Расчет усилителя НЧ

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОУ ВПО  «Череповецкий государственный  университет»

Инженерно – экономический институт 

Пояснительная записка к

курсовой  работе по дисциплине

“ Общая электротехника и электроника  ”.

Тема:

«Расчет усилителя НЧ». 
 
 
 
 
 
 

                                                                                  Исполнитель студентка

                                                              группы 5АТ-31

                                                                Королевич М.П.                                                                          

                                                                         Проверил преподаватель:

                                                         Нохрин А.Н.                                           

Череповец, 2005 г. 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………..

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ  НА КУРСОВУЮ РАБОТУ…………………… 

1.1   РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ…………………………….

1.2   ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ………………………………………..

1.3   РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ КОМПОНЕНТОВ

СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ…………………………………………………..

1.4  РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ПАРАМЕТРОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ……………………………………………

1.5. ПОЛНАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВА…………

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………………

ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………... 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

  Усилитель - это электронное устройство, управляющее потоком энергии, идущей от источника питания к нагрузке. Причём мощность, требующаяся для управления, намного меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, а формы выходного напряжения (усиливаемого) и выходного на нагрузке сигнала совпадают.

  Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала и обычно называемых каскадами.

Каскадом усилителя  называют ту его часть, в которую  входит один усилительный элемент (или два в двухтактной схеме усилителя мощности), вспомогательные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д.) и в котором происходит усиление мощности.

  Число каскадов в многокаскадных усилителях зависит от требуемых значений коэффициентов усиления по току, по напряжению и по мощности.

  В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяются на каскады предварительного усиления и выходные каскады. Каскады предварительного усиления предназначены для повышения уровня сигнала по напряжению, а выходные каскады - для получения требуемых тока и мощности сигнала в нагрузке.

  Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициенты усиления по току, по напряжению и по мощности.

  Основными элементами каскада являются управляемый элемент, функцию которого выполняет биполярный транзистор и резистор. Совместно с напряжением питания эти элементы образуют входную цепь каскада. Входной сигнал подаётся на вход. Выходной снимается с выхода или с резистора. Он создаётся в результате изменения сопротивления и, следовательно, тока в выходной цепи под воздействием входного напряжения. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счёт изменения сопротивления по закону, задаваемому входным сигналом.

  В современной радиоэлектронной аппаратуре предъявляются разнообразные, подчас весьма высокие, требования к качеству питающего напряжения. От правильного выбора и расчета источника питания зависят надежность, массово габаритные показатели, стоимость и КПД комплекса радиоэлектронной аппаратуры. В настоящее время разработано огромное количество типовых схем источников питания, эти схемы постоянно совершенствуются с целью повышения качества питающего напряжения, уменьшения габаритно-массовых показателей, стоимости изделия. Этому процессу способствует появление новых радиоэлектронных элементов с улучшенными показателями. Но даже в настоящее время, когда количество уже рассчитанных и разработанных источников питания велико, а в продаже имеется огромное количество готовых источников питания с самыми разнообразными характеристиками, не всегда удается подобрать источник питания, подходящий по всем характеристикам. В этом случае возникает необходимость в расчете и разработке специализированного источника питания, применительно для какой-либо конкретной аппаратуры.

     Все средства электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным обычно относят такие средства, которые преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую, например, электромеханические генераторы, электрохимические источники — аккумуляторы или гальванические элементы, фотоэлектрические генераторы — солнечные батареи и фотоэлементы, термоэлектрические источники и др. Непосредственное использование первичных источников затруднено тем, что их выходное напряжение в большинстве случаев не поддается регулировке, а стабильность его недостаточно высокая. Однако для питания электронной аппаратуры в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение с различными номинальными значениями — от единиц вольт до нескольких сотен вольт, а в раде случаев даже выше. По этой причине любое электронное устройство содержит вторичный источник электропитания, который подключается к одному из первичных источников.

  Средства вторичного электропитания электронных устройств, называемые обычно источниками вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для формирования необходимых для работы электронных элементов напряжений с заданными характеристиками. Они могут быть выполнены в виде отдельных блоков или входить в состав различных функциональных электронных узлов. Их основной задачей является преобразование энергии первичного источника в комплект выходных напряжений, которые могут обеспечить нормальное функционирование электронного устройства. Обобщенная структура ИВЭП приведена на рис.1. 
 
 
 

       Рис. 1. Обобщенная структура ИВЭП. 

 В состав ИВЭП, кроме самого источника питания, могут входить дополнительные устройства, которые обеспечивают его нормальную работу при различных внешних воздействиях. Как видно из приведенной на рис.1 схемы, ИВЭП включается между первичным источником и нагрузкой, поэтому на него воздействуют различные факторы, связанные с изменениями характеристик, как первичного источника, так и нагрузки. Так, например, при увеличении или понижении напряжения первичного источника ИВЭП должен обеспечивать нормальное функционирование питаемой им электронной аппаратуры.

  Устройство управления и контроля, входящее в состав ИВЭП, может быть использовано для изменения характеристик ИВЭП при различных сигналах внешнего или внутреннего управления: дистанционного включения или выключения, перевода в ждущий режим, формирования сигналов сброса и др.

  В то же время устройство защиты и коммутации позволяет сохранить работоспособность ИВЭП при возникновении различных нестандартных режимов: короткого замыкания в нагрузке, ее внезапного отключения, резкого повышения окружающей температуры и др. Эти дополнительные устройства могут быть обеспечены собственными источниками электропитания, включая резервные аккумуляторы или гальванические элементы. 
 
 
 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ  

Расчёт  усилителя НЧ и  блока питания. 

1.          Необходимо спроектировать стабилизированный  источник питания, обеспечивающего  поддержание постоянного напряжения заданного уровня и качества на нестабильной нагрузке.

2.          Рассчитать усилитель НЧ 

Исходные  данные

Таблица 1. Исходные данные для расчёта блока питания

•    U_С   -    напряжение питающей сети переменного тока (номинальное);

•    U_С   -     отклонение   напряжения   питающей   сети   от   номинального   в процентах;

•    U_н..max - номинальное выходное напряжение источника питания;

•    U_{н. min}-   минимальное выходное напряжение источника питания;

•     R_н -сопротивление нагрузки; 

Таблица 2. Исходные данные для расчёта усилителя  НЧ 

1.1   РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ

     Выбор той или иной схемы обусловлен параметрами питающей сети, конструктивными особенностями устройства, температурным диапазоном работы, сроком службы, гарантированной надежностью и перечнем разрешенных к применению или имеющихся в распоряжении разработчика элементов. Выбор схемы удовлетворяющей поставленным требованиям, является задачей, имеющей множество решений, вместе с тем оптимальной по заданному критерию может быть только одна схема.

     Основными критериями при выборе и расчете схем являются:

• масса;

• габарит;

•КПД;

• надежность;

• стоимость.

    Структурная схема разрабатываемого устройства состоит из следующих элементов:

• выпрямитель;

• фильтр;

• стабилизатор; 

 •усилитель  НЧ.

Исходя из задания, полученного на курсовой проект и  в соответствии с рассмотренными элементами источников питания целесообразно  построить проектируемое устройство по следующей схеме. 

Рис. 1.1 Структурная схема проектируемого устройства

      Проектируемый источник питания наиболее оптимально построить с применением следующих типов элементов структурной схемы.

   Выпрямитель - однофазная мостовая схема, так как это позволит наиболее полно использовать трансформатор, и получит необходимое качество выпрямленного напряжения.

   Фильтр - емкостной, это позволит избежать излишних его размеров при получении необходимого коэффициента сглаживания.

   Стабилизатор - параметрический, непрерывной стабилизации, с регулирующим элементом, включенным последовательно нагрузке, так как данная схема наиболее подходит по параметрам выходного напряжения и силы тока, а также по простоте конструкции.

   Для расчетов режима работы усилительного каскада НЧ воспользуемся схемой усилителя, в которой транзистор включен по схеме с ОЭ и используется эмиттерная стабилизация начального режима работы.

  Входное сопротивление схемы достигает значения 1-3кОм. Значительное входное сопротивление схемы позволяет применить в ней переходные конденсаторы небольшой ёмкости. Выходное сопротивление достигает значений 100кОм. Схема с ОЭ изменяет фазу сигнала на 180° по сравнению с выходом.

  Благодаря простоте и компактности, большому коэффициенту усиления мощности схема с ОЭ находит наибольшее применение.

  Выбираем усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером ОЭ. Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепей каскада.

   Схема с ОЭ даёт усиление по напряжению достигающее несколько сот и меньше, усиление по току (не более 100).

    Схема имеет большое усиление по мощности, достигающее 40дБ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ  БАЗЫ

   В качестве элементной базы для расчёта усилителя НЧ и стабилизатора выбираем дискретные элементы: транзисторы, конденсаторы, резисторы.                  Для расчета усилителя НЧ:

   Транзистор    КТ340А-кремниевый   планарно-эпитаксальный    n-р-n    типа, предназначенный для работы в схемах усиления. Корпус металлический, с гибкими выводами, масса транзистора не более 0,6г.      Электрические параметры:

Обратный ток  коллектора, мкА                                                            1

ПриТ_с=+85°С                                                                                       15

Обратный ток  эмиттера, мкА                                                                100

Напряжение насыщения  коллектор-эмиттер, В                                    0,3

Постоянная времени  цепи обратной связи на высокой частоте, пс        60 Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ                100-300

Ёмкость коллекторного  перехода, пФ                                                    3,7

Ёмкость эмиттерного  перехода, пФ                                                       7

Максимально допустимые параметры:

I_{k max}- постоянный ток коллектора, мА                                                50

U_эб- постоянное напряжение эмиттер-база, В                                        5

U_кб- постоянное напряжение коллектор-база, В                                     15

U_кэ- постоянное напряжение коллектор-эмиттер, B                                  15

Р_к-постоянная рассеиваемая мощность коллектора, мВт                        150 

    В качестве выпрямительных диодов для блока питания выбираем кремниевые диоды типа КД103А, имеющие следующие параметры:

•   Uoбр.mах = 50 В;

•   I вп.ср.mах = 0,1 А;

•   Uпр. = 1 В;

•   Iобр. = 0,0004 мА. 

    Для сглаживающего фильтра используем конденсатор С1 К50-10 ёмкостью 10 мкФ на 25 В.

Для регулирующего  элемента стабилизатора важно иметь  большое значение усиления по току h_21Э. Поэтому выбираем в качестве регулирующего элемента транзистор 2Т825Е, у которого:

  U_{кэ max} =25 В;

  I к mах =20 мА;

  Р_{к mах} =125 Вт;

  h_21Э = 750 ÷18000.

    Для улучшения сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения сопротивление верхнего плеча делителя R5 – R6 шунтируется конденсатором. Выбираем конденсатор К50-16 ёмкостью 10 мкФ на 16 В.

   Ёмкость конденсатора, который служит для дальнейшего сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, а также уменьшает выходное сопротивление стабилизатора для токов высоких частот, принимаем равной 1 00 мкФ. Выбираем конденсатор типа К50 - 35 ёмкостью 100 мкФ на 16В.

   Выбираем согласующий транзистор КТ503В, у которого:

      •   U_кэ=25 В;

• I к mах =300 мА;
• h_21Э=75;

      •   Р_к._доп=0,5Вт/

    В качестве источника эталонного напряжения в разрабатываемой схеме компенсационного стабилизатора используем кремниевый стабилитрон КС133, имеющий следующие параметры:

    •   U = 3,3 В;

   •  I _{ст. ном.}= 20мА;

     •   I _{ст. мин.}= 3мА;

• U_c1.min  = 3 B;
• U_c1.max = 4,1 B;

     •  Р = 0,5 Вт;

     •  R_стаб = 1 Ом.

   Выбираем транзистор типа КТ315Г, у которого:

•     U_{кэ доп}=35 В;
•    I к mах =0,1 мА;
•    Р_кдоп=0,15Вт

     В    качестве   регулирующего    транзистора    схемы   защиты   выбираем кремниевый транзистор ТЗ КТ 361, у которого:

• U_кэ.max = 25 B;
• h_21Э=50;
• I к mах = 50 мА;
• Р_{к mах}= 150 мВТ.

   В    качестве   световой   индикации   перегрузки   стабилизатора   удобно применить светодиод.

    Применяем светодиод АЛ 307 А (красный).

• I пр  mах ⁼ 20 мА;
• U_обр  = 2 В;

     •   U_пр ≤ 2 В при I пр = 10 мА.

   Выбираем   из   стандартно   ряда   резисторы   МЛТ-0,125   их   значения указываем в спецификации.

    1.3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КОМПОНЕНТОВ

               СТРУКТУРНОЙ   СХЕМЫ

    Предварительный расчёт стабилизатора

Принимаем минимальное  падение напряжения на стабилизаторе (управляющем транзисторе) при минимальном  напряжении сети и минимальной нагрузке равным:

     U_{ст min} =5 В;

     U_{ст min}  - минимальное напряжение между коллектором и эмиттером регулируемого элемента, при котором работа происходит на линейном участке выходной характеристики;

   Принимаем падение напряжения на схеме защиты стабилизатора при перегрузке при максимальном токе нагрузки равным:

            U _{ос min} =2 В;

Определяем минимальное  напряжение на входе стабилизатора:

       U_{в.  min} = U _Н  U_{ст min}   + U _{ос min} (3.1)

             U_{в.  min} =1+5+2=8 В;

  Номинальное напряжение на входе стабилизатора:

        U_BH =U_{в. min} /(1- U_с /100)                                           (3.2)

        U_BH = 8/(1-25/100) = 10.6 B

 Максимальное напряжение на входе стабилизатора:

       Uв.max = U_BH*(1+ U_с/100)                                         (3.6)

        Uв.max = 10.6(1+25/100)=13.25 B

 Минимальное напряжение на выходе стабилизатора:

        U_{H.  min} = U _Н *(1-  U_H/100)                                        (3.4)

                 U_{H.  min} = 1(1-5/100)=0.95 B  

  Максимальное напряжение на выходе стабилизатора:

                 U_{H.  max} = U _Н *(1 + U_H/100)                             (3.5)

                 U_{H.  max} = 1(1 + 5/100)=1.05 B  

Изменение питающего  напряжения на входе стабилизатора:

                 U_B = U_{B.  max}  - U_{B.  min} (3.6)

                  U_B =13.25 – 10.6 = 2.65 B 

Изменение напряжения на выходе стабилизатора:

               U_H = U_{H.  max}  - U_{H.  min}                                (3.7)

                 U_H = 1,05 -0,95 = 0,1В.

      Коэффициент стабилизации.

Коэффициент стабилизации стабилизатора показывает, во сколько  раз улучшается стабильность выходного  напряжения по сравнению со стабильностью питающего напряжения. Находим требуемый коэффициент стабилизации:

            К_ст = U_B * U_H /( U_H* U_{B.  max}  )                          (3.8)

               К_ст = 2.64 *1/(0.1*13.25) = 2

        Максимальный ток на нагрузке:

              I_{H.  max} = U_{H.  max}  / R_{H.  min}                                       (3.9)

              I_{H.  max} = 1.05/200 = 5.25 мА 

        Минимальный ток на нагрузке:

             I_{H. min} = U_{H. min}  / R_{H. max}                                       (3.10)

               I_{H. min} = 0.95/200 = 4.75 мA

          Предварительный расчёт сглаживающего фильтра 

           Для  уменьшения   пульсации  выпрямленного  напряжения  применяются сглаживающие  фильтры.  Сглаживающий фильтр включается в источниках вторичного  электропитания между вентильной  группой и  нагрузкой.  Тип сглаживающего фильтра определяет режим работы выпрямителя.

          Выпрямленное напряжение после сглаживающего фильтра на холостом ходу (нагрузка равна 0) равно амплитудному:

                                U’_B = U_B /                                        (3.11)

                                        U’_B = 10.6 / =7.57 B 

         Предварительный расчёт выпрямителя 

         Для нашего случая в большей степени подходит двухполупериодная мостовая схема выпрямления, при этом упрощается расчет и изготовление трансформатора. Действующее значение напряжения на выходе выпрямителя при номинальном токе равно:

                            U’_B = U₂ – 2* U_VD                                               (3.12)

где U_VD - падение напряжения на полностью открытом диоде выпрямителя под номинальным током (принимаем предварительно U_VD =1B),