Расчет усилителя мощности низкой частоты

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования

«тюменский государственный нефтегазовый  университет»

 

институт ГЕОЛОГИИ и НЕФТЕГАЗОДОБЫЧИ

 

КАФЕДРА АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к  курсовой работе

по дисциплине  «Электроника»

Тема: «Расчет  усилителя мощности низкой частоты»

вариант 33

 

 

 

 

 

 

                                               Выполнил:

                                                                  студент группы АТПз - 10 - 1  

                                                    Новиков Д.И.

 

                                             Принял:

                                                                           Доцент, к.т.н. Сватов В.Ф.

 

 

 

 

Тюмень 2013

 

 

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………..3

1. Предварительный расчет УНЧ……………………………………………4
1. Разработка технического задания (ТЗ) ………………………………….4
2. Разработка структурной схемы УНЧ ……………………………………5
3. Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ ……………..9
2. Окончательный расчет УНЧ ……………………………………………..11
1. Окончательный расчет оконченного каскада УНЧ …………………
2. Расчет каскада предварительного усиления………….

Заключение…………..

Список литературы……………..

Приложение А – Данные для расчета…………..

Приложение Б – Принципиальная схема усилителя низкой частоты……..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Усилитель низких частот (УНЧ) прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети и т. д.

УНЧ предназначены для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный спектр которых находится в пределах от десятков герц до десятков килогерц. УНЧ строятся преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном выполнении.

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

• трансформаторные в основном такая схема согласования

применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки. Некоторые транзисторные усилители также имеют трансформаторное согласование с нагрузкой.

• бестрансформаторные   в силу дешевизны, малого веса и большой полосы часто бестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные схемы легко реализуются на транзисторах. Обусловлено это низким выходным сопротивлением транзнсторов в схеме эмиrгерного (истокового) повторителя, возможностью применения комплементарных пар транзисторов. На лампах бестрансформаторные схемы реализовать сложнее, это либо схемы, работающие на высокоолiную нагрузку, либо сложные схемы с большим количеством параллельно работающим ВЫХОДНЫХ ламп.

 

 

 

 

 

1. Предварительный  расчет УНЧ

Содержанием предварительного расчета УНЧ является:

1. Разработка технического задания (ТЗ), то есть определение основных показателей, которые должны иметь проектируемый УНЧ.

 В Т3 приводиться напряжение  источника входного сигнала Uвх; диапазон частот усиливаемого сигнала (fн-fв); напряжение Uвых или мощность Рвых на выходе усилителя; сопротивление нагрузки Rн; коэффициент частотных искажений на нижней частоте диапазона Мн.; система питания усилителя.

Эти основные выходные данные могут быть дополнены специальными требованиями, обусловленными назначением и условиями роботы УНЧ.

2) Разработка структурной  схемы УНЧ с приведением технических  требований к отдельным узлам: ориентировочно выбирают типы  транзисторов отдельных каскадов, распределяют по каскадам общий  коэффициент усиления, частотные  та нелинейные искажения, определяют  регулируемые параметры -усиление, тембр и др.

 

1. Разработка технического задания (ТЗ)

 

Для предварительного расчета УНЧ исходными данными являются:

1) требуемая мощность  на выходе УНЧ – Рвых;

2) сопротивление нагрузки  — Rн;

3) напряжение источника входного сигнала - Uвх

4) внутреннее сопротивление  источника сигнала — Ru;

5) диапазон частот (fн-fв).

Считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях. Температура окружающей среды: Тmin +15 °С ;Тmax _ +25 °С.

Рвых1 Вт,Rн = 4 Ом; (fн-fв) = (50-20000) Гц, Мн = Мв = 1,9.

Необходимо спроектировать бестрансформаторный УНЧ и определить:

1. коэффициент усиления УНЧ по мощности Кр;
2. тип схемы выходного каскада;
3. типы транзисторов каскадов усиления;

 

4. число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);
5. электрическую принципиальную схему УНЧ;
6. параметры элементов каждого каскада, режимы работы транзисторов. Задавшись исходными данными на проектирование УНЧ, переходят к разработке его структурной схемы.

 

2. Разработка структурной схемы УНЧ

 

Для этого необходимо определить:

1) коэффициент усиления  УНЧ по мощности Кр;

2) число каскадов усиления (структурную схему УНЧ);

3) тип схемы и типы  транзисторов выходного (оконечного) каскада. Порядок расчета УНЧ:

1. Находим мощность входного сигнала.

Отметим, что максимальная мощность отдается источником входного сигнала нагрузке, когда входное сопротивление каскада равно внутреннему сопротивлению источника (Rвх = Ru)

Тогда

(1),

где Rвх - входное сопротивление первого каскада УНЧ.

 

2. Находим требуемый коэффициент усиления по мощности

В общем случае коэффициент усиления УНЧ по мощности определяется по формуле:

,   (2)

Где  - к.п.д. входного трансформатора, задается в пределах (0,7…0,8);- к.п.д. выходного трансформатора, задается в пределах (0,75…0,85);

 

– коэффициент передачи регулятора уровня сигнала, задается в пределах (0,3…0,5).

Поскольку для выходного каскада выбрали двухтактную бестрансформаторную схему, то из формулы (2) необходимо убрать

Тогда получим:

.  (3)

 

Выразим коэффициент усиления по мощности в децибелах:

,  (4)

 

 

3. Находим ориентировочно число каскадов усиления и составим структурную схему УНЧ.

УНЧ состоит из нескольких каскадов, которые осуществляют последовательное усиление сигнала.

Структурная схема УНЧ приведена на рис. 1 , где цифрами 1-3 обозначены каскады предварительного усиления, а цифрой 4 -выходной (оконечный) каскад.

Рисунок 1 - Структурная схема усилителя низкой частоты

Для предварительного усиления, как правило, применяют усилители с ОЭ. При определенных условиях можно считать, что каждый усилитель по схеме с ОЭ обеспечивает усиление мощности приблизительно на 20 д6. Тогда:

m= ,  (5)

m = 71 / 20 = 3.55≈4

 

Полученные значения m округляем до ближнего большего целого.

Поскольку бестрансформаторные оконечные каскады чаще строят по схеме с ОК, которые не имеют усиления по напряжению, то можно считать величину их усиления по мощности равной 10 дб.

В таком случае усиление в схеме УНЧ составит:

.

4. Предварительныйрастётоконечного каскада УНЧ.

Известно большое число различных схем с бестрансформаторным выходом, которые отличаются по типу проводимости транзисторов, способом их включения, режимом работы (АВ или В), а также видом связи оконечного каскада с предварительной и нагрузкой.

 При этом важны следующие  рекомендации:

- для мощностей выше 50 мВт, необходимо применять двухтактную схему, режим (АВ или В), с мощностью транзисторов (малая, средняя или большая) определяются исходя из значения Рвых;

- высокие качественные  показатели имеют каскады, в которых  применяют транзисторы разного  типу электропроводности (комплементарные  пары); - режим В имеет высокий  КПД (ɳ = 0,6÷0,7), однако в этом режиме большие нелинейные искажения.

Выходя из этого преимущество следует отдать бестрансформаторному каскаду усиления на транзисторах разного типу проводимости (рис.1,а) и режиму АВ . Режим АВ имеет меньшие искажения сигнала, чем режим В . Электропитание такого каскада возможно от однополярного источника. В таком случае нагрузка подключается через конденсатор большой емкости.

Тип транзисторов выходного каскада выбираем по величине максимальнодопустимой мощности, которая рассеивается на его коллекторе - – а также максимальному току коллектора - и частотным особенностям - :

, (6)

Iк макс ≥ (2 Рвых/Rн)1/2;     (7)

 

 

, (8)

Тип транзистора:

;

0,5 0,707 А;

fh21Э ≥ (2÷3)fв

По найденным значениям Pк.макс,Iк макс выбираем транзисторы выходного каскада. Выбираем комплементарную пару транзисторов р-п -рип р-п типа с близкими по значениям параметров и характеристикам. Выбираем комплементарную пару (см. табл. 1 Приложения А): КТ814А, КТ 815А

Тип   транзистора	Струк-тура	Рк  макс, мВт	h21Э (β)	ƒh21 МГц	Граничный  режим		Класс  по  мощности
					Uк макс В	Iк макс мА
КТ 814 А   КТ 815 А	p-n-p   n-p-n	1000 (10000) 1000 (10000)	>40   >40	3   3	40         40	1500   1500	Большой мощности

 

Напряжение источника питания  выбираем из условия:

 

2UК макс ≥ EK ≥ 2(Uнач + Umвых),  (9)

 

где Uк макс – максимально допустимое напряжение на коллекторе;

Uнач 1В – коллекторное  напряжение, при котором транзистор  входит в режим насыщения (определяется  из статических характеристик  выбранного транзистора);

Umвых = Umн =2 (2 РвыхRн)1/2 – амплитуда выходного напряжения.

Величина напряжения питания выбирается из ряда номинальных значений по большему значению.

 

Umвых = Umн = = 2,82 В  (10)

EK ≥ 2(Uнач + Umвых) = 2(1+4)≥10В

Величина напряжения питания выбирается из ряда номинальных значений по большему значению из  таблицы 2.

Таблица 2

5

6

9

12

15

24

30

36