Разработка и проектирование усилителя мощности звуковой частоты для стереоприемника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В курсовом проекте изложена информация о видах усилителей, об их основных параметрах, о классах усиления, о принципах построения усилителей звуковой частоты и их основные схемы, а также непосредственно информация о разработанном усилителе.

Целью данного курсового проекта является разработка и проектирование усилителя мощности звуковой частоты для стереоприемника. В практической части приведен принцип работы данного усилителя, а также расчет основных элементов в схеме.

В ходе проектирования был разработан стереоусилитель с высокими техническими показателями, которые обеспечивают громкое и качественное воспроизведение звука при минимальных искажениях принимаемого сигнала.

Разработанный усилитель может применяться не только для усиления сигналов со стереоприемника, но также для усиления низкочастотных сигналов принимаемых с различных устройств.

Усилители начали существовать практически с самого начала появления электровакуумных приборов. Однако первые усилители постоянного тока были основаны на реле. В наше время сигналы усиливаются не только с помощью электровакуумных приборов, но и с помощью полупроводниковых технологий: транзисторов и интегральных схем.

В свое время электровакуумные приборы совершили в радиотехнике подлинную революцию, коренным образом изменили конструкции передающих и приемных устройств, увеличили их дальность действия, позволили радиотехнике сделать гигантский шаг вперед и занять почетное место, буквально во всех областях науки, техники и производства, в нашей повседневной жизни. Но и сейчас, когда в радиоэлектронных устройствах в основном используются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы различного назначения, электровакуумные лампы продолжают «трудиться» во многих радиовещательных приемниках, радиолах, телевизорах. Основные причины, по которым вытеснялись лампы, является большие габаритные размеры ламп по сравнению с полупроводниковыми приборами, их большее потребление, малое усиление в усилителях, малый срок службы.

В современное время усилители на электровакуумных лампах применяют только ценители качественного звука, а усилители на полупроводниках используются во многих сферах электроники: радиовещании, радионавигации, телевидении, радиотелеметрии, радиоуправлении, а также в цифровой технике. Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное разнообразие электронных схем, по которым они могут быть построены. Усилители различаются по назначению, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям. Однако, одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать.

Усилитель низкой частоты или усилитель звуковой частоты применяется во всех устройствах, где необходимо усилить звук до требуемого значения. Они широко применяются для воспроизведения звука от различных источников: детектора радиовещательного радиоприемника, звукоснимателя проигрывателя грамзаписей, микрофона телефонного аппарата, электрогитары, телефонного аппарата и др. В зависимости от назначения в применяемой аппаратуре усилители звуковой частоты могут быть малой мощности, средней мощности, мощные усилители. Последние применяются, в основном, в концертных залах и в местах развлечений. Усилители, применяемые для высококачественного звуковоспроизведения, представляют собой сложное радиоэлектронное устройство, состоящее из последовательно включенных функционально завершенных устройств, таких как регуляторы громкости, согласующие устройства, регуляторы тембра, усилители мощности и др.

В курсовом проекте разрабатывается усилитель низкой частоты для радиоприемника второй группы сложности. Таким образом, целью данного курсового проектирования является приобретение практических навыков конструирования электронных схем усилителя звуковой частоты с заданными в техническом задании параметрами.



1. Теоретические основы разрабатываемого устройства

1.1 Классификация усилителей

Классификация усилителей может быть произведена по нескольким параметрам: по характеру усиливаемых сигналов, по роду усилительных элементов, по назначению, по роду электропитания, по классам усиления и другим показателям. Однако одним из наиболее существенных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого усилитель передает заданную мощность сигнала.

По этому признаку различают следующие виды усилителей:

Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых лежит от десятков герц до десятков килогерц.

Усилители постоянного тока, предназначенные для усиления медленно изменяющихся сигналов в диапазоне частот от нуля до десятков и сотен килогерц. Они применяются в устройствах автоматики, вычислительной техники и измерительной аппаратуре.

Избирательные усилители, предназначенные для усиления сигналов в очень узкой полосе частот. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах. Свое применение они находят в качестве своеобразных частотных фильтрах.

Широкополосные усилители, предназначенные для усиления в очень широкой полосе частот в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и выше. Эти усилители используются в устройствах импульсной связи, устройствах автоматики, вычислительной техники, радиолокации и телевидении.

Каскады усилителей отличаются большим разнообразием. Они могут выполняться на биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме ОБ, ОЭ (ОИ) или ОК (ОС).

По способу подключения нагрузки усилительные каскады могут быть трансформаторными и бестрансформаторными.

1.2 Основные характеристики усилителей

Важнейшими техническими характеристиками усилителя являются: коэффициенты усиления, входное и выходное сопротивления, выходная мощность, коэффициент полезного действия, номинальное входное напряжение (чувствительность), диапазон усиливаемых частот, а также показатели, характеризующие нелинейные и частотные искажения.

1) Коэффициенты усиления. Коэффициентом усиления по напряжению называют величину, показывающая, во сколько раз напряжение сигнала на выходе усилителя больше, чем на входе (формула 1.1):

где K_u - коэффициент усиления по напряжению;

U_вых - напряжение выходного сигнала, В;

U_вх - напряжение входного сигнала, В.

Коэффициент усиления, вычисленный по вышеприведенной формуле, представляет собой безразмерную величину. Учитывая, что в современных усилительных схемах коэффициент усиления, выраженный в безразмерных единицах, получается довольно большим числом, в электронике получил распространение способ выражения усилительных свойств в логарифмических единицах -- децибелах (формула1.2):



,

где K_u - коэффициент усиления по напряжению;

U_вых - напряжение выходного сигнала, В;

U_вх - напряжение входного сигнала, В.

Кроме коэффициента усиления по напряжению, пользуются коэффициентами усиления по току и по мощности, которые также могут быть выражены в децибелах(формулы1.3 и 1.4):

где K_I - коэффициент усиления по току;

I_вых - ток выходного сигнала, А;

I_вх - ток входного сигнала, А;

где K_P - коэффициент усиления по мощности;

P_вых - мощность выходного сигнала, Вт;

P_вх - мощность входного сигнала, Вт.

2) Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно рассматривать как активный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источник усиливаемого сигнала, а к выходным -- сопротивление нагрузки (рисунок 1.1).



Рисунок 1.1 -- Усилитель в виде четырехполюсника

Входное сопротивление R_вх усилителя в статическом режиме представляет собой сопротивление между входными зажимами усилителя (формула 1.5).

где R_вх - входное сопротивление усилителя, Ом;

U_вх - напряжение входного сигнала, В;

I_вх - ток входного сигнала, А.

Выходное сопротивление R_вых определяют между выходными зажимами усилителя при отключенном сопротивлении нагрузки R_н.

3) Выходная мощность -- это полезная мощность, развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении. При активном характере сопротивления нагрузки выходная мощность усилителя равна (формула 1.6):



где P_вых -- выходная мощность, Вт;

U_вых -- напряжение выходного сигнала, В;

R_н -- сопротивление нагрузки, Ом.

Увеличение выходной мощности усилителя ограничено искажениями, которые возникают за счет нелинейности характеристик усилительных элементов при больших амплитудах сигналов.

4) Коэффициент полезного действия -- это отношение полезной мощности, выделяемой на нагрузке, к мощности, потребляемой всеми элементами усилителя (формула 1.7):

где - коэффициент полезного действия, %;

P_вых - выходная мощность усилителя, Вт;

P₀ - потребляемая мощность, Вт.

Рисунок 1.2 -- Схема, показывающая потребляемую и выходную мощности

усилитель частота мощность проектирование

5) Номинальное входное напряжение (чувствительность). Номинальным входным напряжением называется напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем меньше величина входного напряжения, обеспечивающего требуемую выходную мощность, тем выше чувствительность усилителя.

6) Диапазоном усиливаемых частот называется та область частот, в которой коэффициент усиления изменился не больше, чем это допустимо по техническим условиям.

7) Нелинейные искажения представляют собой изменение формы кривой усиливаемых колебаний, вызванные нелинейными свойствами цепи, через которую эти колебания проходят. Основной причиной появления нелинейных искажений в усилителе является нелинейность характеристик усилительных элементов, а также характеристик намагничивания трансформаторов и дросселей с сердечниками.

Появление искажений формы сигнала, вызванных нелинейностью входных характеристик транзистора, показывает рисунок 1.3.

Рисунок 1.3 -- Нелинейные искажения транзистора

Предположим, что на вход подается синусоидальный сигнал. Попадая, на нелинейный участок входной характеристики, этот сигнал вызывает изменения входного тока, форма которого отличается от синусоидальной. В связи с этим и выходной ток, а значит, и выходное напряжение изменяют свою форму по сравнению с входным сигналом.

Известно, что всякая кривая может быть представлена суммой гармонических колебаний основной частоты и высших гармоник. Таким образом, в результате нелинейных искажений на выходе усилителя появляются высшие гармоники, т. е. совершенно новые колебания, которых не было на входе. Степень нелинейных искажений усилителя обычно оценивают величиной коэффициента нелинейных искажений (формула 1.8):

где K_г -- коэффициент гармоник, %;

P₂+P₃+...+P_n - сумма электрических мощностей, выделяемых на

нагрузке гармониками, появившимся в результате нелинейного

усиления, Вт;

P₁ - электрическая мощность первой гармоники, Вт.

8) Частотными называются искажения, обусловленные изменением величины коэффициента усиления на различных частотах.

Степень искажений на отдельных частотах выражается коэффициентом частотных искажений М, равным отношению коэффициента усиления на средней частоте K_ср к коэффициенту усиления на данной частоте K_f (формула 1.9):

где M - коэффициент частотных искажений;

K_ср - коэффициент усиления на средней частоте;

K_f - коэффициент усиления на данной частоте.

1.3 Режимы работы усилительных каскадов

Важным является также класс усиления, используемый в каскаде. В зависимости от выбора исходной рабочей точки на передаточной характеристике различают режимы работы: А, В, АВ, С и D.

Режим А - это режим, при котором исходная рабочая точка П, определяющая состояние схемы при отсутствии сигнала и так называемый ток покоя I_кп, располагается примерно на середине линейного участка характеристики (рисунок 1.4).

В этом режиме напряжение смещения U_бп всегда больше амплитуды входного сигнала U_бп > U_{вх m}, а постоянная составляющая коллекторного тока больше или примерно равна амплитуде переменной составляющей I_кп ? I_кm. Синусоидальному входному сигналу соответствует синусоидальный выходной ток, нелинейные искажения минимальны, но КПД каскада составляет лишь 20 - 30%.

Рисунок 1.4 - Режим А работы усилительного каскада



Режим В - это режим, при котором исходная рабочая точка совпадает с началом координат, т.е. ток покоя отсутствует I_кп = 0 (рисунок 1.5). При подаче на вход синусоидального сигнала ток в выходной цепи протекает лишь в течение половины периода и имеет форму импульсов с углом отсечки и = р/2.

Рисунок 1.5 - Режим В работы усилительного каскада

КПД каскада, работающего в режиме В, достигает 60 - 70%. Однако форма выходного сигнала искажена из-за нелинейного участка передаточной характеристики.

Режим АВ, как видно из рисунка 1.6 занимает промежуточное положение.

Рисунок 1.6 - Режим АВ работы усилительного каскада



Угол отсечки в этом режиме несколько больше за счет сдвинутой из нуля исходной, рабочей точки П с помощью тока покоя I_кп в начало линейного участка передаточной характеристики.

При режиме С точка покоя располагается на горизонтальной оси, левее точки пересечения проходной характеристики с горизонтальной осью (рисунок 3), и ток при отсутствии сигнала, а также при слабых сигналах равен 0. В таком режиме угол отсечки меньше 90є.

Рисунок 1.7 - Работа усилительного элемента в режиме С

В режиме С использование двухтактной схемы не дает возможности получить в выходной цепи сигнал той же формы, что и подаваемой во входную, почему такой режим не применяют для усиления гармонических сигналов произвольной формы. Тем не менее, этот режим может быть использован в однотактной схеме для усиления прямоугольных импульсов одной полярности, если пропорциональность выходных импульсов входным не является необходимой.

Отношение амплитуды первой гармоники выходного тока к его среднему значению в режиме С выше, чем в режиме В и растет с уменьшением угла отсечки. Поэтому, а также из-за отсутствия тока покоя, КПД режима С ещё выше, чем режима В. КПД в режиме С достигает 80% и более, поэтому такой режим широко используется в мощных резонансных усилителях, где нагрузкой является параллельный резонансный контур, настроенный на частоту подаваемого на вход синусоидального колебания или на одну из его высших гармоник.

1.4 Структура усилителей низкой частоты

Вне зависимости от назначения усилителя в его схему входят: входное устройство, выходное устройство и вспомогательные устройства, предварительный и мощный усилители. Каждое устройство усилителя выполняет определенные функции (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 -- Структурная схема усилителя

В качестве источника входного сигнала в УНЧ могут использоваться такие устройства, как микрофон, звукосниматель, фотоэлемент, термопара, детектор и т. п. Нагрузки тоже могут быть разнообразными: громкоговоритель измерительный прибор, последующий усилитель, осциллограф, реле и т. д.

Входное устройство усилителя предназначено для разделения постоянной составляющей тока или напряжения источника сигнала и входной цепи первого транзистора (или микросхем), согласования входного сопротивления усилителя с выходным сопротивлением источника сигнала и повышения напряжения сигнала на входе первого каскада усилителя.

В каскадах предварительного усиления используют транзисторы с большим коэффициентом усиления и микросхемы. Режим их работы, способ включения и детали схемы выбирают так, чтобы получить возможно большее усиление сигнала при малом расходе питания. В качестве предварительного усилителя может быть использован операционный усилитель на микросхеме или предварительный усилитель на транзисторах.

При использовании в схеме предварительного усилителя в качестве усилительного элемента транзистора схема имеет вид, представленный на рисунке 1.9. Транзистор обычно включают по схеме с общим эмиттером, это позволяет соединять последовательно несколько каскадов усиления, получая от каждого каскада максимальное усиление напряжения.

Рисунок 1.9 -- Принципиальная схема предварительного усилителя на транзисторе

Элементы схемы имеют следующее назначение: R_н -- нагрузочный резистор в цепи коллектора; C_р -- разделительный конденсатор; резисторы R1 и R2 -- делитель напряжения, с которого снимается постоянное напряжение смещения на базу транзистора относительно эмиттера. Цепь R_э C_э обеспечивает температурную стабилизацию режима работы транзистора. При увеличении, например, температуры окружающей среды увеличивается ток в цепи эмиттера и падение напряжения, создаваемое этим током на резисторе R_э, которое приложено плюсом к базе транзистора, а минусом к эмиттеру. В результате этого уменьшается ток базы транзистора и ограничивается рост тока эмиттера. Блокировочный конденсатор большой емкости C_э создает цепь переменной составляющей тока эмиттера.

Важную роль играют резисторы R1 и R2 в цепи базы, обеспечивающие выбор исходной рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора (рисунок 1.10) и определяющие режим работы каскада по постоянному току.

Рисунок 1.10 -- Выходные и входные характеристики биполярного транзистора

Предварительные каскады усилителя с трансформаторной нагрузкой используют реже из-за дополнительных нелинейных и частотных искажений вносимых трансформатором, а также его больших габаритов.

Выходной каскад усилителя предназначен для отдачи заданной величины мощности сигнала в заданное сопротивление нагрузки. Для выходных каскадов особенно важны такие характеристики как коэффициент полезного действия, коэффициент нелинейных искажений сигнала. Выходной каскад должен быть как можно экономичнее при максимальной мощности с минимальными искажениями сигнала. Для выделения в нагрузке заданной мощности на вход каскада подается большая амплитуда сигнала, захватывающая значительную область характеристик транзистора. Поэтому увеличение мощности, развиваемой усилителем в нагрузке, сопровождается возрастанием нелинейных искажений.

Величина максимальной неискаженной мощности и коэффициент полезного действия оконечного каскада зависит от типа транзистора, режима работы и схемы каскада. Различают однотактные и двухтактные схемы включения, трансформаторные и бестрансформаторные выходные каскады. Однотактные схемы включения используют при небольшой выходной мощности усилителя.

Для получения большой выходной мощности применяют двухтактные схемы с трансформаторным выходом. Выходной трансформатор во многом определяет качество работы усилителя и оказывает влияние на такие параметры, как частотная характеристика, нелинейные искажения и КПД каскада. При этом используются мощные транзисторы, которые могут быть включены параллельно в каждом плече каскада.

Двухтактный усилитель мощности с трансформаторной связью показан на рисунке 1.11. Он выполнен на двух трансформаторах T1 и T2. Нагрузка R_н подключается с помощью выходного трансформатора Т2. Коллекторная цепь транзистора VT1 подключена к первой секции его первичной обмотки щ_2-1, а транзистора VT2 ко второй секции щ_2-2. Трансформатор Т1 выполняет функцию входного трансформатора. Он обеспечивает подачу входного сигнала на базовые цепи обоих транзисторов.



Рисунок 1.11 -- Двухтактный усилитель мощности с трансформаторной связью

В отсутствие входного сигнала напряжения на базах обоих транзисторов относительно эмиттеров равны нулю. Токи в усилителе равны нулю и U_вых = 0.

При подаче входного сигнала, начинающегося с положительной полуволны, на вторичной обмотке щ_1-1 трансформатора T1 действует относительно эмиттеров отрицательная полуволна напряжения, а на вторичной обмотке щ_1-2 - положительная полуволна. В результате транзистор VT2 остается закрытым, а через базу транзистора VT1 протекает ток i_б1. Транзистор VT1 открывается и через него протекает коллекторный ток i_к1, а в обмотке щ_2-1 создается напряжение. На нагрузке действует положительная полуволна напряжения.

При поступлении на вход усилителя отрицательной полуволны напряжения полярность напряжений на вторичной обмотке T1 изменяется на обратную. Теперь в закрытом состоянии будет находиться транзистор VT1, а в усилении сигнала будет участвовать транзистор VT2. На обмотке щ_2-2 трансформатора Т2 от протекания тока i_к2 создается напряжение той же величины, что и в первом случае, только обратной полярности. На нагрузке будет действовать отрицательная полуволна напряжения.

Таким образом, процесс усиления входного сигнала осуществляется в два такта работы схемы.

Для уменьшения искажений в режиме B в цепи баз обоих транзисторов вводят дополнительные резисторы (R1, R2), которые задают некоторое начальное смещение на базах транзисторов, соответствующее режиму AB, т.е. рабочую точку смещают в начало линейного участка вольтамперной характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады на транзисторах и микросхемах применяют в высококачественных усилителях. Основными достоинствами бестрансформаторных оконечных каскадов, благодаря которым они получили широкое распространение, являются простота их устройства и налаживания, высокий КПД, достигающий 75%, и широкая полоса усиливаемых частот.

Для выяснения принципов работы бестрансформаторных усилителей мощности рассмотрим два каскада усиления режима В с общими коллекторами, в которых применены транзисторы разных проводимостей (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 -- Двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности

По постоянному току транзисторы включены последовательно, образуя как бы делитель, напряжения питающего их источника постоянного тока. Резистор R_н включен в эмиттерные цепи транзисторов: для транзистора VT1 - через конденсатор С2, для транзистора VT2 - через конденсатор С1. Таким образом, транзисторы по переменному току включены по схеме ОК (эмиттерные повторители) и работают на одну общую нагрузку.

На базах обоих транзисторов усилителя действует одинаковое по значению и частоте переменное напряжение, поступающее от предоконечного каскада. А так как транзисторы разной структуры, то и работают они поочередно, на два такта: при отрицательной полуволне напряжения открывается только транзистор VT2 и в цепи резистор R_н -- конденсатор С2 появляется импульс коллекторного тока (на рисунке 1.13 - график б), а при положительной полуволне открывается только транзистор VT1 и в цепи резистор R_н -- конденсатор С1 появляется импульс коллекторного тока этого транзистора (на рисунке 1.13 - график в). Таким образом, через резистор R_н течет суммарный ток транзисторов (на рисунке 1.13 - график г), представляющий собой усиленные по мощности колебания звуковой частоты. Практически получается тот же эффект, что и в усилителе с трансформаторами, но, благодаря использованию транзисторов разной структуры, отпадает надобность в устройстве для подачи на базы транзисторов сигнала в противофазе.

Рисунок 1.13 -- Графики тока в усилителе мощности

Схеме на рисунке 1.12 присуще следующее свойство: выходной сигнал отслеживает входной сигнал с разницей на величину падения напряжения U_бэ; на положительном интервале входного сигнала выходное напряжение примерно на 0,6 В меньше, чем входное, на отрицательном интервале наоборот. Для синусоидального входного сигнала выходной сигнал будет таким как показано на рисунке 1.14. Такое искажение сигнала называется переходным искажением. Поэтому лучше всего сместить двухтактный каскад в состояние проводимости как показано на рисунке 1.15.

Рисунок 1.14 -- Искажение выходного сигнала в двухтактном усилителе мощности

Рисунок 1.15 -- Смещение двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности



Резисторы смещения R переводят диоды в состояние проводимости, благодаря этому напряжение на базе VT1 превышает входное напряжение на величину падения напряжения на диоде, а напряжение на базе VT2 на величину падения напряжения на диоде меньше, чем входное напряжение. Теперь, когда входной сигнал проходит через нуль, один из транзисторов всегда открыт. Резистор R выбран так, чтобы обеспечивать необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала.

Вывод. Усилитель звуковой частоты представляет собой электронное устройство для усиления принимаемых сигналов в звуковом диапазоне. В зависимости от конкретного применения усилителя его технические параметры могут различаться: высококачественные усилители имеют лучшие параметры, а усилители 1-ого класса имеют более низкие характеристики. В зависимости от их назначения усилители могут быть построены по различным схемам: предварительный усилитель и усилитель мощности могут быть в одной микросхеме, а в более мощных усилителях выходной каскад выполняется исключительно на комплементарных транзисторах, которые работают в классе B.



2. Практическая часть

2.1 Выбор схемы устройства

Схема должна соответствовать следующим характеристикам:

- диапазон частот 50 Гц - 20 кГц;

- мощность выходного сигнала 10 Вт;

- коэффициент нелинейных искажений не более 0,1 %.

Исходя из этого был разработан усилитель на операционном усилителе с выходным каскадом на транзисторах.

Основными особенностями данного усилителя является использование операционного усилителя в малосигнальном режиме, что увеличивает полосу частот воспроизводимых сигналов; использование транзисторов выходного каскада в схеме с общим эмиттером, что позволяет разместить транзисторы на общем теплоотводе.

Операционный усилитель используется не стандартно: выходной сигнал для мощного усилителя снимается не с выхода, а с резисторов в цепи питания.

В качестве операционного усилителя была выбрана микросхема КР544УД2А, так как она обладает широкой полосой пропускания, высокой скоростью нарастания напряжения на выходе и схемой балансировки, а также низкой стоимостью по сравнению с другими микросхемами с равными характеристиками.

Для получения высокой выходной мощности напряжение питания данного усилителя составляет +30В и -30В. Для снижения напряжения питания операционного усилителя были использованы каскады для обоих плеч с ОБ на комплементарных транзисторах КТ315А и КТ361А.

В качестве мощных транзисторов для оконечного каскада были применены КТ818Г и КТ819Г с, примерно, одинаковым параметром h₂₁, так как они обладают высокой проходной мощностью и низкой емкостью переходов.

Так как целью данного проекта является разработка усилителя для стереоприемника, то спроектировано два одинаковых усилителя, которые работают на две одинаковые акустические головки.

2.2 Обоснование элементов схемы

усилитель частота мощность проектирование

Структурная схема усилителя представлена в приложении А.

Разработанный усилитель мощности звуковой частоты, в основном, состоит из схемы питания и самого усилителя. В схему усилителя непосредственно входят входное устройство А1, операционный усилитель А3, схема отрицательной обратной связи А5, выходной усилитель А8, нагрузка А9. В свою очередь операционный усилитель А3 состоит из входного дифференциального усилителя А3.1, предварительного усилителя А3.2 и выходного усилителя А3.3. В схему питания входит понижающий трансформатор А2, выпрямитель А4, сглаживающий фильтр А7 и цепь снижения напряжения питания операционного усилителя (ОУ) А5.

Электрическая принципиальная схема усилителя приведена в приложении B.

Входное устройство состоит из фильтра низких частот R1C8, а также С3, R4. Схема отрицательной обратной связи операционного усилителя состоит из R10 и R9. Выходной усилитель состоит из транзисторов VT1 - VT6, которые подключены в схеме с общим эмиттером. Нагрузкой данного усилителя является акустическая головка BA1.

Входной сигнал через входную цепь поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. В свою очередь входная цепь состоит из С3, R1, R4, C8. Конденсатор С3 -- разделительный конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую со входа и на вход. Резистор R4 предназначен для смещения транзисторов в операционном усилителе на входе. Цепь R1C8 образует фильтр низких частот с частотой среза в области 60 кГц. АЧХ фильтра показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 -- АЧХ фильтра низких частот

Операционный усилитель DA1 подключен по схеме неинвертирующего усилителя. Так как сигнал для предоконечного каскада снимается с цепей питания, транзисторы насыщаются током, представляющим собой разность тока потребления при максимальном выходном напряжении для данного сопротивления нагрузки и тока покоя операционного усилителя. Для получения значительного разностного тока при малом выходном напряжении операционный усилитель нагружен резистором R13 малого сопротивления. Однако, уменьшение нагрузки операционного усилителя приводит к увеличению нелинейных искажений на высших частотах. Одновременно с ростом частоты падает коэффициент полезного действия и растет потребляемый операционным усилителем ток.

Для уменьшения проявления этих недостатков выход усилителя соединен с выходом операционного усилителя через конденсатор C10, образующий вместе с резистором нагрузки R13 частотно зависимый делитель напряжения. Благодаря этому с ростом частоты часть тока в нагрузку операционного усилителя поступает с выхода усилителя, что эквивалентно возрастанию ее сопротивления.

Соотношение между сопротивлениями резисторов R10 и R9 цепи ООС выбрано из условия получения номинального входного напряжения, равного 0,8 В.

Операционный усилитель DA1 питается через транзисторы VT1 и VT2, которые снижают напряжения питания до требуемых значений. Транзисторы подключены по схеме с общей базой. Делитель на резисторах R5R6 и R7R8 создает необходимые напряжения смещения для транзисторов VT1 и VT2.

Токи покоя транзисторов создают падения напряжения на резисторах R11 и R12, достаточные для обеспечения необходимого напряжения смещения на базах транзисторов VT3, VT4 и VT5, VT6. При этом напряжения смещения для транзисторов оконечного каскада (0,35...0,4В), чтобы они оставались надежно закрытыми при повышении напряжения питания на 10 -- 15 % и перегреве на 60...80 градусов. Снимаются они с резисторов R14, R15, которые одновременно стабилизируют режим работы транзисторов предоконечного каскада и создают местные ООС по току.

Стабилизация режимов работы транзисторов практически отсутствует, так как транзисторы VT5 и VT6 работают при токе покоя практически равном нулю, а транзисторы VT3 и VT4 расположены на индивидуальном теплоотводе и используются при комнатной температуре.

Конденсаторы C9, С11 корректируют фазочастотную характеристику предоконечного и оконечного каскадов, предотвращая их самовозбуждение при неудачном монтаже. Катушка L1 повышает стабильность работы усилителя при значительной емкостной нагрузке. Питается усилитель от двухполярного питания +30В и -30В. Источник питания состоит из трансформатора Т1, который преобразует напряжение сети в более низкие напряжения (23В); выпрямителя VD1-VD4 и сглаживающего фильтра C4 и C5, которые преобразуют переменную составляющую в постоянную, необходимую для работы усилителя.



2.3 Расчет элементов схемы

Для получения напряжения питания операционного усилителя U_питОУ=13,5 В нужно рассчитать резисторы в цепях базы транзисторов (формулы 2.1 и 2.2):

где R5=R8 - сопротивление резисторов, Ом;

U_пит - напряжение одного источника питания, В;

U_бэ - напряжение база-эмиттер, В;

U_питОУ - напряжение питания операционного усилителя, В;

I_д - ток делителя, А;

I_б - ток базы, А.

где R6=R7 - сопротивление резисторов, Ом;

U_бэ - напряжение база-эмиттер, В;

U_питОУ - напряжение питания операционного усилителя, В;

I_д - ток делителя, А.

Ток базы I_б находим по входной характеристике КТ315 или КТ361 (рисунок 2.2).



Рисунок 2.2 - входная характеристика КТ315

Напряжение U_бэ выбираем равным 0,7 В - значит ток базы I_б=0,6 мА.

Ток делителя рассчитываем по формуле 2.3

где I_дел - ток делителя, А;

I_б - ток базы, А.

I_дел=5*0,006=0,03 (А)

2) Исходя из того, что ток покоя операционного усилителя равен 6 мА и, что падение на резисторах R11 и R12 должно быть равным 1 В, рассчитываем сопротивление резисторов R11 и R12 (формула 2.4):



где R11=R12 - сопротивление резисторов, Ом;

U_R11 - напряжение, падающее на резисторе, В;

I_пОУ - ток покоя операционного усилителя, А.

3) Транзисторы выбираем из условия (формула 2.5):

U_кэмах=2U_пит

где U_пит - напряжение одного источника питания, В;

U_кэмах - максимальное напряжение коллектор-эмиттер для

транзистора, В.

U_кэмах=2*30=60 (В)

4) Рассчитаем амплитуду выходного напряжения операционного усилителя при сопротивлении нагрузки операционного усилителя R13=39 Ом с выходными транзисторами КТ818 и КТ819.

Амплитуда тока коллектора (формула 2.6) при сопротивлении нагрузки 4 Ом, U_КЭнас=2 В:

где I_кm1 -амплитуда тока коллектора одного оконечного транзистора, А;

U_пит - напряжение одного источника питания, В;

U_КЭнас - напряжение насыщения коллектор-эмиттер оконечного транзистора, В;

R_н - сопротивление нагрузки, Ом.

Приняв h₂₁=20 для КТ818 и КТ819, получим амплитуду токов базы (формула 2.7):

где I_бm1 - амплитуда тока базы одного оконечного транзистора, А;

I_кm1 - амплитуда тока коллектора одного оконечного транзистора, А.

Аналогично для предоконечных транзисторов КТ814 и КТ815 с h₂₁=30 получаем их токи базы по формуле 2.8, учитывая, что I_бm1=I_кm2:

где I_бm2 - амплитуда тока базы одного предоконечного транзистора, А;

I_кm2 - амплитуда тока коллектора одного предоконечного транзистора, А.

Потери в резисторах нагрузки не учитываем, так как они компенсируются более высокими значениями коэффициента h₂₁ реальных транзисторов.

Достигнуть значения 11 мА разностный ток ?I_пит может при амплитуде напряжения на нагрузке операционного усилителя равной (формула 2.9):

где U_выхОУ - выходное напряжение операционного усилителя, В;

?I_пит - разностный ток, А;

R_н - сопротивление нагрузки, Ом.

5) Для получения номинального входного напряжения U_вх=0,7 В рассчитываем лишь резистор R9 (формула 2.10) в цепи обратной связи операционного усилителя:

где R9, R10 - сопротивления в цепи обратной связи, Ом;

U_пит - напряжение одного источника питания, В;

U_КЭнас - напряжение насыщения коллектор-эмиттер оконечного

транзистора, В;

U_вх - требуемое входное напряжение, В.



2.4 Разработка печатной платы устройства

Схема рисунка печатной платы приведена на рисунке 2.3

Конструкция усилителя может быть различной, однако есть некоторые конструктивные особенности. Длина выводов деталей составляет не более 7…10 мм. Плата закреплена на каркасе с помощью винтов вблизи теплоотвода оконечного каскада. Для большей помехоустойчивости и защиты каскадов от самовозбуждения длина проводников составляет не более 100 мм. Провода питания соединяются к каждому каналу отдельно.

Сечение проводов в цепях питания, а также в цепях эмиттеров и коллекторов транзисторов оконечного каскада составляет 1,5 мм².

Транзисторы предоконечного и оконечного каскадов расположены на общем теплоотводе из алюминиевого сплава площадью около 1200 см². Транзисторы закреплены через изоляционную прокладку и смазаны термопастой для лучшей теплопроводности.

Рисунок 2.3 - Схема дорожек печатной платы усилителя



Вывод

Усилители мощности звуковой частоты различаются большим разнообразием схем в зависимости от требуемых параметров, от применяемой элементной базы, а также схем включения.

Разработанный усилитель выполнен с нестандартным включением операционного усилителя для высокой скорости нарастания напряжения на выходе и выходном каскаде на транзисторах, включенных по схеме с общим эмиттером для увеличения амплитуды токов и напряжений на выходе. Данная компоновка позволяет добиться высоких показателей: коэффициент нелинейных искажений не более 0,01%, диапазон частот 20…20000 Гц, номинальная выходная мощность 30 Вт на нагрузке 4 Ом.



Заключение

усилитель частота мощность проектирование

Усилители звуковых частот являются функционально простыми радиотехническими устройствами, но, если задачей является получение огромной выходной мощности с минимальными искажениями и количеством каналов больше двух, то усилитель превращается в довольно сложный комплекс, состоящий из нескольких узлов и блоков, которые необходимо рассчитывать и настраивать.

Выбор той или иной схемы усилителя зависит от многих факторов: от требований к звуку, воспроизводимому всей системой; от параметров дополнительного оборудования и, что наиболее важно, акустических систем, которые будут использоваться совместно с данным усилителем; от условий эксплуатации, которые определяют степень надежности; а также от удобства в использовании.

Спроектированный усилитель обладает довольно высокой выходной мощностью с хорошим звуковоспроизведением для бытового применения и соответствует всем параметрам приведенным в техническом задании.



Список использованных источников

1. Гершунский, Б. С. Основы электроники: учеб. для техникумов / Б. С. Гершинский, А. В. Дьячков. - М.: Вища школа, 2012. - 344с.

2. Городилин, В. М. Регулировщик радиоаппаратуры: учеб. для сред.проф.-техн. Училищ / В. М. Городилин, Е. А. Варшавская, В. М. Боровков, Т. В. Папина. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2013. - 176 с. - ил.

3. Гумеля, Е. Качество и схемотехника УМЗЧ / Е. Гумеля // Радио. - 2012. - №9. - С. 31-35.

4. Гумеля, Е. Качество и схемотехника УМЗЧ / Е. Гумеля // Радио. - 2014. - №5. - С. 43-46.

5. Хоровиц, П. Искусство схемотехники: в 3-х томах / П. Хоровиц, У. Хилл, Б. Н. Бронин, А. И. Коротов, М. Н. Микшис, О. А. Соболева. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 2013. - 413с. - ил.

Размещено на Allbest.ru

...