Расчет усилителя мощности

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА «КиПРА»

ОТЧЕТ

О КУРСОВОЙ РАБОТЕ

«Расчет усилителя мощности»

Руководитель КР

Држевецкий А.Л.

Исполнитель КР

Беляйкин Е.В.

ПЕНЗА 2008

Содержание

Задание на выполнение курсовой работы

Введение

1 Описание работы схемы

2 Расчет схемы

2.1 Расчет оконечного каскада

2.2 Расчет каскада усиления напряжения

2.3 Расчет входного (дифференциального) каскада

2.4 Расчет защиты схемы от короткого замыкания

3 Перечень рассчитанных элементов

Список используемой литературы

Задание

Рассчитать усилитель мощности звуковой частоты, который имеет следующие основные технические характеристики:

Номинальная выходная мощность …………… 55 Вт.

Полоса рабочих частот ………………………... 20 Г - 50 КГц.

Напряжение питания ………………………….. 36 В.

Сопротивление нагрузки ……………………… 4 Ом.

Схема УМЗЧ приведена на рисунке 1.

Рис. 1

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 плавным 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 потребителем 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, радиопеленгации, телевидении, звуковом кино, дальней проводной связи, технике радиоизмерений, где они являются основой 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 Описание работы схемы

Одной из особенностей данного усилителя мощности является его питание от двухполярного источника. Это позволяет включить нагрузку между выходов усилителя и общим проводом без переходного конденсатора. Другая особенность состоит в применении входного балансного дифференциального каскада, обладающего хорошей термостабильностью.

Усилитель состоит из входного каскада (транзисторы VT1, VT2), каскада усиления напряжения (VT3), выходного (VT4 - VT7) и элементов защиты выходных транзисторов (VD3-VD6). Входной каскад выполнен по схеме дифференциального каскада с несимметричным выходом. Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор С1. Сигнал ООС подается с выхода через резистор R6 на базу транзистора VT2. Дифференциальный каскад сравнивает выходное напряжение с нулевым напряжением общего провода, и если по каким-либо причинам постоянное напряжение на выходе усилителя станет отличным от нуля, сигнал рассогласования с выхода дифференциального каскада поступает на выходной каскад, обеспечивая тем самым нулевое напряжение на выходе усилителя. С выхода дифференциального каскада сигнал поступает на усилитель напряжения и через резистор R7 на выходной каскад. Выходной каскад выполнен на составных комплементарных транзисторах VT4, VT6 и VT5, VT7, обладающих большим входным и весьма малым выходным сопротивлениями.

Диоды VD1 и VD2 создают начальное смещение выходного каскада и обеспечивают температурную стабилизацию тока покоя выходных транзисторов. Через конденсатор вольтдобавки С5 подключается ПОС в цель. коллекторной нагрузки транзистора VT3, обеспечивая тем самым получение максимального размаха выходного напряжения. Диоды VD3, VD4 и VD5, VD6 защищают выходные транзисторы, шунтируя в случае перегрузки, переходы транзисторов. Элементы СЗ, С6, R14, C7, L1 предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах.

2 Расчет элементов усилителя

2.1 Расчет оконечного каскада

Для обеспечения выходной мощности P_Н = 55 Вт должно выполняться условие:

Из условия принимаем Е_П = 36 В.

Рассчитаем потребляемую мощность по формуле:

,

где

Рассчитаем рассеиваемую мощность:

Из условий , , выбираем в качестве VT6, VT7 для оконечного каскада транзисторы КТ819ГМ с теплоотводом.

Для этих транзисторов:

Рассчитаем сопротивление резисторов, включенных в цепи коллекторов этих транзисторов:

Таким образом, примем R₁₂ = R₁₃ = 0,25 Ом.

Элементы С₇, С₈, С_9, R₁₄ и L₁ предотвращают самовозбуждение усилителя на высоких частотах и выбираются из интервалов , . Примем R₁₄ = 10 Ом, С₇ = С₈ = С₉ = 0,1 мкФ, L₁ = 1 мкГн.

Рассчитаем резистор R₁₀ по формуле:

.

Принимая I_К0 = 0,1 А, получим

Примем R₁₀ = 100 Ом.

С учетом рассеиваемой на транзисторе VT4 мощности, выберем его по справочнику. Подходящим является транзистор КТ815Г. Транзисторы VT4 и VT5 являются комплементарной парой, поэтому в качестве VT5 нужно взять транзистор с такими же характеристиками, но с другой структурой. Так как VT4 выбрали с n-p-n структурой, то VT5 должен быть p-n-p, подходящим будет КТ814Г.

Резистор R₁₁ будет равен R₁₀ = 100 Ом.

Диоды VD1, VD2 создают начальное смещение выходного каскада и обеспечивают температурную стабилизацию тока покоя выходных параметров.

Диоды VD3 - VD6 защищают выходные транзисторы, шунтируя их переходы в случае перегрузки.

Выберем в качестве VD1 - VD6 диод КД102А.

2.2 Расчет каскада усиления напряжения

Рассчитаем резистор R₇ по формуле:

.

Принимая I_К0 = 0,05 А, получим

Примем R₁₀ = 150 Ом.

Учитывая полученную рассеиваемую мощность выберем в качестве VT3 транзистор КТ814Г.

Элемент С₃, как и С₆ используются для предохранения от самовозбуждения и принимаются без расчета: С₃ = С₆ = 50 пкФ.

Через конденсатор С₅ подключается ПОС в цепь коллекторной нагрузки транзистора VT3 для получения максимального размаха выходного напряжения.

Примем номинал этого конденсатора С₅ = 100 мкФ.

2.3 Расчет входного (дифференциального) каскада

Резистор R₁ примем с учетом заданного входного сопротивления R_вх = 10 КОм.

Для обеспечения нулевого потенциала на выходе примем R₁ = R₆ = 10 КОм.

Резистор R₅ рассчитаем, исходя из коэффициента обратной связи:

Примем K_OC = 20, тогда получим:

Выбираем R₅ = 510 Ом.

Рассчитаем конденсатор C₄, исходя из условия:

Принимаем C₄ = 20 мкФ

Рассчитаем конденсатор С₁:

Так как R_вх = 10 КОм, то

Принимаем С₁ = 20 мкФ

Рассчитаем резистор R₂ (сопротивление нагрузки плеча ДУ).

Принимаем начальный ток коллектора I_К0 = 1мА.

Принимаем значение R₂ = 680 Ом.

Подсчитаем рассеиваемую мощность транзисторов VT1, VT2:

Выбираем по справочнику транзисторы VT1, VT2 с возможно большим коэффициентом передачи тока базы с параметрами, удовлетворяющими найденной рассеиваемой мощности. Таким транзистором является транзистор КТ3102А. Его параметры:

Рассчитаем общее сопротивление эмиттерной цепи дифференциального усилителя:

Таким образом:

Рассчитаем конденсатор C₂:

Принимаем С₂ = 10 мкФ

3 Перечень рассчитанных элементов

R₁ = 10 КОм;

R₂ = 680 Ом;

R₃ = 9 КОм;

R₄ = 9 КОм;

R₅ = 510 Ом;

R₆ = 10 КОм;

R₇ = 150 Ом;

R₈ = 4 КОм;

R₉ = 4 КОм;

R₁₀ = 100 Ом;

R₁₁ = 100 Ом;

R₁₂ = 0,25 Ом;

R₁₃ = 0,25 Ом;

R₁₄ = 10 Ом;

R₁₅ = 10 Ом;

С1 = 20 мкФ;

С2 = 10 мкФ;

С3 = 50 пкФ;

С4 = 20 мкФ;

С5 = 100 мкФ;

С6 = 50 пкФ;

С7 = 0,1 мкФ;

С8 = 0,1 мкФ;

С9 = 0,1 мкФ;

VD1 - VD6 - КД102А;

VT1,VT2 - КТ3102А;

VT3 - КТ814Г;

VT4 - КТ815Г;

VT5 - КТ814Г;

VT6, VT7 - КТ819Г;

L1 - 1 мкГн

Список литературы

1. Д.И. Атаев, В.А. Болотников. Практические схемы высококачественного звуковоспроизведения. М. Радио и связь. 1986 г.

2. В.В. Бессонов. Радиоэлектроника для начинающих (и не только). - М.: Солон-Р,2001.

3. В.Н. Кибакин. Основы теории и расчёта транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М.: Радио и связь. 1988г.

4. В.С. Майоров, С.В. Майоров «Усилительные устройства на лампах, транзисторах и микросхемах», М.: Искусство 1982г.