Проектирование усилителя мощности

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

КАФЕДРА МОРСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТНО–ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ  ПРОЕКТУ

НА ТЕМУ: “ПРОЕКТИРОВАНИЕ  УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                               Выполнил ст. гр. 33СУ1:

                                                                                                                                     Окунев В.А.

                                                                                                              Проверил преподаватель:

                                                                                                                                     Сырков В.А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2006

ОГЛАВЛЕНИЕ:

 

Исходные данные……………………………………….……………………………3

Введение……………………………………………………………………………...4

Определение общего коэффициента усиления…………………………………….4

Выбор оконечного каскада………………………………………………………….5            Выбор предварительного каскада…………………………………….…………….7

Выбор резисторов……………………………………………………………………8

Расчет конденсаторов………………………………………………….…………...11

Определение напряжения смещения……………………………………………...12

Список используемой литературы………………………………………………...13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

 

• напряжение генератора U_г= 10 мВ;
• сопротивление генератора R_г= 10 кОм;
• мощность на нагрузке Р_н = 10 Вт;
• сопротивление нагрузки R_н= 4 Ом;
• нижняя частота пропускания f_н= 40 Гц;
• верхняя частота пропускания f_в= 18 кГц;
• коэффициент частотных искажений:
• на высоких частотах М_в= 1,2;
• на низких частотах М_н= 1,4;
• коэффициент гармоник К_г= 0,5 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Усилители низкой частоты  широко применяются в различной  звуковоспроизводящей аппаратуре: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны и т.д. Они предназначены для усиления полосы частот в пределах 30 Гц – 30 кГц, то есть звукового диапазона,  поэтому их еще часто называют усилителями звуковой частоты (УЗЧ).

      Выполнение  усилителя мощности возможно либо на дискретных элементах (транзисторах), либо на операционных усилителях (ОУ). В настоящей работе используются операционные усилители, так как они обладают рядом преимуществ перед дискретными элементами:

• внутри ОУ находятся готовые схемы, параметры которых можно изменять навесными элементами;
• существуют как ОУ общего применения, так и ОУ со специальным назначением, что позволяет в каждом конкретном случае использовать подходящий ОУ;
• из всего многообразия ОУ можно выбрать один или несколько подходящих ОУ по ряду начальных условий, что уменьшит расчеты;
• многие ОУ снабжены специальными цепями коррекции и защиты от коротких замыканий и перегрузок т.д.

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕГО КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ.

 

Так как входной сигнал равен Uг=10 мВ, то очевидно, что сначала он должен быть усилен до какого-то значения и только потом поступать на оконечный каскад. В качестве предварительного каскада можно взять ОУ общего назначения, т.к. требуется лишь усилить сигнал до определенной величины, оконечный же каскад выполним на усилителе мощности.

Коэффициент усиления первого каскада (предварительного) будем выбирать, ориентируясь на параметры выходного  каскада (оконечного). Требуемое выходное напряжение усилителя мощности  определяется из формулы:

Амплитудное значение напряжения нагрузки равно:

.

Действующее значение напряжения нагрузки равно:

 

Общий коэффициент усилителя определяется по формуле:

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫБОР ОКОНЕЧНОГО КАСКАДА

 

В качестве оконечного каскада выберем усилитель мощности ИМС К174УН11.                   ИМС К174УН11 представляет собой усилитель мощности звуковой частоты. ИМС имеет устройства защиты выходных транзисторов от короткого замыкания в нагрузке и защиты кристалла термоперегрева, чем обеспечивается долговременная и высоконадежная работа.

Электрические параметры ИМС К174УН11:

     

     

     

 

Рис.1а. Типовая схема включения  ИМС К174УН11

Рис.1б. Принципиальная схема включения  оконечного каскада.

 

Коэффициент гармоник превышает заданное значение . Для получения требуемого значения , уменьшим коэффициент усиления оконечного каскада в два раза.

 

 

 

Для типовой схемы включения (рис.1а.) при  :

где R3=100 кОм, R2=3 кОм выбираются из типовой схемы включения (рис.1а.).        

.

При :

 Используя амплитудно-частотную характеристику ИМС К174УН11 (рис.2.), определили коэффициент искажения на верхних частотах при

 

 

Рис.2. Амплитудно-частотная характеристика ИМС К174УН11

 

При коэффициенте усиления оконечного каскада  коэффициент искажения на верхних частотах определим по формуле:

,

где n- число раз, в которое уменьшили коэффициент усиления оконечного каскада.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫБОР ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО КАСКАДА

Требуемое значение коэффициента усиления предварительного каскада:

Коэффициент искажения на верхних  частотах предварительного каскада  усиления равен:

Частоту единичного усиления предварительного каскада определим по формуле:

В качестве предварительного каскада  усиления выберем микросхему К544УД2А, которая представляет собой быстродействующий операционный усилитель. Схема имеет полную частотную коррекцию, которая обеспечивается при замыкании выводов 1 и 8.

 Электрические параметры К544УД2А:

     

     

Рис.3а. Типовая  схема включения ОУ К544УД2А.

 

Рис.3б. Принципиальная схема включения  предварительного каскада

Для ОУ можно записать выражение:

- коэффициент усиления неинвертирующего  усилителя на ОУ.

Общий коэффициент частотных искажения  на верхних частотах равен:

.

Общий коэффициент частотных искажения меньше заданного значения Для обеспечения заданного значения коэффициента искажений необходимо включить в обратную связь конденсатор С3 (рис.3б.).

 

ВЫБОР РЕЗИСТОРОВ.

 

Выбор резисторов для оконечного каскада  усиления (рис.1б.).

 

Значения резисторов будем выбирать из пяти процентного ряда отклонений номиналов, вследствие чего будет максимальный ( ) и минимальный ( ) коэффициенты усиления оконечного каскада:

 

Т.к. , из выражения (1) следует:

Из выражения (3) выразим R2:

где выберем из типовой схемы включения (рис.1а.).

Значение  резистора R2 будет равно:

Из ряда номиналов выбираем значение резистора R2, равное:

Значения  максимального ( ) и минимального ( )  коэффициентов усиления оконечного каскада будут равны:

 

Значения номиналов резисторов R1 и R4  выберем из типовой схемы включения (рис.1а.): .

 

Выбор резисторов для  предварительного каскада усиления (рис.3б.).

 

Для возможности регулирования общего коэффициента усиления, в обратную связь предварительного каскада включим переменное сопротивление R4. Значение резистора R4 выберем из десяти процентного ряда отклонений номиналов. Значения резисторов R1, R2, R3  выберем из пяти процентного ряда отклонений номиналов.

Значения  максимального ( ) и минимального ( ) коэффициентов усиления должны удовлетворять неравенствам:

 

Значения максимального ( ) и минимального ( ) коэффициентов усиления , с учётом (5) и (6), также можно определить из выражений:

 

 Выберем резистор  , тогда из выражения (7), следует:

Из ряда номиналов выбираем значения R3, равное: .

Из  выражения (8) определим значение R4:

Из ряда номиналов выбираем значение R4, равное:

  Значения максимального ( ) и минимального ( ) коэффициентов усиления равны:

 

 

 

Значение резистора R2 выберем меньше входного сопротивления операционного усилителя:

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение мощности, выделяемой на резисторах.

 

Максимальная мощность будет выделяться на резисторах R3 и R4 оконечного каскада (рис.1б.), т.к. на них самое максимальное падение напряжения и не самые большие номиналы сопротивлений.

Мощность, выделяемая на резисторе R3 равна:

где напряжение нагрузки.

Т.к. резистор R4 включён последовательно с конденсатором C8, то максимальная мощность будет выделяться на верхних частотах.

Сопротивление конденсатора равно:

Комплексное эквивалентное сопротивление  равно:

Модуль комплексного эквивалентного сопротивления равен:

Мощность, выделяемая на резисторе  R4, равна:

Максимальная мощность выделяется на резисторе R4. Чтобы не рассчитывать выделяемую мощность для других резисторов, при выборе сопротивлений, номинальная мощность не должна быть меньше рассчитанной (мощности, выделяемой на резисторе R4).

 

Резисторы:

 

1. для предварительного каскада:

 

2. для оконечного каскада:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАСЧЕТ КОНДЕНСАТОРОВ.

 

Ёмкость конденсатор С3 предварительного каскада (рис.3б.)определим по формуле:

 

Конденсатор С3 выберем:

Ёмкости переходных конденсаторов  определим по формуле:

где - резисторы, стоящие слева и справа от конденсатора. -коэффициент искажений одного переходного конденсатора.

 

Расчет переходных емкостей для предварительного каскада усиления(рис.3б).

 

Конденсатор С1 выберем:

Конденсатор С2 выберем:

 

Расчет переходных емкостей для оконечного каскада усиления(рис.1б).

 

Конденсатор С6 выберем:

Конденсатор С5 выберем:

Значения конденсаторов  С3 и С4 (для типовой схемы включения  С7 и С8 соответственно) возьмём из типовой схемы включения (рис.1а.):   

С3:

С4:

Рассчитанная ёмкость конденсатора С5 очень большая, а следовательно  конденсатор имеет большие размеры. Выберем два полярных конденсатора С5 и С6 с номинальной ёмкостью в два или более раза больше рассчитанной. Конденсаторы включены встречно и последовательно (рис.4.).