Розробка підсилювача низької частоти зі струмовим керуванням

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Аналітичний огляд літератури

2. Аналіз вихідних даних та розробка структурної схеми

3. Вибір елементної бази

4. Розробка, розрахунок та опис принципової схеми

5. Розрахунок потужності споживання

6. Розрахунок надійності

7. Інструкція з експлуатації

Висновки

Література

Вступ

Принцип дії підсилювача базується на перетворенні енергії джерела живлення в енергію сигналу. Основну функцію перетворювача енергії в підсилювачі виконує активний підсилювальний елемент, здатний з невеликою вхідною енергією керувати значно більшою енергією джерела живлення.

Мінімальну частину підсилювача, що зберігає основну функцію - здатність підсилювати сигнали, - називають каскадом підсилення. Каскад підсилення складається з підсилювального елементу (деколи декількох елементів) і ланцюгів, що забезпечують заданий режим елементу і згідність з джерелом сигналу і навантаження.

По типу підсилювальних елементів підсилювачі діляться на транзисторні, лампові, параметричні, магнітні, квантові та інші. Найбільш універсальними і широко використовуваними є транзисторні підсилювачі. По потужності підсилювальних сигналів розрізняють каскади підсилювання слабких і сильних коливань. В підсилювачах слабких сигналів амплітуда коливань займає малу ділянку вольт-амперної характеристики підсилювального елементу.

Тому такі підсилювачі є лінійними. В підсилювачах сильних сигналів використовуєтся більша частина характеристики підсилювального елементу, часто з відсічкою струму. Потужність в такому режимі близька до максимальної, і тому такі підсилювачі називаються підсилювачами потужності.

Підсилювачі низької частоти використовуються для підсилення неперервних періодичних сигналів, частотний спектр яких лежить в межах десятків герц до десятків кілогерц.

1. Аналітичний огляд літератури

Передуючи розробці пристрою, потрібно звернутись до літератури, для перегляду переваг і недоліків усіх можливих модифікацій для даного прибору. Також потрібно переглянути попередні версії. Це дасть можливість проаналізувати принцип роботи.

Маючи загальне уявлення про розробляємий пристрій можна на основі технічної літератури, розробити найбільш підходящий пристрій. Так як розробляємий пристрій - підсилювача НЧ, то на основі цього можна проглянувши попередні модифікації можливо усунути всі недоліки.

Переглядаючи попередні схеми підсилювачів НЧ, було підмічено той факт, що більшість підсилювачів НЧ виконанні у такому плані, де головним елементом являється транзистор або лампа. Міксхема потрібна для поліпшення якості звучання, а також для зменшення розмірів схеми.

Як вхідний каскад підсилювача використовують резистивний підсилювач на мікросхемі ОП. З метою одержання основного підсилення сигналу, яке здійснюється проміжним каскадом, використовують мікросхему, отже саме вона володіє найбільшим коефіцієнтом підсилення.

З метою забезпечення в навантаженні необхідної потужності , в якості вихідного каскаду підсилювача використовуємо безтрансформаторну двотактну схему, яка володіє малими габаритами і широким діапазоном частот.



Рисунок 1.1 Типова структурна схема підсилювача

Як видно із схеми, підсилювач має високий коефіцієнт посилення, призначений для виконання різних операцій над аналоговими сигналами при роботі в схемах з від'ємним зворотним зв'язком.

Підсилювач напруги використовується для зменшення вихідного опіру джерела, в ідеалі будучи генератором напруги з нульовим вихідним опором. Вихідна напруга такого підсилювача, як правило, рівна вхідному. У простому випадку емітерного повторювача вихідна напруга навіть менша вхідної.

Розробляючи схему підсилювача низьких частот зі струмовим керуванням можна звернути увагу на недоліки попередньої схеми:

мала кількість каналів. В такому підсилювачі можна створити декілька каналів для виводу звукової інформації. При створенні двох каналів інформаціє буде звучати не як моно а як стерио. При чому покращується якість звуку.

збільшення температури на мікросхемі. В даному випадку при збільшені вхідної напруги від джерела живлення, збільшиться температура на мікросхемі, що в свою чергу приведе до збільшення коефіцієнта підсилення, але при умові, що мікросхема буде добре охолоджуватися, в іншому випадку вона вийде зладу.

мала потужність вихідних даних. Більшість схем мають досить малу потужність підсилення, тому під час розробки схеми, необхідно звернути увагу на збільшення продуктивності схеми та підвищення її працездатності. Так шо потрібно буде обрати найбільш продуктивну напругу для схеми. Тому розробляючи схему потрібно звернути увагу на даний недолік;

Підсилювача НЧ можливо створити на базі вищеописаного, але при внесенні багатьох конструкційних змін. Саме і для того використовується аналітичний огляд літератури. В причому принцип роботи підсилювача НЧ не порушується, але в схему вносяться певні конструктивні зміни, які повинні покращити роботу підсилювача. В даному випадку використовується така ж структурна схема, але без вказаних вище недоліків у підсилювачі НЧ.

Використання технічної літератури дає змогу розробити схему, за коротший час, переглянути всі недоліки у попередньо розроблених схемах.

Без аналітичного огляду літератури, при розробці підсилювача не виключається можливість повторити недоліки, які реалізовані у попередніх схемах.

При розробці схеми пристрою також потрібно звернути увагу на перелік елементів, по можливості використати більш кращі модифікації. Використання більш новішої елементної бази дає змогу підвищити ряд технічних показників пристрою. Також потрібно передбачити заміну дефіцитних елементів, на більш доступніші.

2. Аналіз вихідних даних та розробка структурної схеми

Серед розглянутих схем підсилювача НЧ широкого застосування набули підсилювачі на базі мікросхем. Використання мікросхем дає змогу створювати ефективніші, набагато кращі підсилювачі. Використання мікросхеми в даному пристрої дає змогу різко підвищити функціональні можливості.

Також мікросхема дозволяє зменшити набагато розміри плати. Головна особливість забезпечує повноцінний ввід - вивід звукової інформації, без інформаційних спотворень. Головна функція мікросхеми є - підсилення потужності пристрою.

Структурна схема при синтезі концентрує в собі все найбільш важливе і істотне про склад, структуру і функції МПС. На структурній схемі зображують звичайно у вигляді прямокутників всі основні структурні вузли МПС і основні взаємозв'язки між ними.

Структурна схема є першою моделлю електронної МПС. Перевагою структурної схеми при вивченні електронного пристрою є те, що по ній можна швидко одержати представлення про склад, структуру і виконування функції, не звертаючи уваги на схемну реалізацію, його функціональних частин.

При розробці структурної схеми, потрібно реалізувати усунення недоліків попередніх версій пристрою.

Як видно із структурної схеми КП 4.10КС52.08.00 Э1, принцип дії такий.

На вхід мікросхеми поступає сигнал прямокутної форми з різною частотою. Даний сигнал, як видно із схеми, надходять до мікросхеми. Тобто по надходженню даного сигналу до мікросхеми виконуються операції.

Мікросхема в свою чергу отримавши сигнал підсилює його та перенаправляє його на пристрый виведення.

Також через блок живлення на схему подається напуга у 27В. Вона якраз нормальна і розрахована на те, щоб мікросхема сильно не перегрівалась, тому що підчас перегріву мікросхема може вийти з ладу, але при збільшені живлення на мікросхему вона почне збільшувати коефіцієнт підсилення. При подачі напругу 40В коефіцієнт підсилення збільшиться в двічі, мікросхема почне дуже грітися, тому необхідно використати радіатори близько 1000 см2 Максимальну потужність яку можливо отримати бльзько 140 Ват.

Отже як видно із структурної схеми даного приладу, усунено всі вище сказані недоліки.

При розробці структурної схеми потрібно як найбільш точніше відобразити принципи роботи майбутнього приладу. Структурна схема зображена на КП 4.10КС52.08.00 Э1.

3. Вибір елементної бази

Після розробки функціональної схеми з'являється можливість вибору елементної бази МПС. Для побудови такого електронного пристрою, як підсилювач низьких частот із струмовим керуванням, використовуються наступні елементи:

Вибір мікросхеми:

Згідно завдання потрібно розробити підсилювач низьких частот із струмовим керуванням. Для реалізації даного підсилювача НЧ було обрано мікросхему LM3886TF. Використання даної мікросхеми дало змогу створити простий, надійний підсилювач низьких частот із струмовим керуванням. LM3886 - високоефективний звуковий підсилювач частоти здатний до утворення 68Ват безперервної середньої частоти в діапазоні від 20 кГц- 20кГц.

Характеристики підсилювача:

135 Ват максимальна потужність;

20 кГц- 20кГц.

відношення сигналу до шуму 92 dB;

захист мікросхеми від кородкочастого замикання, а також запобігання від подальшого просування по схемі;

захист перенапруги продукції проти перехідних процесів від індуктивності навантаження;

попавши під напругу у мікросхемі спрацьовує захист, який не дозволяює внутрішньому зсувові, щоб відбутися, коли |VEE | + |VCC | < 12V, у такий спосіб створюється поворот від перехідних процесів;

широкий діапазон пропускання від 20 - 94 В;

LM3886 підтримує чудове відношення сигналу до шуму більше чим 92dВ з типовим низьким шумом 2.0. Це надзвичайно низький номінал THD+N 0.03%, у номінальному навантажені на звукововий спектр, він надає чудову лінійність ІMD (SMPTE) де типова оцінка близько 0.004 %.

Вигляд мікросхеми LM3886TF яка зображена на рисунку 3.

Рисунок 3 - Зовнішній вигляд мікросхеми LM3886TF.

Різниця в порівнянні підсилювача LM3886TF з попереднім підсилювачем серії LM3886T полягає лише в тому, що LM3886TF являється в ізольованому корпусі. Тобто при підвищенні напруги близької до максимальної потрібно майже в два рази збільшити ширену тепловідвіда або ж поставити вентилятор.

Призначення виводів:

V+ - напруга живлення від 20 до 60 В;

NC - непідключається;

ОUTPUT - вихід на комутатор;

V- - напруга живлення від -20 до -60 В;

GND - земля;

MUTE - вимкнення звуку;

Vin - - відємний сигнал;

Vin + - додатній сигнал.

Основні технічні характеристики мікросхеми LM3886TF приведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Характеристики мікросхеми LM3886TF

Характеристики	Значення
Коефіцієнт підсилення по напрузі Кu	31
Напруга живлення Uпит	+10…+42В
Номінальна потужність P, Вт на 4 Ом	68
Пікова потужність Pmax, Вт на 4 Ом	135
Чувствительность по входу Uвх, В	0.7
Сумарний коефіцієнт гармонік і шумів при P=60Вт 4Ома, Kd	0.03%
Відношення Сигнал/Шум, Дб	90-92
Струм спокою підсилювача Іxx	20-30мА
Смуга відтворених частот за рівнем -3дб, Гц	20-20 000

Рисунок 4 - Вихідна вольт - амперна характеристику підсилювача LM3886TF



Рисунок 5 - Амплітудно - частотна характеристика підсилювача LM3886TF.

Як видно із характеристик приведених вище, операційний підсилювач LM3886TF, в цілому підходить для використання в даній схемі.

Перелік параметрів приладів які входять до складу підсилювача НЧ:

Конденсатори 47пФ, 220пФ, 0,1мФ - кераміка

Конденсатор 1мФ - прохідний сигнальний. У бюджетному варіанті - кераміка або електроліт. Значно краще - плівковий, типу ДО 73-17. Для найкращого звуку ставиться виносний МБГЧ 1u і шунтірується плівковим на 0,1u (типу ДО-73), із платою з'єднується екранованим проведенням.

Конденсатори 100мФ - на напругу 50В (тобто на ту ж напругу, що і ємності одного плеча живлення)

Резистори 2,2 Ом, та 10 Ом - на 2 Ват, клас точності 1%

Конденсатори 0,3 мФ - шунти по живленню - краще застосовувати плівкові типу ДО-73-17 х 63В (є 0,33мФ). Всі силові доріжки (живлення на вихід звуком) рекомендується покрити шаром припою для збільшення їхньої товщини.

4. Розробка, розрахунок та опис принципової схеми

Принципова схема слугує основою для розробки інших конструкторських документів, наприклад, схем з'єднань (монтажних) і креслень. Користуються ними для вивчення принципів роботи МПС, також при наладці, контролі та ремонті апаратури.

Розробка принципової схеми виконується на схемотехнічному етапі проектування і представляє собою більш високий рівень синтезу структурної і функціональної схем. В той час, як функціональна схема є сукупністю формальних моделей функціональних частин МПС, а принципова схема є сукупністю електричних моделей цих частин.

Принципова схема синтезується на основі функціональної та аналізу вимог технічного забезпечення, а також вимог, що висуваються розробником до кожного функціонального елемента.

Розробка принципової схеми полягає у виборі однієї з відомих схем, яка найбільш відповідає сукупності техніко-економічних вимог при максимальній її простоті і надійності. Дана схема підсилювача НЧ зі струмовим керуванням є досить компактною і при цьому володіє певною надійністю.

Розрахунок елементів принципової схеми зводиться до розрахунку номіналів резисторів та конденсаторів, які входять до складу принципової схеми. Ці величини приведені у розділі „Вибір елементної бази".

В описі принципової схеми описується принцип дії розробленого пристою за схемою електричною принциповою.

Принципова схема показана в графічній частині курсового проекту в частині. Принцип роботи схеми полягаю в найголовнішому, тобто в розрахунках каскадів підсиленння:

Розрахунок каскадів підсилення на мікросхемах полягає у виборі типу мікросхеми, здатної забезпечити на опорі амплітуду із припустимою величиною лінійних спотворень і . Для підсилення сигналів широко використовують мікросхеми операційних підсилювачів (ОП). На цих мікросхемах, застосовуючи зворотній зв'язок, можна реалізувати різні види підсилювачів.

Розрахунок каскаду по постійному струму полягає у виборі резистора фільтра . Так як необхідна напруга для мікросхем більш за джерело живлення , то фільтр не треба включати в схему. Схеми ОП у більшості випадків вимагають двох джерел живлення. Однак їх можна підключати до одного джерела

Схема підсилювача на ОП з живленням від одного джерела наведена на рисунку 7.

Рисунок 7. Схема підсилювача на ОП

При розрахунку каскаду на ОП по перемінному струму задаються величиною R2 з умови:



R2=0.01·100000=1000Ом = 1 кОм.

Номінальне значення R2=1 кОм.

Величину резистора R3 визначають за необхідною величиною коефіцієнта підсилення за напругою Kump.

,

R4=1000·(32.16-1)=31160 Ом

Номінальне значення R4=30 кОм.

Резистор R1 визначають з умови: RвхОП/R1=Ru.

100кОм/R1=100кОм

R1=100кОм

Номінальне значення R1=100 кОм.

При цьому враховується, що потужність, що розсіюється на них, звичайно не перевищує 125 мВт.

Фактичний коефіцієнт підсилення каскаду по струмом:

Вхідний і вихідний опори:

Rвх =100кОм,

де коефіцієнт підсилення, і - вхідний і вихідний опори ОП.

; Ом.

При цьому повинні виконуватися умови:

,

Амплітуда вхідної напруги:

Конденсатор С3 призначений для запобігання можливого збудження ОП на частотах вище . Його ємність дорівнює:

Номінальне значення: С7=330 пФ.

Конденсатор С2 призначений для збільшення глибини НЗЗ за постійним струмом, що зменшує дрейф нуля ОП і стабілізує роботу каскаду. Ємність конденсатора визначають з умови:



Номінальне значення: С10=100 мкФ.

Ланцюжок забеспечує стійкість підсилювача, його конфігурація та параметри визначаються типом мікросхеми і вибираються за довідником.

Ккоп=200 Ом, Скор=1000 пФ.

Ємність розділового конденсатора С4 визначається за формулою:

Номінальне значення: С4=220 мкФ.

Величина спотворень, фактично внесених на нижній граничній частоті , дорівнює:

а на верхній граничній частоті дорівнює: Мв=0.15дБ.

5. Розрахунок надійності

Надійність - це властивість апаратури виконувати свої функції при зберіганні експлуатаційних показників в заданих границях та режимах роботи, які встановленні в технічному завданні.

Надійність є комплексною властивістю, яка в залежності від призначення та експлуатації апаратури може включати такі властивості, як безвідмовність, довговічність, безпомилковість та інші.

Несправності та помилки в роботі приладу виникають з різних причин і можуть носити характер відмов або збоїв.

Відмова - це подія, яка призводить до повної втрати працездатності. Усувається ремонтом або заміною несправного компонента.

Збій - це короткочасні порушення працездатності через короткочасну зміну параметрів електрорадіоелементів (апаратний збій) або параметрів програмного забезпечення (програмний збій). Збої носять випадковий характер, їх виникнення не піддається прогнозуванню через вплив великої кількості зовнішніх чинників. Наслідками збоїв є спотворення інформації, яка обробляється, передається чи зберігається. Усунення наслідків збоїв відбувається шляхом повторення операції у результаті якої виник збій.

Відомо, що інтенсивність збоїв значно вище інтенсивності відмов. Інтенсивність відмов - це характеристика, яка визначається експериментальне для кожної групи елементів і має табличне значення. Інтенсивність відмов виробу визначається сумою інтенсивностей відмов всіх його елементів.

Для визначення надійності приладу спочатку визначається його сумарна інтенсивність за формулою 1:

 = . (1)

Де - сумарна інтенсивність відмов, 1/год;

n - кількість елементів в групі;

- значення інтенсивності відмов, 1/год;

Інтенсивність відмов елементів, їх кількість і результати обчислень загальної інтенсивності приведені у таблиці 2.

Тип елементу	Інтенсивність відмов елементів л, 1 /год	Кількість N, шт	Ni*лі
Конденсатори	0,2*10-6	11	2.2 *10-6
Напівпровідникові ОП	0,25*10-6	1	0.25*10-6
Роз'єми	0,3*10-6	1	0.3*10-6
Резистори	0,5*10-6	7	3.5*10-5
Сума	2.37*10-6

Таблиця 2 - Параметри надійності радіоелементів.

Для знаходження сумарного значення інтенсивності відмов потрібно знайти сумарні значення кожної із груп елементів, а потім знайти загальну суму інтенсивності відмов.

Далі за формулою 2 потрібно знайти середній час роботи на 1 відмову.

Tc = - 1 (2)

Tc = 1 / 9,27*10-5 = 10787,5 (год)

Так як прилад експлуатується в реальних умовах (стаціонарних) - тоді потрібно середній час розділити на показник коефіцієнту для нормальних умов. Для стаціонарних умов коефіцієнт рівний 10. Отже:

Tc = Tc / К = 10787,5 / 10 = 1078,75 (год.)

Далі за формулою 3 знаходимо імовірність безвідмовної роботи:

P(t)= е(-t/Тс)

Приймаємо проміжки часу t = 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 год. І для даних проміжків часу визначаємо значення імовірностей. Результати обчислень приведені в таблиці 3.

Таблиця 3 - Імовірність безвідмовної роботи.

Час напрацювання, год	Імовірність безвідмовної роботи
500	0,605
1000	0,375
1500	0,250
2000	0,156
2500	0,098
3000	0,061

По даним обчисленням приведеним в таблиці 3 можна побудувати графік залежності імовірності роботи від часу, (дивись рисунок8).

Р(t)

0,6

0,2

50010001500200025003000 t (год)

Рисунок 8 - Графік залежності P(t) від часу.

З графіку зображеного на рисунку 8 видно, що з часом ймовірність безвідмовної роботи зменшується і на певному етапі вона майже досягає нульового значення.

Щодо залежності інтенсивності відмов від часу, то ця залежність наступна. В момент виготовлення пристрою ймовірність того, що він вийде з ладу є максимальною. Якщо пристрій не вийшов з ладу, то наступає невеликий початковий проміжок часу, який називають періодом припрацювання. В реальних умовах експлуатації цей період складає декілька місяців. Для його скорочення проводиться так званий „прогон" виробів в умовах більш жорстких, ніж при реальній експлуатації (термокамери, мікро стенди тощо). Тим самим вдається швидко виявити найменш надійні компоненти і замінити їх. При цьому початковий період скорочується до кількох днів.

Після початкового періоду наступає термін експлуатації, протягом якого пристрій виконує всі покладені на нього функції. Цей період складає 5-10 років.

Останнім є проміжок часу, який наступає після закінчення терміну експлуатації. Це період старіння, що характеризується появою поступових відмов.

6. Розрахунок потужності споживання

Для того щоб знайти потужність споживану схемою потрібно підсумувати активні потужності які споживаються схемою. В даному випадку потрібно визначити такі потужності за паспортними документами:

напівпровідниковий ОП

діодів;

Такими деталями як резистори можна знехтувати

Значення потужностей приведено в таблиці 4.

Таблиця 4 - Параметри потужностей радіоелементів.

Тип елементу	Потужність, Вт	Кількість N, шт	Сумарна потужність, Вт
Напівпровідниковий ОП	0,5	1	0.5
Резистори	0,035	1	0,825
Сумарна потужність	1,225

Як видно із таблиці 4, схема споживає близько 1,5 Вт.

7. Інструкція з експлуатації

Даний підсилювачи НЧ розроблений на мікропроцесорі LM3886TF, який не потребує калібрування. Для подальшої роботи підсилювачи НЧ потрібно тільки підключити до живлення та джерела сигналу. Вихід підсилюва підключити до приладу виведення звукової інформації.

Підсилювачи НЧ призначений для підсилення вхідного сигналу за рахунок певного струму. Підсилювач з'єднується з джерелом за допомогою штекерів.

На передній панелі корпусу підсилювача розміщені наступні органи керування і індикації:

кнопка увімкнення підсилювача - ВКЛ;

кнопка вимкнення звуку;

індикатори режиму роботи;

На задній панелі корпусу підсилювача розміщені наступні елементи:

розєм для підключення вхідного сигналу;

розєм для виведення сигналу;

розєм для підключення блока живлення;

Напруга живлення підсилювача складає 27 Вольт і надходить через роз'єм куди підключається блок живлення.

Висновки

підсилювач низька частота струмове керування

На даному курсовому проектуванні було розроблено підсилювач НЧ зі струмовим керуванням. Даний пристрій дозволяє підсилювати звук за рахунок напруги живлення.

Підсилювач НЧ зручний і простий в роботі. Він не потребує настройки. Використання його дає змогу співпрацювати з аналогічними пристроями.

Інтеграція в одному корпусі великої кількості периферійних пристроїв забезпечило компактність і відносно низьку вартість приладу.

В ході проведення даної роботи було визначено сумарну інтенсивність відмов, яка складає 2.37*10-6. Безвідмовна робота даного приладу складає 1078,5 год, що є непоганим показником.

Прилад споживає потужність 1,225 Вт. Дана потужність є оптимальною для роботи даного приладу.

При виконанні даної роботи було реалізовано і приведено в графічній частині проекту структурна і електрична принципова схеми. Даний курсовий проект повністю відповідає завданню.

Література

1. Гусев В.Г. Злектроника. - М.: Высшая школа. 1991. 622с.

2. Лавриненко В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. -К.: Техника 1984. 424с.

3. Методические указания к курсовой работе по дисцеплине «Злектронные устройства ЖАТС». Часть З -X.: ХИИТ, 1988. 37с.

4. Методичні вказівки до курсового проекту з дисципліни «Електроніка та мікросхемотехніка». Часть 1 - X.: УкрДАЗТ. 2003. 62с.

5. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник Под. ред. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985. 560 с.

6. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. Под общей редакцией Н.Н. Горюнова. Издание второе, переработанное.. М.: Знергоатомиздат 1985. 902 с.

Размещено на Allbest.ru