу конструкції.

Характерною особливістю сучасних електронних підсилювачів є виняткове розмаїття схем, за якими вони можуть бути побудовані. Підсилювачі різняться за характером підсилюювальних сигналів [5].

Підсилювачі гармонічних сигналів, призначені для підсилення періодичних сигналів різної величини і форми

Підсилювачі імпульсних сигналів, призначені для підсилення неперіодичних сигналів, наприклад неперіодичної послідовності електричних імпульсів різної величини і форми.

Також підсилювачі розрізняються по призначенню, числу каскадів, роду живлення та іншими показниками.

Проте одним з найбільш істотних класифікаційних ознак є діапазон частот електричних сигналів, в межах якого даний підсилювач може задовільно працювати. За цією ознакою розрізняють такі основні типи підсилювачів.

Виборчі підсилювачі - підсилюють сигнали в дуже вузькій смузі частот. Для них характерна невелика величина відношення верхньої частоти до нижньої. Ці підсилювачі можуть використовуватися як на низьких, так і на високих частотах і виступають в якості своєрідних частотних фільтрів, що дозволяють виділити заданий діапазон частот електричних коливань. Вузька смуга частотного діапазону у багатьох випадках забезпечується застосуванням як навантаження у таких підсилювачів коливального контуру. У зв'язку з цим виборчі підсилювачі часто називають резонансними.



2. Характеристика пристрою

2.1 Основні параметри

Коефіцієнт посилення напруги КU -- відношення напруги сигналу на виході підсилювача до напруги сигналу, підведеного до його входу.

Коефіцієнт посилення потужності КP -- відношення потужності сигналу на виході підсилювача до потужності сигналу, підведеної до його входу. Часто коефіцієнт посилення виражають в децибелах КдБ = 20 lg, КU = 10 lg KP .

Амплітудно-частотна характеристика - залежність коефіцієнта посилення напруги від частоти. Елементами АХЧ є номінальний діапазон відтворних частот і її нерівномірність в цьому діапазоні.

Нерівномірність АЧХ - відношення найбільшого і якнайменшого коефіцієнтів посилення напруги в заданому діапазоні частот. Діапазон відтворних частот - діапазон частот, в межах якого нерівномірність АЧХ не перевищує заданою.

Вхідний опір - опір входу підсилювача для змінного струму. Звичайно нормують активну складову вхідного опору і вхідну місткість.

Вихідний опір - опір виходу підсилювача для змінного струму. Чим менше вихідний опір підсилювача, тим краще АЧХ по звуковому тиску.

Амплітудна характеристика підсилювача - залежність амплітуди вихідної напруги сигналу від амплітуди напруги сигналу на вході.

Нелінійні спотворення обумовлені нелінійністю ВАХ транзисторів і характеристик намагнічення магнітопроводів трансформаторів. Ці спотворення виявляються у вигляді нових компонентів спектру частот, відсутніх у вхідному сигналі. Спотворення, пов'язані з появою на виході ПП комбінаційних компонентів, називають інтермодуляціонними спотвореннями.

Рівень нелінійних спотворень оцінюють коефіцієнтами гармонік і інтермодуляціонних спотворень (інтермодуляції).

Коефіцієнт гармонік - відношення середньої квадратичної суми вищих гармонік до середньої квадратичної суми всіх гармонік сигналу (ГОСТ 9783-79).

Коефіцієнт інтермодуляціонних спотворень - відношення середньої квадратичної суми комбінаційних компонентів до компоненту вихідного сигналу, частота якого рівна частоті більш високочастотної вхідного сигналу.

Коефіцієнти інтермодуляцїї і інтермодуляціонних спотворень визначають при заданому співвідношенні амплітуд вхідних гармонійних сигналів.

Коефіцієнти гармонік і інтермодуляціонних спотворень взаємозв'язані. При нелінійності малого порядку (другого або третього) вони мають близькі значення. При вищих порядках нелінійності коефіцієнт інтермодуляціонних спотворень перевищує коефіцієнт гармонік. Тому нормувати і визначати їх при оцінці якості ПП слід окремо. Суб'єктивне сприйняття нелінійних спотворень при звуковідтворенні залежить в основному від відносних амплітуд комбінаційних компонентів. [6]

Динамічні спотворення - особливий вид спотворень, які виявляються в транзисторних ПП, охоплених глибокою НЗЗ, Ці спотворення обумовлені перевантаженням каскадів підсилювача унаслідок запізнювання напруги НЗЗ по відношенню до напруги вхідного сигналу. Динамічні спотворення залежать, зокрема, від швидкості наростання вихідного сигналу, яку можна визначити по перехідній характеристиці підсилювача.

Перехідна характеристика підсилювача - залежність вихідної напруги від часу, що пройшов після подачі на вхід підсилювача стрибка вхідної напруги.

Динамічні спотворення можна розділити на гармонійні і інтермодуляційні.

При гармонійних динамічних спотвореннях змінюється форма синусоїдального сигналу, якщо його амплітуда і частота перевищують критичні значення, визначувані максимальною швидкістю наростання вихідної напруги. Інтермодуляційні динамічні спотворення виникають за тих же умов, якщо посилюється складний сигнал.

Завади в підсилювачах обумовлені власними шумами, фоном (пульсації живлячих напруг) і наведеннями.

Рівень власних шумів підсилювача -- відношення середньої квадратичної напруги шумів (у заданій смузі частот) на виході підсилювача до напруги, відповідної номінальній потужності. Рівень шумів прийнято виражати в децибелах.

Рівень фону - відношення середньої квадратичної напруги суми складових фону (гармонік частоти живлячої мережі) до вихідної напруги при номінальній потужності. Аналогічно оцінюють і рівень наведень.

Максимальна вихідна потужність - вихідна електрична потужність, при якій обмеження по максимуму вихідного сигналу збільшує коефіцієнт гармонік по напрузі до 10%.

Номінальна вихідна потужність - вихідна потужність, що вказана в нормативно-технічній документації і є необхідною умовою при вимірюванні інших параметрів, наприклад, коефіцієнта гармонік, рівня перешкод і ін.

Чутливість підсилювача - напруга сигналу на вході, при якому вихідна потужність рівна номінальною.

Динамічний діапазон амплітуд - відношення (звично в децибелах) амплітуд найсильнішого і найслабкішого сигналів, які можуть бути посилені даним підсилювачем при допустимих спотвореннях і рівні перешкод. Рівень найслабкішого підсилюваного сигналу обмежується рівнем перешкод, найсильнішого - нелінійними спотвореннями.

Для хорошої якості відтворного сигналу динамічний діапазон амплітуд повинен складати 60 дБ.



2.2 Аналіз структурної схеми

В підсилювачах використовуються різноманітні схеми. Для наочного зображення пристрою підсилювача користуються структурною схемою яка зображена на рисунку 2.1, на якій прямокутниками з написами зображують основні частини пристрою, виконуючі певні функції, та основні взаємозв'язки між ними.

Звичайно підсилення сигналу, створюване одним каскадом, є недостатнім, тому застосовують багатокаскадні схеми підсилювачів. Сигнал, підсилений першим каскадом, подається на вхід другого, з виходу другого - на вхід третього і т.д. Тобто, здійснюється послідовне підсилювання сигналу колом каскадів.

Рисунок 2.1 - Структурна схема підсилювача потужності [6]

Вхідний каскад є входом підсилювача. Призначення вхідного каскаду - забезпечення узгодження вихідного опору джерела сигналу з вхідним опором першого каскаду попереднього підсилювання. Якщо вихідний опір джерела сигналу рівний вхідному опору попереднього каскаду або набагато більший, то в цьому випадку вхідний каскад не треба застосовувати, а якщо менше то слід застосувати.

Як вхідний каскад використовують каскад з загальним колектором, загальний витоком - такі каскади називають повторювачами.

Вимоги до каскадів попереднього підсилення виходять з їх призначення - підсилювати напругу або струм, створені джерелом сигналу на вході, до величини, необхідної для збудження каскадів підсилення потужності. Тому найбільш важливими показниками для попереднього каскаду є коефіцієнти підсилення напруги та струму, частотна характеристика і частотні спотворення.

Передкінцевий каскад (драйвер)є джерелом сигналу для кінцевого каскаду. Він повинен забезпечити такі умови роботи вхідного кола кінцевого каскаду, при яких останній зможе віддати в навантаження максимальну неспотворену потужність. Основні вимоги, які ставлять до передкінцевого каскаду, - велика амплітуда неспотвореного сигналу на виході та малий вихідний опір. Вибір схеми передкінцевого каскаду в конкретному підсилювачі залежить від виду та режиму кінцевого каскаду.

Кінцеві каскади відрізняються від каскадів попереднього підсилювання, в першу чергу, великим рівнем потужності сигналу. В підсилювачах низької частоти, працюючих на низькоомне навантаження, кінцевий каскад повинен віддавати визначену потужність на заданому опорі навантаження при коефіцієнті нелінійних спотворень, який не перевищує допустимої величини.



3. Методика розрахунку параметрів схеми

1 Вибір гучномовця виконується по потужності на навантаженні і смузі відтворюваних частот. Для нашого випадку обираємо гучномовець 0,15 ГД-1 з полосою пропускання частот 400…8000Гц та опором 6 Ом [7].

2 Вибір транзистора виконується по розсіювальній потужності та по граничній частоті підсилення. Транзистор повинен забезпечити вихідну потужність Р вих, мВт, сигналу в колекторному колі, яку вираховуємо за формулою:

1)

де Рн - потужність на навантаженні, мВт

з = к. к. д. трансформатора = 0,7

2) Потужність Рк, мВт, що розсіюється на колекторному колі

3) Необхідна потужність транзистора

де Кз = коефіцієнт запасу

4) Ркмаксtт обчислюється за формулою:



де Рк'- потужність транзистора з урахуванням коефіцієнта запасу, Вт;

tn.макс - максимальна температура колекторного переходу, С;

tт - значення температури вказане в довіднику, С;

tнавк - температура навколишнього середовища, С;

5) Визначаємо граничну частоту транзистора

де Fв - верхня полоса підсилювальних частот, кГц

Мв - коефіцієнт частотних відхилень

За попереднім розрахунком обираємо низькочастотний транзистор середньої потужності ГТ403А з стандартним тепловиводом. Його основні параметри [7]:

максимальна потужність при температурі 20 С становить 0,6 Вт.

максимальна напруга колекторно - емітерного переходу становить 30В;

гранична частота становить 1 Мгц;

коефіцієнт передачі струму в схемі зі спільним емітером 20…60;

власний зворотній струм колектора становить 20 мкА.

Розрахунок проводиться для середнього значення коефіцієнта передачі струму, h21e = 40.

3 Визначимо положення точки спокою на характеристиках, для цього визначаємо напругу на колекторі в режимі спокою, Uкeп, В, за формулою:

де Ukeмакс - максимальне значення напруги на колекторі, В;

Uke мін - мінімальне значення напруги на колекторі, В.

,

приймаємо 16В.

Струм спокою, І кп, А, в підсилювачі потужності, який працює в режимі А знаходимо за формулою:

де Рк - потужність, що розсіюється на колекторі, Вт;

Uкеп - напруга на колекторі в режимі спокою, В.

З характеристики транзистора ГТ403Авизначаємо струм спокою на емітері, Іеп, який становить 24 мА.

Визначимо амплітуду колекторної напруги Uкт, В, за формулою:

де Uкеп - напруга на колекторі в режимі спокою, В;

Uкеmin - мінімальне значення напруги на колекторі, В.

Визначаємо амплітуду струму колектора, І кт, А, за формулою:

де Рвих - вихідна потужність сигналу в колекторному колі, Вт;

Uкт - амплітуда колекторної напруги, В;

4 Розрахуємо еквівалентний опір колекторного кола по змінному струму, R'н за формулою:

де Uкт - амплітуда колекторної напруги, В;

Ікт - амплітуда струму колектора, А.

По динамічній лінії визначається максимальне та мінімальне значення струмів бази. Значення струмів бази становить: ІбN = 1,4 мА; ІбM = 2,5 мА. Відповідні напруги U БEN = 300 мВ; UБM= 100мВ;UБEП= 225мВ;

Визначимо середнє за період значення амплітуди вхідної напруги UБEmcp, мВ за формулою:

де - максимальне за період значення напруги, мВ;

UBEM- мінімальне за період значення напруги, мВ.

Визначаємо середню за період амплітуду струму бази,, мА за формулою:

де IBEN - максимальне за період значення струму, мА;

IBEM- мінімальне за період значення струму, мА.

Визначимо середній за період вхідний опір транзистора Rвх.е, Ом за формулою:

де - середнє за період значення амплітуди вхідної напруги, В;

- середня за період амплітуда струму бази, А.

5 Виконуємо розрахунок параметрів трансформатора. Необхідний коефіцієнт трансформації n, визначаємо за формулою:

де Rн = опір навантаження, Ом;

зтр= к.к.д трансформатора

R'н - еквівалентний опір колекторного кола по змінному струму, Ом.

Визначаємо опір первинної обмотки трансформатора постійному струму, r1, Ом за формулою:

де R'н - еквівалентний опір колекторного кола по змінному струму, Ом.

зтр= к.к.д трансформатора

= 23,7Ом

Активний опір вторинної обмотки вихідного трансформатора, r2, Ом визначаємо за формулою:



де r1-опір первинної обмотки трансформатора, Ом;

n - коефіцієнт трансформації;

Індуктивність первинної обмотки приймаємо L1 = 0,5 Г. Визначаємо частотні викривлення, які вносять трансформатор на нижній частоті, МнL1, за формулою:

де R'н - еквівалентний опір колекторного кола по змінному струму, Ом;

r1-опір первинної обмотки трансформатора, Ом;

Fн - нижня межа частот, Гц;

L1 - індуктивність первинної обмотки, Г.

Так як викривлення незначні, то нехтуємо ними. Знайдені значення параметрів вихідного трансформатора являються вихідними даними для його електричного і конструктивного розрахунку.

6 Виконуємо розрахунок резисторів підсилювача і напруги джерела живлення. Опір резистора, R6, Ом. Визначимо за формулою:

де Rвх.е - середній за період вхідний опір транзистора, Ом;

h21е - статичний коефіцієнт передачі струму емітера.

Визначаємо напругу джерела живлення Ек, В, за формулою:

де Uкеп - напруга на колекторі в режимі спокою, В;

R7 - опір резистора, Ом;

Ікп - струм спокою, А;

r - опір первинної обмотки трансформатора, Ом.

Розрахуємо струм дільника, Іділ, мА, за формулами:

де ІБП - струм спокою на базі транзистора, мА

де Ікп - струм спокою, А;

Приймаємо І діл = 15 мА, що складає приблизно 12% від струму І кп.

Розраховуємо опір резистора R6, Ом за формулою:

де ІЕП - струм спокою на емітері, А;

R6 - опір резистора з кола температурної стабілізації, Ом;

UБЕП - напруга спокою на базі, В;

ІДІЛ - струм дільника, А.

Розраховуємо опір резистора, R5, Ом за формулою:

де Ек - напруга джерела живлення, В;

ІДІЛ - струм дільника, А;

R6 - опір резистора, Ом;

ІБП - струм спокою на базі, А.

7 Оцінюємо коефіцієнт температурної нестабільності колекторного струму, q, за формулою:

де N - у нашому випадку дорівнює 1,41;

h21б - статичний коефіцієнт передачі струму бази, у нашому випадку дорівнює 0,975

При зміні температури навколишнього середовища до 400С струм колектора зміниться 1,1мА. Точка спокою незначно зміститься вгору.

8 Визначаємо ємність конденсатора, С3, мкФ, за формулою Ф:

де h21е - статичний коефіцієнт передачі струму емітера;

FH - нижня межа частот, Гц;

R'и - внутрішній опір джерела підсилюючого сигналу,Ом;

Rвх.е - середній за період вхідний опір транзистора, Ом;

М'с1 - коефіцієнт частотних викривлень від конденсатора С1.

9 Виконаємо оцінку нелінійних викривлень, обмежуючись основними викривленнями сигналу тільки по другій гармоніці. В транзисторі з спільним емітером нелінійність вхідного кола частково компенсується не лінійністю вихідного кола. Нелінійні викривлення вихідного кола по другій гармоніці відносно невеликі.

В реальних підсилювачах нелінійні викривлення вхідного кола транзистора слід знаходити з урахуванням внутрішнього опору джерела підсилюючого сигналу.

Опір входу транзистора для позитивної півхвилі R'вх.е , Ом визначаємо за формулою:

де U BEN - максимальне за період значення напруги, мВ;

UВЕП - напруга спокою на базі, мВ;

ІБМСР - середня за період амплітуда струму бази, мА.

Опір входу транзистора для негативної півхвилі R''вх.е , Ом визначаємо за формулою:

де UВЕП - напруга спокою на базі, мВ;

U BEМ - мінімальне за період значення напруги, мВ;

ІБМСР - середня за період амплітуда струму бази, мА.

Визначаємо коефіцієнт нелінійних викривлень по другій гармоніці, КГ2ВХ, за формулою:

де R''вх.е - опір входу транзистора для негативної півхвилі, Ом;

R'вх.е - опір входу транзистора для позитивної півхвилі, Ом;

R'и - внутрішній опір джерела підсилюючого сигналу, Ом;

Як бачимо, коефіцієнт досить невеликий і це задовольняє вихідні дані.

10 Вихідний опір підсилювача, R вх.п, Ом, визначаємо за формулою:

де Rвх.е - середній за період вхідний опір транзистора, Ом;

R6 та R5 - опори резисторів, Ом;

Визначаємо загальний ККД підсилювача, з, % за формулою:

де Рн - потужність на навантаженні, Вт;

Ек-напруга джерела живлення, В;

І кп - струм спокою, А;

І бп - струм спокою на базі, А;

І діл - струм дільника, А;



Висновки

Підсилювач потужності - це спеціальний електронний пристрій, розроблене для перетворення невеликого за потужністю електричного сигналу, який надходить від джерела, в більш потужний сигнал.

Призначення таких пристосувань - посилення електричного сигналу до значень звукового діапазону, які здатний сприйняти людський слух середньостатистичного обивателя (зазвичай це від 15 до 22 кілогерц).

Одним із основних напрямів створення високоякісних підсилювачів є застосування зворотного зв'язку. В підсилювачах застосовується зворотний негативний зв'язок за змінним та постійним струмом.

У сучасній техніці широко використовується принцип управління енергією, що дозволяє за допомогою витрати невеликої кількості енергії управляти енергією, але у багато разів більшою. Форма як керованої, так і керуючої енергії може бути будь-якою: механічною, електричною, світловою, тепловою та іншою.

В другому розділі описано основні характеристики, зображено структурну схему підсилювача потужності.

В ході курсової роботи було розраховано підсилювач потужності згідно заданих значень, детально опрацьована схема, принцип дії пісилювача потужності.

Підсилювачі потужності, застосовуються в багатьох галузях сучасної науки і техніки. Особливо широке застосування підсилювачі мають у радіозв'язку і радіомовлення, радіолокації, радіонавігації, радіопеленгації, телебаченні, звуковому кіно, дротовому зв'язку, техніці радіовимірювань, де вони є основою побудови всієї апаратури.



Список використаних джерел

1. Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова електроніка та мікросхемотехніка. Теорія і практикум: Навчальний посібник. - К.: Каравела, 2003. - 362 с.

2. Бойко В.І., Гуржій А.М., Жуйков В.Я. та ін.. Схемотехніка електронних систем. У трьох книгах. Книга 1. Аналогова схемотехніка та імпульсні пристрої: Підручник. - К.: Вища школа, 2004. - 366 с.

3. Бойко В.І., Гуржій А.М., Жуйков В.Я. та ін. Основи технічної електроніки. У двох книгах. Книга 2. Схемотехніка: Підручник. - К.: Вища школа, 2007. - 510 с.

4. Бочаров Л. Н. Расчет электронных устройств на транзисторах. - М.: Энергия, 1978. - 208 с.

5. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. - К.: Техника, 1973. - 308с.

6. Справочник по интегральным микросхемам / Под ред. Тарабрина Б.В.-М.: Радио и связь, 1984. - 528 с.

7. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных и полупроводниковых приборов. - К.: Издательство Киевского университета, 1985. - 282 с.

Размещено на Allbest.ru

...