Расчет усилителя мощности низкой частоты

Пензенский государственный университет

Кафедра: «КиПРА» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Электротехника и Электроника»

на тему: «Расчет усилителя мощности низкой частоты».

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    Выполнила: ст. гр. 10ПС1  

                                                                                            Радаева А.Д.

                                                                     Проверил: Трусов В.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пенза 2013

Техническое задание

Студентки Радаевой А.Д. группа 10ПС1.

Вариант 16.

Разработать усилитель  мощности низкой частоты.

 

Требования, предъявляемые  к проектируемому усилителю следующие:

 

Вариант	Выходная  мощность     Рн	Диапазон    частот     fн-fв	Сопротив-ление нагрузки      Rн	Входное напряжение      Uвх	Входное сопротив- ление      Rвх	Коэффициент частотных искажений Мн=Мв	КПД не менее
16	Вт	Гц	Ом	мВ	кОм	-	%
	12	(20-26)10	15	30	110		50

 

В пояснительной записке должны быть следующие разделы:

-   титульный лист;

-   техническое задание  на курсовой проект;

-   содержание;

-   вводная часть;

-   обоснование выбора  или разработка функциональной  схемы;

-   разработка и  описание принципиальной схемы устройства;

-   расчёт элементов  и параметров принципиальной  схемы;

-   графическая часть;

-   заключительная  часть; 

-   список литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

1. Разработка функциональной  схемы

2. Разработка и описание  принципиальной схемы устройства

3. Расчет элементов  и параметров принципиальной  схемы

   3.1Расчет элементов  и параметров выходного каскада

 

   3.2Расчет элементов  и параметров каскада          промежуточного усиления

   3.3 Расчет и  выбор номиналов резисторов и  конденсаторов

 

4.Расчет частотных  искажений в области высоких  частот

5.Расчет коэффициента  полезного действия усилителя

 

 

 

 

 

 

 Введение

 

 

    Электроника широко внедряется практически во все отрасли науки и техники, поэтому знание основ электроники необходимо всем инженерам. Особенно важно представлять возможности современной электроники для решения научных и технических задач в той или иной области. Многие задачи измерения, управления, интенсификации технологических процессов, возникающие в различных областях техники, могут быть успешно решены специалистом, знакомым с основами электроники.

            В настоящее время в технике  повсеместно используются разнообразные  усилительные устройства. Куда мы не посмотрим - усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиозными изобретениями человечества.

          В зависимости от типа усиливаемого  параметра усилительные  устройства  делятся на усилители тока, напряжения  и мощности.

В данном курсовом проекте  решается задача проектирования усилителя  низкой частоты. Используется типовая схема двухкаскадного усилителя частоты, с усилением мощности на выходе второго каскада. В целях повышения входного сопротивления спроектирован предварительный каскад, выполненный на операционном усилителе (ОУ).

В задачу входит расчет основных параметров усилителя низкой частоты, а также выбор электронных компонентов схемы, входящих в состав.

Выбор активных и пассивных  элементов является важным этапом в  обеспечении высокой надежности и устойчивости работы схемы.

 

 

 

Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Разработка функциональной схемы

 

Так как основные параметры  входного сигнала, нагрузки и выходного  сигнала заданы в техническом  задании, рассчитаем параметры усилителя, при которых требования технического задания будут обеспечены.

Входные параметры:

- действующее значение  входного напряжения U_вх = 30 (мВ) (из ТЗ);

- входное сопротивление Rвх = 110 (кОм) (из ТЗ):

- действующее значение  входного тока Iвх=Uвх/Rвх=0,273*10 (А)

Выходные параметры:

- действующее значение мощности, рассеиваемой на нагрузке Р_н=(12Вт) (изТЗ);

- сопротивление нагрузки R_н = 15 (Ом) (из ТЗ);

- действующее значение падения  напряжения на нагрузке 

- амплитуда выходного напряжения Uвых макс=Uн* =

 

- действующее значение тока в нагрузке Iн=

- максимальное значение тока в нагрузке (А)

 

 Передаточные параметры усилителя:

 

- коэффициент усиления по напряжению К_и = Uн/Uвх=447

 

- коэффициент усиления по току К =Iн/Iвх=3,3*10

 

    - полоса усиливаемых частот fн-fв =(20-26)10 = 20 26 кГц (из ТЗ)

 

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие  выводы:

1.Такие высокое входное  сопротивление и большой коэффициент  усиления проще всего достичь, применив операционный усилитель.

 

2. В то же время требующуюся амплитуду выходного напряжения и ток нагрузки может обеспечить только двухтактный каскад усиления на мощных транзисторах.

 

3.Для создания усилителя  со стабильными параметрами следует  охватить его цепью общей отрицательной обратной связи.

 

 

 

С учётом изложенного функциональная схема усилителя мощности представлена на рис. 1.

 

 

 

Рис.1. Функциональная схема  усилителя мощности

 

2.Разработка  и описание принципиальной схемы  устройства

 

Входной каскад функциональной схемы должен обеспечивать требующееся по ТЗ входное сопротивление и подачу сигнала отрицательной обратной связи. Это можно осуществить, подавая входной сигнал на неинверти- рующий вход операционного усилителя (входное сопротивление операционных усилителей составляет не менее 1 МОм),а сигнал обратной связи - на инвертирующий вход, где он будет автоматически вычитаться из входного сигнала, то есть окажется сигналом отрицательной обратной связи. В качестве каскада промежуточного усиления поставим операционный усилитель общего применения средней точности. Такие усилители дёшевы и имеют широкую полосу усиливаемых частот при достаточно большом коэффициенте усиления. Операционный усилитель следует включить по типовой схеме с питанием от двух разнополярных источников напряжения.

 

 

В качестве выходного  каскада используем двухтактный каскад с транзисторами разной проводимости, включёнными по схеме с общим эмиттером, имеющий коэффициент усиления больше единицы. Такой каскад с питанием от двух разнополярных источников с повышенным напряжением обеспечит требуемую амплитуду напряжения и тока в нагрузке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С учётом изложенного  принципиальная схема усилителя  мощности представлена на рис.2.

 

 

 

 

 

Рис.2. Принципиальная схема усилителя  мощности.

 

 

Выходной двухтактный  каскад состоит из двух симметричных плеч:

Плечо, состоящее из элементов VD ,R , VT , R И VT усиливает положительную полуволну напряжения сигнала, поступающего с выхода операционного усилителя.

 

 

Второе плечо из элементов VD , R , VT , R и VT усиливает отрицательную полуволну. Диоды VD и VD₂ обеспечивают режим усиления класса АВ и одновременно компенсируют температурный дрейф напряжений между эмиттером и базой транзисторов VT и VT . Резисторы R и R обеспечивают прямой ток диодов VD и VD₂, примерно равный эмиттерному току транзисторов VT и VT₂, чтобы компенсация температурного дрейфа была наиболее эффективной. Резисторы R и R являются коллекторной нагрузкой транзисторов VT и VT₂, на которой выделяются усиленные напряжения. Резисторы R и R составляют цепь местной отрицательной обратной связи, стабилизирующей режим работы транзисторов выходного каскада. Резистор Rн- есть заданное сопротивление нагрузки.

 

 

 

 

Каскад промежуточного усиления состоит из операционного усилителя DA и элементов С ,С₂- и R -R . Конденсатор С отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Кроме того оба конденсатора ограничивают полосу пропускания всего усилителя снизу. Резисторы R и R составляют цепь общей отрицательной образной связи всего усилителя. Резистор R   состоит в цепи местной обратной связи операционною усилителя. Резистор R установлен для создания необходимого входного сопротивления схемы.

 

 

3.Расчёт элементов  и параметров принципиальной  схемы

 

3.1 Расчёт элементов и параметров выходного каскада

 

 

Напряжение питания должно быть не менее 

,где n- число транзисторов  в выходном каскаде.

Выбираем 

Максимальная мощность, которую будет отбирать выходной каскад от источника питания  , равна

 

 

Следовательно, максимальная мощность рассеяния каждого транзистора VT и VT должна быть равна:

Р

 

 

 

 

По найденным параметрам выбираем мощные транзисторы типа КТ817Б  и КТ816Б[1] с параметрами, помещенными  в табл. 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Наименование параметра	КТ816Б	КТ817Б	Значение в схеме
Максимальный ток коллектора	3	3	>1,27
Максимальное допустимое напряжение между коллектором и  эмиттером	45	45	>24
Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе	25	25	>4,8
Статический коэффициент  передачи тока в схеме с общим эмиттером	25	25	>2…2,5
Минимальное напряжение между коллектором и эмиттером	2	2	<2,5
Граничная частота в  схеме с общим эмиттером	3000	1000	>26*2
Емкость коллектора	60	60

 

Вычисляем предельное значение тока коллектора:

 

Все ограничительные условия для выбранных транзисторов осуществляются.

 

Определяем максимальную величину тока базы выходного транзистора:

 

 

Рассчитываем максимальное падение  напряжения на переходе база-эмиттер  выходного транзистора при типовых значениях =0,75 и =0,2 по формуле:

 

Ток через коллекторный резистор транзистора промежуточного каскада усиления выбираем  равным удвоенному значению тока оконечного транзистора:

 

 

 

 

 

 

 Тогда сопротивления  коллекторных резисторов этих  транзисторов будут равны: .

 

Выбираем из справочника 2 резистор типа С2-33 5% R₇=R₈=6,8Ом

Мощность, которую должен рассеивать транзистор промежуточного каскада, равна:

По этому значению выбираем транзисторы промежуточного каскада типа КТ503А (n-p-n) и КТ502А (p-n-p) 1, имеющие одинаковые параметры, помещенные в табл. 2:

 

Наименование параметра	КТ502А, КТ503А	Значение в схеме
Максимальный ток коллектора Iк	150	100
Максимальное допустимое напряжение между коллекторами и  эмиттером	40	24
Максимальная мощность , рассеиваемая  на Коллекторе	350	160
Статистический коэффициент  передачи тока в схеме с общим  эмиттером	40…120	2..2,5
Минимальное напряжение между коллектором и эмиттером	2	2,5
Граничная чистота в  схеме с ОЭ	5000	26*2
Ёмкость коллектора , пФ	5	5

 

 

Подсчитываем величину максимально возможного коэффициента усиления по напряжению:

 

Задаем величиной коэффициента усиления по напряжению  каскада усиления мощности  с обратной связью

Тогда величина напряжения сигнала , поступающего  на вход промежуточного каскада , будет равна:

 

 и 

Входное сопротивление транзистора промежуточного каскада равно:

 

Из полученных данных определяем величины резисторов в цепи эмиттера  и обратной связи оконченного  каскада усилителя мощности

 и 

Выбираем из справочника [2] R₉=R₁₀=68Ом

Максимальный базовый  ток транзистора VT₁ равен:

 

Задаемся током делителя  из резисторов R₅ и R₆, равным утроенному значению тока …. И рассчитываем значения R₅ и R₆, полагая падение напряжения на диоде