Расчет усилителя мощности. 3

Агентство по образованию Российской Федерации

Пензенский  государственный университет

Кафедра «КиПРА» 
 
 
 
 

Курсовая  работа

по дисциплине «Схемотехника ОС»

на тему «Расчет усилителя мощности» 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: ст. гр. 07ПЦ1

Разакова  Э. Х.

                                                                                         Проверил: Трусов В. А.  
 
 
 
 
 

Пенза, 2009  

Содержание

Введение………………………………………………………………………….3

1 Задание………………………………………………………………………….5

2 Структура схемы……………………………………………………………….6

3 Расчет параметров усилителя мощности …………………………………….8

     3.1 Расчет амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке……….8    

     3.2 Расчет оконечного каскада……………………………………………….8

     3.3 Расчет элементов цепи отрицательной обратной связи……………….10

Список используемой литературы……………………………………………..12

Приложение 1 Схема электрическая принципиальная……………………….13

Приложение 2 Перечень элементов………………………………………….. .14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

       В современной технике широко используется принцип управления энергией, позволяющий при помощи затраты небольшого количества энергии управлять энергией, но во много раз большей. Форма как управляемой, так и управляющей энергии может быть любой: механической, электрической, световой, тепловой и т. д.

       Частный случай управления энергией, при котором процесс управления является главным и однозначным и управляемая мощность превышает управляющую, носит название усиления мощности или просто усиления; устройство, осуществляющее такое управление, называют усилителем.

       Очень широкое применение в современной технике имеют усилители, у которых как управляющая, так и управляемая энергия представляет собой электрическую энергию. Такие усилители называют усилителями электрических сигналов.

       Управляющий источник электрической энергии, от которого усиливаемые электрические колебания поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти колебания вводятся, - входной цепью или входом усилителя. Источник, от которого усилитель получает энергию, преобразуемую им в усиленные электрические колебания, назовем основным источником питания. Кроме него, усилитель может иметь и другие источники питания, энергия которых не преобразуется в электрические колебания. Устройство, являющееся портебителем усиленных электрических колебаний, называют нагрузкой усилителя или просто нагрузкой; цепь усилителя, к которой подключается нагрузка, называют выходной цепью или выходом усилителя.

       Усилители электрических сигналов (далее просто усилители), применяются во многих областях современной науки и техники. Особенно широкое применение усилители имеют в радиосвязи и радиовещании, радиолокации, радионавигации, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основанной построения всей аппаратуры.

       Кроме указанных областей техники, усилители широко применяются в телемеханике, автоматике, счетно-решающих и вычислительных устройствах, в аппаратуре ядерной физики, химического анализа, геофизической разведки, точного времени, медицинской,  музыкальной и во многих других приборах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Задание на выполнение курсовой работы

В курсовой работе нужно составить и рассчитать схему усилителя, который должен удовлетворять следующим техническим  характеристикам:

- номинальный диапазон частот Гц………………………………..100…15000

при непрерывности амплитудно – частотной характеристики (АХЧ),дБ….3

- номинальная  выходная мощность на нагрузке  сопротивлением 

RH = 8 Oм…………………………………………………………...Рн = 15(25) Вт

RH = 10 Oм…………………………………………………..…...…Рн = 10(12) Вт

- номинальное  входное напряжение, В……………………….……Uвх = 0,1 (2)

- входное  сопротивление, кОм………………………………………………..100

- входное  сопротивление, Ом…………………………………………………0,05

- коэффициент  гармоник при номинальной мощности  в номинальном диапазоне частот  не более, %..............................................................................0,2

- относительный  уровень шума и фона не более,  дБ………………………...100

- напряжение  питания, В……………………………………………………….±20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       2 Структурная схема

       Усилитель мощности предназначен для, прежде всего, для обеспечения высокой выходной мощности; усиление по напряжению мощных каскадов близко к единице. Таким образом, усиление по мощности определяется в основном коэффициентом усиления по  току. Выходное напряжение и входной ток должны принимать как положительные, так и отрицательные значения.

       Основными показателями усилителя мощности являются: отдаваемая в нагрузку полезная мощность Рн, коэффициент полезного действия ɳ, коэффициент нелинейных искажений  и полоса пропускания АХЧ.

       Структурная схема состоит из предварительного усилительного каскада на интегральном операционном усилителе К140УД6, двух источников тока, которые обеспечивают дополнительное усиление выходного сигнала и необходимый базовый ток в выходном каскаде, который представляет собой двухтактный эмиттерный повторитель. Для устранения искажений применены диоды VD5 – VD10, смещающие выходной каскад в состояние проводимости, при этом падение напряжения на последовательно соединенных резисторах R8, R9 равно падению напряжения на двух диодах. Поскольку для нас необходимо усиление по мощности, а не по напряжению применим эмиттерный повторитель. Эмиттерный повторитель обеспечивает усиление по мощности благодаря усилению по току, так как не дает усиления по напряжению. Кроме того, входное сопротивление повторителя значительно больше, чем выходное, что позволяет осуществить согласование низкоомной нагрузки с интегральным операционным усилителем.

       Для стабилизации режима по постоянному  току используется цепь отрицательной  обратной связи, которая состоит  из делителя напряжения, образованного резисторами R2, R3 и конденсатора С2. Для обеспечения температурной стабилизации транзистора применена отрицательная обратная связь по току, состоящая из резисторов R8, R9.

       В качестве источника питания применен двуполярный источник с напряжением En=±20B.

       Режим работы оконечного каскада определяется режимом покоя (классом усиления) входящих в него комплементарных пар биполярных транзисторов. Существует пять классов усиления: A, B, AB, C и D, но мы рассмотрим только три основных: А, В, и АВ.

       Режим класса А характеризуется  низким уровнем нелинейных искажений (Kr<1%) низким КПД (ɳ<0,4). На выходной вольт – амперной характеристике (ВАХ) транзистора в режиме класса А рабочая точка (Iko и Ukэo) располагается на середине нагрузочной прямой так, чтобы амплитудные значения сигналов не выходили за те пределы нагрузочной прямой, где изменения тока коллектора прямо пропорциональны изменениям тока базы. При работе в режиме класса А транзистор все время находится в открытом состоянии и потребление мощности происходит в любой момент. Режим усиления класса А применяется в тех случаях, когда необходимы минимальные искажения, а Рн и ɳ не имеют решающего значения.

       Режим класса В характеризуется большим  уровнем нелинейных искажений (Kr<10%) и относительно высоким КПД (ɳ<0,7). Для этого класса характерен IБО = 0, то есть в режиме покоя транзистор закрыт и не потребляет мощности от источника питания. Режим В применяется в мощных выходных каскадах, когда не важен высокий уровень искажений.

       Режим класса АВ занимает промежуточное положение  между режимами классов А и  В. Он применяется в двухтактных  устройствах. В режиме покоя транзистор лишь немного приоткрыт, в нем  протекает небольшой ток  IБО, выводящий основную часть рабочей полуволны Uвх на участок ВАХ с относительно малой нелинейностью. Так как IБО мал, то ɳ здесь выше, чем в классе А, но ниже чем в классе В, так как все же IБО > 0. Нелинейные искажения усилителя, работающего в режиме класса АВ, относительно невелики (Kr<3%). 

       3 Расчет параметров усилителя мощности 

             3.1 Расчет амплитудных значений тока и напряжения на нагрузке

       1 Найдем значение амплитуды на нагрузке Uн. Поскольку в задании дано действующее значение мощности, применим формулу:

       Рн = U²н / 2Rн  => Uн = √2 Rн Рн

       Uн = √2∙8∙15= 15,5 В 

       2 Найдем значение амплитуды тока  на нагрузке Iн:

       Iн = Uн / Rн

       Iн = 15,5 / 8 = 1,9 А 

       3.2 Расчет оконечного каскада

       Для упрощения расчета проведем для  режима В.

       1 По полученному значению Iн выбираем по таблице (Iк доп > Iн) комплиментарную пару биполярных транзисторов VT5, VT6: КТ817Б (n – p – n типа). Произведем предварительный расчет энергетических параметров VT5, VT6.  

       2 Определим амплитуду тока базы транзистора VT5  I^VT5б :

Iб = Iк / 1+ h21э, т. к. I^VT5б = Iн, то I^VT5б = Iн / 1+ h21э = Iн / h21э = 1,9 /25 = 76 мА 

       3 Определим амплитуду тока покоя  выходного каскада Iо:

Iо = 0,02 Iн = 0,02∙1,9 = 38 мА 

       4 Рассчитаем резисторы R8, R9.

6∙(0,6…0,7) = 4∙(0,6…0,7) + (R8 + R9) ∙ Iо

R8 = R9 = (0,6…0,7) / Iо = 0,68 / 38∙10^-3 = 18 Ом 

       5 Исходя из того, что I^VT3э = I^VT5б выбираем транзисторы VT3, VT4:

КТ503В (n – p – n типа) и КТ502В (p – n – р типа). Произведем предварительный расчет энергетических параметров VT3, VT4. 

       6 Определим амплитуду тока базы транзистора VT3 I^VT3б:

             Iб = Iк / 1+ h21э

             I^VT3б = I^VT3к / 1+ h21э =  I^VT3к /  h21э = 76∙10^-3/40 = 1,9 мА 

       7 Рассчитаем ток смещения Iсм:

             Iсм = 5∙ I^VT3б =5∙1,9 = 9,5 мА 

       8 Определим ток коллектора транзистора VT1 I^VT1к:

             I^VT1к = Iсм + I^VT3б = 9,5 + 1,9 = 11,4 мА 

       9 Исходя из того, что I^VT1к = 11,4 мА выбираем транзисторы VT1, VT2: КТ361Б (p – n – р типа) и КТ315Б (n – p – n типа). Произведем предварительный расчет энергетических параметров VT1, VT2. 
 
 

       10 Рассчитаем источники тока на транзисторах VТ1, VТ2:

       R4 = R5 = U^VT1б-э / I^VT1к = 0,6 / 11,4 ∙10^-3  = 52,6 Ом

       I^VT1Т = I^VT1к / 1+h21э = I^VT1к / h21э = 11,4 ∙10^-3 / 50 = 0,23 мА

       R6 = R7 = Еn – 2∙(0,6…0,7) / 10∙ I^VT1б = (20 – 1,2) / 2,3∙10^-3 = 8,2 кОм 

       11 По полученному значению Iпр выбираем диоды VD1 - VD10 так чтобы выполнялось условие: Iпр max > Iпр > 9,5 мА

       VD1 - VD10 можно применить диод КД401А, так как по данным технической документации у него Iпр max = 30 мА 

       3.3 Расчет элементов цепи отрицательной обратной связи

       Для стабилизации режима по постоянному  току используется цепь отрицательной  обратной связи, которая состоит из делителя напряжения, образованного резисторами R2, R3 и конденсатора С2.

       Из  задания имеем Uвх = 100 мВ.

       Рассчитаем  коэффициент усиления усилителя  мощности

       КU = Uн / Uвх = 15,5 / 0,1 = 155

       КU = 1 + R3/ R2 =>  R2 = R3/ КU – 1

       Зная, что Rвх = 100 кОм принимаем R1 = R3 = Rвх

       R2 = 100∙10³/155 – 1 = 640 Ом

       На  основе данных значений f min = 100 Гц, f mах = 15 кГц рассчитаем ФНЧ и ФВЧ

       f3 ДБ = 1/2πRС

       С = 1/2πR f3 ДБ

       ФНЧ состоит из резисторов R2, R3 и конденсатора С2:

       С2 = 1/2π(R2+ R3)∙15∙10³ = 1/2∙3,14∙(640+100)15∙10³ = 143мкФ

       Выбираем  С2 = 220 мкФ

       ФВЧ состоит из резистора R1 и конденсатора С1:

       С1 = 1/2πR1∙100 = 1/2∙3,14∙100∙100 = 0,15 мк 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Список  используемой литературы

       1 «Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты»

А. В. Цыкиева  – М.: Связь, 1987г

       2 «Проектирование усилительных устройств»  Н. В. Терпугов – М.: Высшая  школа, 1982г

       3 «Справочник Аналоговые интегральные  схемы» – М.: Радио и связь, 1981г

       4 «Справочник Полупроводниковые  приборы» В. М. Петухов – М.: Радио и связь, 1995г 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Приложение 1 Принципиальная схема  усилителя

Приложение 2 Перечень элементов