Полупроводниковые усилители

 

Содержание

 

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

Глава 1. Общие сведения. Рассмотрение основной терминологии………….стр.4

1.1 Усилитель. Классификация и показатели полупроводниковых

 усилителей………………………………………………………………………стр.4

1.2 Блок- схема усилителя. Рассмотрение узлов схемы……………………....стр.8

1.3 Выбор схемы выходного каскада…………………………………………стр.10

Глава 2. Выполнение расчетов напряжений на основе схем и таблиц……..стр.13

2.1 Расчет напряжений питаний Е, потребляемой мощности Р0, КПД, мощности на коллекторах оконечной транзисторов Рк…………………………………стр.13

2.2 Выбор оконечных транзисторов, расчет площади теплоотводов……....стр.16

2.3 Расчет элементов усилителя мощности…………………………………..стр.18

2.4Выбор ОУ для усилителя мощности, расчет элементов цепи ООС……..стр.23

2.5 Расчет предварительного усилителя………………………………………стр.25

2.6 Проектирование блока питания……………………………………………стр.31

2.7 Выбор и расчет выпрямителя и схемы фильтра…………………….........стр.35

2.8 Выбор трансформатора…………………………………………………….стр.37

Заключение……………………………………………………………………...стр.38

Список используемой литературы…………………………………………….стр.39

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Краткий обзор истории создания полупроводников и полупроводниковых приборов

Исследование и первые попытки создания полупроводниковых приборов проводились в СССР еще в 1920-30-х годах. В 1924 году в Нижегородской радиолаборатории ученый О.В. Лосев создал полупроводниковый детектор-усилитель и детектор-генератор электромагнитных излучений на частоты до десятков МГц. На этой основе впервые в мире было создано детекторное приемопередаточное устройство - кристадин.

Позже в СССР для развития отрасли были созданы научно-исследовательские институты и центры. В 1956 году введен в эксплуатацию Завод полупроводниковых приборов. Среди продукции завода на то время - пальчиковые лампы широкого применения и сверхминиатюрные стержневые лампы, первые полупроводниковые диоды Д2, диоды Д9, Д10, Д101-103А, Д11, стабилитроны Д808-813.

В 2014 году на Заводе полупроводниковых приборов была запущена новая линия производства для разработки и освоения современных сложных корпусов для интегральных микросхем.

Среди крупных производителей интегральных микросхем в СССР и РФ - ОКБ «Искра». Среди продукции предприятия - сильноточные транзисторы, транзисторные модули и силовые быстровосстанавливающиеся диоды. В настоящее время предприятие выпускает микросхемы для нужд российского флота, армии, космоса и атомной энергетики. На данный момент предприятие входит в холдинг «Росэлектроника».

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1.Общие сведения. Рассмотрение основной терминологии

1.1.Усилитель. Классификация и показатели полупроводниковых усилителей

Усилитель - это устройство, в нагрузку которого поступает усиленный по мощности сигнал. Эффект усиления сигнала по мощности наблюдается только в том случае, когда имеется источник энергии, за счёт которого можно увеличить мощность сигнала на выходе.

Мощность сигнала, выделяющаяся в нагрузке усилителя, представляет собой преобразованную энергию источников питания, управляемую входным напряжением или входным током.

Мощность сигнала на выходе усилителя больше, чем мощность на его входе. Это и отличает усилители от пассивных четырехполюсников, таких, как, например, трансформаторы, с помощью которых можно повысить напряжение или ток, но нельзя повысить мощность.

Источником входного сигнала может служить звукосниматель, фотоэлемент, микрофон, термопара и др. Нагрузкой усилителя обычно бывает громкоговоритель, записывающая головка магнитофона, электроннолучевая трубка и др.

Отрицательная обратная связь, называемая часто для краткости просто обратной связью, также используется в усилителях для уменьшения нелинейных искажений сигнала. Для этого часть выходного сигнала усилителя подается обратно на вход. Если контур обратной связи охватывает один или часть каскадов усиления, такую связь называют местной. Если же контур обратной связи соединяет выход многокаскадного усилителя со входом, такая обратная связь называется общей.    Глубокая обратная связь позволяет получить небольшие значения нелинейных искажений, но звучание усилителя при этом часто ухудшается.

Обратную связь (ОС) называют отрицательной, если ее сигнал вычитается из входного сигнала, и положительной, если сигнал ОС суммируется с входным. При отрицательной ОС коэффициент усиления уменьшается, а при положительной – увеличивается. Из-за схемных особенностей усилителя в цепи ОС возможны варианты, когда ОС существует только для медленно изменяющегося сигнала, либо только для переменной составляющей его, либо всего сигнала. В этих случаях говорят, что обратная связь осуществлена по постоянному, по переменному, а так же как по постоянному, так и по переменному токам. В зависимости от способа получения сигнала различают обратную вязь по напряжению, когда снимаемый сигнал ОС пропорционален напряжению выходной цепи; обратную связь по току, когда снимаемый сигнал ОС пропорционален току выходной цепи; комбинированную ОС, когда снимаемый сигнал пропорционален как и напряжению, так и току выходной цепи.

Классификация усилителей.

По характеру усиливаемых сигналов электронные усилители разделяют на усилители аналоговых и импульсных сигналов. Усилители аналоговых сигналов предназначены для усиления сигналов, изменения параметров которых происходят значительно медленнее длительности переходных процессов в схеме усилителя. В усилителях импульсных сигналов как периодических, так и непериодических, длительность переходных процессов сравнима длительностью входных импульсов.

По диапазону усиливаемых частот электронные усилители делят: усилители постоянного и переменного токов. Усилители постоянного тока или усилители медленно меняющихся сигналов, усиливают электрические колебания от низшей частоты fH = 0. Усилители переменного тока усиливают электрические колебания от низшей частоты fH > 0 до верхней частоты fB (fH « f « fB).

По абсолютным значениям частот fH и fB ycилители переменного тока подразделяют на усилители низкой частоты (УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ), а среди них выделяют узкополосные и широкополосные усилители.

По виду соединительных цепей усилительных каскадов различают усилители с непосредственной (гальванической) связью, с RC-связью и трансформаторной связью между каскадами.

Основные показатели усилителей.

Усилители имеют показатели, характеризующие их свойства. К таким показателям относятся:

1.                 коэффициент усиления;

2.                 диапазон частот входного сигнала;

3.                 выходная мощность;

4.                 коэффициент полезного действия;

5.                 чувствительность;

6.                 собственные помехи.

1. Коэффициент усиления.

Коэффициент усиления усилителя может быть по напряжению Кu, по току Ki, по мощности Kp.

Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение, ток или мощность на выходе усилителя больше соответствующих значений на его входе. Коэффициент усиления может быть выражен в отвлеченных или в логарифмических единицах.

В отвлеченных единицах: Ku=Uвых/Uвх Ki=Iвых/Iвх Kp=Pвых/Pвх

Для многокаскадных усилителей общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

2. Диапазон частот входного сигнала.

Диапазон частот входного сигнала зависит от назначения усилителя. Узкополосные усилители обычно предназначаются для усиления гармонических сигналов с частотным спектром от десятков герц до 10-15 кГц.

Широкополосные усилители предназначаются для более широкой полосы частот, например, от десятков герц до нескольких мегагерц. Это объясняется тем, что в большинстве случаев широкополосные усилители усиливают импульсные сигналы, которые можно представить в виде суммы гармонических составляющих. Спектральный состав импульсов зависит от формы и длительности импульсов. Спектр импульсов безграничен, но с увеличением номера гармоник их амплитуда убывает. Для практического воспроизведения формы импульсов можно ограничится лишь частью спектра.

Для прямоугольного импульса за ширину полосы входного сигнала принимают полосу частот П, определяемую выражением: П=2/tи, где tи - длительность импульса.

 

 

3.Выходная мощность.

Выходная мощность Рвых есть мощность тока низкой частоты в выходном нагрузочном сопротивлении усилителя. В маломощных усилителях Рвых составляет доли ватта, в усилителях средней мощности единицы или десятки ватт, а усилители большой мощности имеют выходную мощность порядка сотен ватт и более. Она всегда указывается для нормальной работы усилителя, т. е. когда на вход подается нормальное напряжение.

Усилитель может давать мощность больше нормальной, т. е. работать с перегрузкой. При этом увеличиваются искажения и, кроме того, повышенные переменные напряжения в последней ступени могут вызвать аварии (пробивание конденсаторов или изоляции в трансформаторах, выход из строя ламп или транзисторов и т.д.).

4. Коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия (КПД) усилителя представляет собой отношение мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к суммарной мощности, потребляемой усилителем от источников питания.

Для ламповых усилителей КПД может определятся с учетом и без учета мощности, потребляемой цепями накала. Наиболее часто КПД усилителя рассчитывается без учета мощности, потребляемой цепями накала Рн, так как это дает возможность сравнивать экономичность работы ламп и транзисторов при различных электрических режимах работы.

5.Чувствительность.

Чувствительность усилителя характеризуется наименьшей величиной напряжения или тока входного сигнала при постоянной его частоте, при которой на выходе усилителя создается номинальная мощность или заданное напряжение. Чувствительность усилителя можно определить по амплитудной характеристике, показывающей зависимость выходного напряжения от входного.

6.Собственные помехи.

Основными составляющими собственных помех усилителя являются: наводки и фон, помехи от микрофонного эффекта, тепловые шумы, шумы усилительных элементов.

 

1.2. Блок - схема усилителя. Рассмотрение узлов схемы

В большинстве случаев усиление одного усилительного элемента бывает недостаточно, и в усилителе применяют несколько таких элементов, которые включаются так, чтобы электрические колебания, усиленные первым элементом, подводились ко второму, затем к третьему и так далее, т.е. чтобы сигнал усиливался отдельными ступенями. Часть схемы усилителя, составляющая одну ступень усиления, называется усилительной ступенью или усилительным каскадом.

Для наглядного изображения устройство усилителя применяют блок-схему, на которой прямоугольниками обозначают основные части (узлы) усилителя (Рис.1).

 

Рис.1 Блок-схема усилителя

Рассмотрим название отдельных частей (узлов) схемы. Источником сигнала может являться любой источник тока, например, микрофон, звукосниматель, фотоэлемент и др. Предварительный усилитель усиливает напряжение, ток или мощность входного сигнала до необходимой величины, при которой будет нормально работать оконечный каскад усилителя. Предварительный усилитель может состоять из одного или нескольких каскадов предварительный усиления, количество которых будет определяться необходимым усилением сигнала. Если напряжение, ток или мощность, отдаваемые источником сигнала, достаточны для нормальной работы оконечного каскада, предварительный усилитель в составе усилителя не нужен. В каскадах предварительного усиления обычно применяются маломощные ламповые триоды и пентоды, а также транзисторы малой мощности.

Оконечный каскад усилителя предназначен для передачи в нагрузку заданной мощности или заданного напряжения сигнала. Нагрузкой усилителя в зависимости от его назначения может быть громкоговоритель, электроннолучевая трубка, реле или другие исполнительные устройства. В оконечном каскаде усилителя применяются так называемые выходные лампы - триоды и пентоды, рассчитанные на получение нужной выходной мощности или напряжения, а также транзисторы средней и большой мощности.

Назначение усилителя - преобразование маломощного электрического сигнала, поступающего от источника, в мощный, способный идеально управлять электроакустическими преобразователями - громкоговорителями или наушниками - без каких-либо нежелательных влияний на исходный сигнал, т.е. без его искажения.

Исходные данные полупроводникового усилителя:

·          Uнm = 19,5 (В) - амплитуда напряжения на нагрузке;

·          Pн = 91 (Вт) - мощность на нагрузке;

·          Rн = 2.09 (Ом) - сопротивление нагрузки;

·          Iнm = 9.33 (А) - амплитуда тока на нагрузке;

·          Uвхm = 109 (мВ) - амплитуда входного напряжения;

·          fн = 74 (Гц) - низшая частота усиливаемых сигналов;

·          fв = 37 (кГц) - высшая частота усиливаемых сигналов.

·           

 

1.3. Выбор схемы выходного каскада

Мощный выходной каскад является основным потребителем энергии. Он вносит основную часть нелинейных искажений, поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получить наибольший КПД и малые нелинейные искажения.

Нелинейные искажения для мощных транзисторных каскадов обусловлены зависимостью h21б или h21э от режима работы, нелинейностью характеристик Iэ(Uэб) или Iб(Uэб), а также нелинейностью характеристик намагничивания магнитной системы трансформатора, часто используемого для согласования выходного каскада с нагрузкой.

Транзисторные выходные каскады выполняют однотактными и двухтактными, причем полевые транзисторы в мощных выходных каскадах, как правило, не используют вследствие малой допустимой мощности рассеяния.

Активные элементы в усилителях мощности могут работать в режимах А, В или АВ. Для создания мощных выходных каскадов используют схемы с ОЭ, ОБ и ОК.

Однотактные выходные каскады обычно работают в режиме А. При их создании используют все три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые, обеспечивая высокий КПД, существенно ухудшают его частотные характеристики.

В связи с тем, что КПД однотактных выходных каскадов в режиме А меньше 0.5, в мощных выходных каскадах часто используют двухтактные выходные каскады, которые работают в режиме В или АВ. Применяются все три схемы включения транзисторов: с ОБ, ОЭ, ОК. Двухтактные выходные каскады можно подразделить на каскады с согласующими выходными трансформаторами и без трансформаторные выходные каскады.

В трансформаторных каскадах удается, как правило, получать лучшее согласование каскада и нагрузки, легче получить требуемую температурную стабильность. Они являются классическими схемами, обеспечивающими большую мощность. Недостаток их - наличие громоздких трансформаторов и значительные нелинейные и частотные искажения.

Без трансформаторные мощные выходные каскады в последнее время получают все более широкое распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов, имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики, легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, отсутствие частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами позволяет вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному току, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости всего устройства может быть достигнуто путем введения простейших корректирующих цепей.

Без трансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двукратным схемам на транзисторах, работающих в режиме В или АВ и включенных по схемам с ОЭ или ОК. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых транзисторов, либо транзисторов с разным типом электропроводности (p-n-p и n-p-n), носят название каскадов с дополнительной симметрией.

Рассмотрев все вышесказанное, в качестве мощного выходного каскада выберем без трансформаторный мощный выходной каскад по двухтактной схеме на транзисторах работающих в режиме АВ (Рис.2).

Рис.2 Схема усилителя мощности класса АВ

 

Составные транзисторы VT2-VT4 и VT3-VT5 (схема Дарлингтона) образуют комплементарный эмиттерный повторитель. Цепь смещения, содержащая источники тока Io и транзистор VT1, обеспечивают класс АВ выходных транзисторов.

В качестве усилителя мощности была выбрана схема мостового усилителя мощности (Рис.3).

Класс АВ является самым выгодным для построения УМ. Т.к. класс АВ экономичнее, чем класс А и его коэффициент линейных искажений меньше, чем у класса В, поэтому в качестве каскада выбираем класс АВ.

Рис.3 Мостовой усилитель мощности

Использование мостовой схемы усилителя мощности обусловлено ограниченным напряжением питания.

Не инвертирующий усилитель мощности DA1 и ВК1 и инвертирующий усилитель DA2 и ВК2 с равными по модулю коэффициентами работают на общую нагрузку, напряжение на которой удваивается за счет суммирования сигналов. Идентичные каскады ВК1 и ВК2 в мостовой схеме проектируются на исходные данные.

усилитель каскад транзистор питание

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 2.Выполнение расчетов напряжений на основе схем и таблиц

2.1. Расчёт напряжений питания Е, потребляемой мощности Р0, КПД, мощности на коллекторах оконечных транзисторов Рк

Расчет производится для ВК1 с учетом исходных данных для мостовой схемы усилителя мощности:

1.                 Uнm1= Uнm2=0,5∙Uнm=0,5∙19,5=9,75
2.                 Рнm1= Рнm1=0,5∙Рн=0,5∙91=45,5
3.                 Iнm1= Iнm2= Iнm=9,33
4.                 Rн1= Rн2=0,5∙ Rн=0,5∙2,09=1,045

Расчет для ВК2 производится аналогично.

Напряжения питания выходного каскада выбирают из условия

Uнm1= Uнm2=0,5∙Uнm=0,5∙19,5=9,75     , где DU равно сумме минимального напряжения на источнике тока Iо (1-2В) и напряжений Uбэ транзисторов. Типовые значения DU=(3¸5)В и должны уточняться для каждой схемы ВК.

Выбираем: ∆U=5 = Uнm+∆U=9,75+5=14,75 (В)

На Рис.4 построены линии нагрузки выходных (оконечных) транзисторов. Нумерация транзисторов дана для рис.4.

Рис.4 Линии нагрузки выходных транзисторов

Рассчитаем энергетические параметры усилителя класса АВ (Рис.5):

Среднее значение потребляемого тока:

Потребляемая мощность: Р0=2∙Е∙Iкср=2∙14,75∙2,97=87,611 (Вт)

Выходная мощность (на нагрузке):

	(Вт)
Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных (оконечных) транзисторов: к=0,5∙(Ро-Рн)=0,5∙(87,611-45,484)=21,064 (Вт)

Коэффициент полезного действия (Рис.6):

Мощность, рассеиваемая на коллекторах выходных транзисторов,  имеет максимум:   (Вт)

При  (B)

 

Рис.5 Графики зависимостей Po(Uн), Pн(Uн), Pк(Uн)

Рис.6 График зависимости КПД(Uнm)

Так как используется усилитель мощности класса АВ, то нужно учесть потерю мощности в точке покоя.

Ро=2×Е×(Iнm/p + Iок)=2·14,75(9,33/3,14+0,01)=87,905, где Iок=5¸50мА – ток покоя оконечных транзисторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Выбор оконечных транзисторов, расчет площади теплоотводов

Выходные транзисторы выбираем по предельно-допустимым параметрам:

(Вт)

Выбираем комплементарную пару n-p-n и p-n-p транзисторов, имеющих близкие параметры: VT4: КТ819A (n-p-n) и VT5: КТ818А (p-n-p) (Табл.1).

	Uкэmax, (В)	Iкmax, (А)	Pкmax, (Вт)	b = h21э	Тпmax, (0С)	Rтп-к, (0С/Вт)
КТ819A	80	15	100	20	150	1,25
КТ818А	80	15	100	20	150	1,25

 

Табл.1 Параметры транзисторов

Определим требуемое общее тепловое сопротивление:  (град/Вт), где Тс = (35/40) 0С - температура окружающей среды, DТ=(5¸10) 0С - температурный запас.

Общее тепловое сопротивление складывается из составляющих:

RТ = RТП-К+RТК-Т+RТТ-С

где RТК-Т - тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод;

RТТ-С - тепловое сопротивление теплоотвод - окружающая среда;

RТП-К - тепловое сопротивление коллекторный переход - корпус;

Величина RТК-Т определяется качеством теплового контакта корпус - теплоотвод. При отсутствии электрической изоляции между корпусом и радиатором можно принять RТК-Т= (0¸0,2) град/Вт. Если применяется электрическая изоляция, когда на общий радиатор устанавливаются два или более транзисторов, имеющих разные потенциалы коллекторов (корпусов), или по конструктивным требованиям на теплоотводе нулевой потенциал, то принимают RТК-Т = (0,2¸0,5) град/Вт. Выбираем RТК-Т =0,2 град/Вт.

Тепловое сопротивления теплоотвод - окружающая среда RТТ-С является характеристикой теплоотвода (радиатора), которая позволяет определить его минимально-допустимую площадь Sт.

где Кт - коэффициент, зависящий от условий теплообмена радиатора с окружающей средой. Для черненого алюминиевого ребристого теплоотвода без принудительной вентиляции на основе эмпирических данных можно принять.

Выражаем: ТТ-С=RТ–RТП-К–RТК-Т=4,74–1,25–0,2=3,29 (град/Вт)

И рассчитываем искомую величину:

(см2)

Т.к. транзисторов 2, то площадь теплоотвода необходимо увеличить в 2 раза:

(см2)

 

 

 

2.3. Расчет элементов усилителя мощности

Резисторы, включенные параллельно эмиттерным переходам предоконечных транзисторов, предотвращают режим обрыва базы выходных транзисторов при запирании предоконечных транзисторов и выбираются в пределах 100-500 Ом.

R3=R4=470 (Ом)

Из ряда Е24 Выбираем резисторы R3,R4: R3,R4: МЛТ- 0.5 - 470 Ом ±5%.

Определим входной ток выходных транзисторов VT4-5

(А)

Если n-p-n и p-n-p транзисторы имеют различные параметры, то расчёт ведётся по наименьшему значению коэффициента β. Для увеличения коэффициента усиления по мощности (по току) применяют составные транзисторы. Рассчитаем, какие должны быть требования к предоконечным транзисторам по предельно-допустимым параметрам:

(А)
(Вт)

Выбираем n-p-n и p-n-p транзисторы, имеющие близкие параметры:

VT2: КТ972А (n-p-n) и VT3: КТ973А (p-n-p) (Табл.2).

	Uкэmax, (В)	Iкmax, (А)	Pкmax, (Вт)	b = h21э	Тпmax, (0С)	Rтп-к, (0С/Вт)
КТ972А	60	4	8	750	150	15,6
КТ973А	60	4	8	750	150	15,6

 

Табл.2 Параметры транзисторов

 

После выбора предоконечных транзисторов определяем входной ток усилителя мощности:

(мА)

где R - сопротивление резистора, включенного параллельно эмиттерному переходу.

Так как Iвхm < 5мА усиление по току в данном случае можно считать достаточным, это значение так же соответствует типовому значению выходного тока ОУ.

Напряжение Uкэ транзистора VT1 (Табл.2) устанавливаем равным:

где Uбэотп - напряжение отпирания транзисторов.

Если входные ВАХ транзисторов отсутствуют, то можно ориентировочно принять Uбэотп≈0,5÷0,6 В.

Выбираем Uбэотп=0,6 В.

Uкэ1=Uсм =0,6+0,6+0,6+0,6=2,4 (В)

Транзистор VT1 включен по схеме с коллекторной стабилизацией - с отрицательной обратной связью по напряжению Uкэ. Напряжение на нем:

Определив требуемое значение Uсм и задавшись R2=1кОм, рассчитываем R1.

(Ом)

Из ряда Е24 Выбираем резисторы R1,R2:

R1: СП3 - 19a - 0,5Вт - 3,3 кОм ±10% - подстроечный резистор

R2: МЛТ - 0,5 - 1 кОм ±5%.

Io ³ Iвхm.

Выберем Io=1 (мА)

Выберем транзистор VT1 по предельно-допустимым параметрам:

Iкmax > Io=1 (мА)

Uкэmax > Uсм=2,4 (В)      

Выбираем транзистор VT1: КТ301 (n-p-n).

	Uкэmax, (В)	Iкmax, (мА)	Pкmax, (мВт)	b = h21э	Тпmax,(0С)	Rтп-к, (0С/Вт)
КТ301	20	10	150	20	120	600

 

Табл.3 Параметры транзисторов

 

Рис.7 Схема выходного каскада ВК1

Расчет источника тока: источники тока Io обеспечивают режим стабилизации Uсм и их величина должна быть не менее тока:

Io ³ Iвхm

Схема источника тока приведена на рисунке 8. Ток Io - это ток коллектора VT1, включенного по схеме с фиксированным потенциалом базы (резисторы R1-R2), эмиттерной стабилизацией (R3) и термокомпенсацией (в качестве термокомпенсации используем эммиторно-колекторный переход VT1). Потенциал базы Uб для сохранения активного режима транзистора должен удовлетворять условию:

Рис.8 Схема источника тока

 

 

Выбираем транзистор VT1’(Рис.8) по предельным параметрам:

Uкэ > 2Е = 2·14,75=29,5 (В)
Iк > Iо = 1 (мА)
Рк > E×Io =14,75· 1· 10-3 =15 (мВт)

Выбираем транзистор VT1’: КТ214В-1 (p-n-p).

 

Табл.4 Параметры транзисторов

Выбираем ток делителя:

(мА)

и рассчитываем резисторы:

Из ряда Е24 выбираем резисторы R1’,R2’,R3’:

R1’: МЛТ- 0.5 – 16 кОм ±5%.

R2’: МЛТ- 0.5 – 43 кОм ±5%.

R3’: МЛТ- 0.5 – 3,3 кОм ±5%.

Расчет второго источника тока на n-p-n транзисторе не отличается от выше представленного.

Выбираем транзистор VT2’: КТ215В-1 (n-p-n).

 

 

Табл.5 Параметры транзисторов

 

 

 

Выбираем ток делителя:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4. Выбор ОУ для усилителя мощности, расчет элементов цепи ООС

 

Рис.9 Мостовой усилитель мощности.

Операционные усилители DA1 и DA2 (Рис.9) обеспечивают требуемые амплитуды тока и напряжения на входе ВК1 и ВК2. Поэтому параметры ОУ должны удовлетворять условиям:

Выбираем ОУ: КР140УД18.

Uп, (В)	Uвых, (В)	Vuвых, (В/мкс)	Iпот, (мА)	Kус, тыс.	f1, (МГц)	Uсм, (мВ)	Iвх, (нА)
15	±11,5	5	4	50	2,5	10	1

 

Табл.6 Параметры ОУ

Необходимое значение глубины обратной связи достигается применением операционных усилителей (ОУ) с большим коэффициентом усиления. Для сохранения значения глубины ООС на частотах десятки килогерц общее усиление замкнутого усилителя рекомендуется выбирать из условия: Кум = ±(1¸3)

Выбираем коэффициент усиления мощности Кум=2.

 

Тогда согласно Табл.6, коэффициент усиления УМ:

Задавшись R5=10000 (Ом): (кОм)

Из ряда Е24 Выбираем резисторы R5,R6:

R5: МЛТ-0.5-10кОм±5%;

R6: МЛТ-0.5-20кОм±5%.

Коэффициент передачи цепи обратной связи :

Глубина отрицательной обратной связи:

Нижняя граничная частота разомкнутого ОУ:

(Гц)

Верхняя граничная частота замкнутого ОУ:

(кГц)

Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте:

 

 

2.5. Расчет предварительного усилителя

Подбор ОУ.

Предварительный усилитель должен быть двухкаскадным, причем один из каскадов инвертирующий, а другой - не инвертирующий, в любой последовательности. Общее усиление распределяется примерно поровну между первым и вторым каскадами.

Рис.10 Двухкаскадный предварительный усилитель:

а) инвертирующий с параллельной ООС; б) неинвертирующий с последовательной ООС

Общее усиление по напряжению:

,

где  - коэффициенты усиления 1-го и 2-го предусилителя, тогда:

,

где Кпу - общий коэффициент усиления предусилителя.

Распределим усиление между каскадами предусилителя примерно поровну.

Тогда:

В качестве ОУ выбираем КР140УД18 с параметрами, представленные в таблице:

Табл.7 Параметры ОУ

б) Рассчитаем 1-й каскад предусилителя (ПУ) согласно Рис.10 а):

Задавшись R7=10000 (Ом)

(кОм)

Из ряда Е24 Выбираем резисторы R7,R8:

R7: МЛТ-0,5-10кОм±5%;

R8: МЛТ-0,5-68кОм±5%.

Рис.11 Коэффициент передачи цепи обратной связи.

Глубина отрицательной обратной связи:

Нижняя граничная частота разомкнутого ОУ:

(Гц)

Верхняя граничная частота замкнутого ОУ:

(кГц)

Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте:

 

Согласно Рис.10 б):

Задавшись R9=10000 (Ом)

(кОм)

Из ряда Е24 Выбираем резисторы R9,R10 [4]:

R9: МЛТ-0,5-10кОм±5%;

R10: МЛТ-0,5-62кОм±5%.

Коэффициент передачи цепи обратной связи:

Глубина отрицательной обратной связи:

Нижняя граничная частота разомкнутого ОУ:

(Гц)

Верхняя граничная частота замкнутого ОУ:

(кГц)

Максимальный коэффициент усиления на верхней частоте:

С учётом Uсм и Iвх, расчитаем режим покоя предусилителя: Uсм=10 (мВ), Iвх=1 (нА).

Для 1-го ПУ:

Остаточное напряжение (напряжение ошибки), приведённое к входу:

(мВ)

т.е. оно равно напряжению смещения ОУ из-за несущественности Iвх.

Напряжение ошибки, приведённое к выводу:

Для 2-го ПУ:

Остаточное напряжение (напряжение ошибки), приведённое ко входу:

(мВ)

т.е. оно равно напряжению смещения ОУ из-за несущественности Iвх.

Напряжение ошибки, приведённое к выводу:

(В)

Для устранения влияния входной ошибки по постоянному напряжению, используем разделительный конденсатор С1.

Нижняя частота:

(Гц)

 

Выбираем конденсатор С1:

С1: К53-16-20В-220нФ±5%.

Конденсатор С3 задаёт верхнюю частоту предусилителя:

(кГц)

Выбираем конденсатор С3:

С3: К10-17-25В-82пФ±5%.

Кроме этого, ставим разделительный конденсатор С2 и резистор R11 между каскадами ПУ и конденсатор С4, идущий перед усилителем мощности.

Согласно формуле для нижней частоты, выбираем R11=10 (кОм) [4]:

R11: МЛТ-0,5-10кОм±5%%

Конденсаторы С2 и С4, равные по номинальному значению С1 [14]:

С2: К53-16-20В-220нФ±5%;

С4: К53-16-20В-220нФ±5%.

Построим асимптотические логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) для предусилителя (2 каскада), усилителя мощности и всего устройства в целом.

 

 

 (Табл.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6. Проектирование блока питания

Блок питания в общем случае содержит 4 канала: источники  и  для питания выходного каскада и источники  и  питания ОУ.

Рассчитаем максимальный ток потребления по каждому каналу.

Максимальный ток рассчитывается путём суммирования токов всех нагрузок данного канала:

Где ,  – максимальные токи по каналам питания выходного каскада.

где , – максимальные токи по каналам питания ОУ.

IпотОУ – ток потребления ОУ, согласно таблицы 5.1.

Рассчитаем средний ток потребления по каждому каналу.

По каналам питания выходного каскада:

По каналам питания ОУ:

Так как блок питания содержит 4 канала, то на каждый канал поставим свой стабилизатор для разделения влияния каналов друг на друга.

Для каналов питания ОУ, согласно выбираем стабилизаторы

КР1157ЕН15А (канал +U) и КР1168ЕН15Б (канал –U) с параметрами приведёнными в таблице 8.

	Uвых, В	Uмин, В	Iп, мА		Iвых, А
КР1157ЕН15А	15±0,3	2,5	≤3	≤30	0,1
КР1168ЕН15Б	-15±0,3	2,5	≤8	≤30	0,1

 

Табл.8 Параметры стабилизаторов

              а) КР1157ЕН15А                                            б) КР1168ЕН15Б

Рис.12 Электрическая схема включения интегральных стабилизаторов:

Выбираем конденсаторы:

С5,С6: К53-1-30В-2,4мкФ;

С7,С8: К53-1-16В-2,4мкФ.

Для каналов питания ОУ выбираем стабилизаторы КР1180ЕН12 (канал +Е) и КР1179ЕН12 (канал -Е) с параметрами таблицы 9.

	Uвых, В	Uмин, В	Iп, мА		Iвых, А
КР1180ЕН12	12±0,24	2,5	≤8	≤35	1,5
КР1179ЕН12	-12±0,24	2,5	≤3	≤35	1,5

Табл.9 Параметры стабилизаторов

 

Рис.13 Интегральный стабилизатор КР1180 с повышенным выходным током

 

Рис.14 Интегральный стабилизатор КР1179 с повышенным выходным током

Резисторы выбираются из условия:

(Ом)
(Ом)

 

Где Iпст - ток потребления стабилизатора DA4 и DA5.

Из ряда Е24 Выбираем резисторы R12,R13:

R12: МЛТ-0.5- 30Ом5%;

R13: МЛТ-0.5-100Ом5%.

Выбираем конденсаторы С5, С6, С7, С8, С9:

C9: К53-15-20В-0.33мкФ10%;

C10: К50-6-25В-1мкФ±10%;

C11: К50-6-50В-30мкФ±10%;

C12: К10–17-1–30В–0.01мкФ±10%;

C13: К50-6-25В-10мкФ±10%;

Входное (выпрямленное) напряжение стабилизатора выбирают из условия:

Uвх = (Uвых+Uмин Uв) ×(1+ Кн +Кп),

где Кн=0.1 - коэффициент нестабильности сети, Кп - коэффициент пульсаций, Uмин - минимальное напряжение на стабилизаторе.

Uв = Uвх = (12+2,5) ×(1+ 0,1 +0,1)=17,4 (В)

Транзистор VT1 и VT2 подбирается по предельным параметрам:

(А)

(Вт)

Выбираем n-p-n и p-n-p транзисторы, имеющие близкие параметры:

VT6: КТ819АМ (n-p-n) и VT7: КТ818АМ (p-n-p).

 

 

 

 

Табл.10 Параметры транзисторов

Рассчитаем площади теплоотвода для транзисторов VT6, VT7:

Определим требуемое общее тепловое сопротивление:

(град/Вт),

где Тс=(35 ¸ 40) 0С - температура окружающей среды,

DТ=(5¸10) 0С - температурный запас.

Общее тепловое сопротивление складывается из составляющих:

RТ = RТП-К+RТК-Т+RТТ-С,

где RТК-Т - тепловое сопротивление корпус транзистора - теплоотвод;

RТТ-С - тепловое сопротивление теплоотвод - окружающая среда;

RТП-К - тепловое сопротивление коллекторный переход - корпус.

Выбираем RТК-Т =0,1 град/Вт

RТТ-С=RТ–RТП-К–RТК-Т=3,81–1–0,1=2,71 (град/Вт)

И рассчитываем искомую величину:

(см2)

Т.к. транзисторов 2 и параметры одинаковы, то площадь теплоотвода

необходимо увеличить в 2 раза:

(см2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7. Выбор и расчет выпрямителя и схемы фильтра

Расчет и выбор выпрямителя и схемы фильтра для питания ОУ.

Выберем выпрямитель, выполненный на блоках диодов, т.е. мостах (Рис.15).

 

Рис.15 Схема выпрямителя

Требования к диодам VD1-VD4, VD5-VD8:

(A)
(В)

Где  - прямое напряжение на диодах.

Выберем диоды:

 

Табл.11 Параметры диодов

Рассчитаем ёмкость фильтров С10 и С11.

В качестве нагрузки на выпрямителе выступают 2 стабилизатора по каналам + и -.

Сопротивление нагрузки на выпрямителе:

(Ом)

 

 

 

Ёмкость фильтров:

(мФ)

где  - время разрядки конденсатора двухполупериодного выпрямителя.

Выбираем конденсаторы С14, С15:

С14: К50-18-50В-22000мкФ±10%;

С15: К50-18-50В-22000мкФ±10%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.8. Выбор трансформатора

Действующие значения напряжений и токов вторичных обмоток трансформатора:

(В)
(А)

В соответствии с формулами (9.1, 9.2) выбираем трансформатор ТПП314- 127/220-50.

Ном. мощность	Ток первичных обмоток	Ток вторичных     обм обмоток	Напряжение вторичных обмоток, (В)/ ток вторичных обмоток)
			Номера вторичных обмоток
			11 – 12 17 – 18	13 – 14 19 – 20	15 – 16 21 – 22
160	1,53/0,88	4,95	5	10	1,28

 

Табл.12 Параметры выбранного трансформатора

Напряжение будем снимать с обмоток 11-14 и 17-20. Для подключения трансформатора на 220 В, согласно электрической схеме включения, соединяем первичные выводы 3 и 9, а напряжение подаём на 2 и 7.

Рис.16 Трансформатор

 

 

Заключение

 

В результате проведения курсового проекта была выполнена основная цель: закрепление теоретических знаний по дисциплине путем инженерного проектирования электронного аналогового устройства.

Также мною были выполнены следующие задачи курсового проекта:

·                   изучение схемотехники мощных выходных каскадов;

·                   приобретение навыков расчета энергетических параметров усилителей;

·                   освоение методики расчета тепловых режимов мощных полупроводниковых приборов;

·                   освоение принципа построения усилительных устройств на интегральных аналоговых микросхемах на основе глубокой отрицательной обратной связи;

·                   анализирование проектирования вторичных блоков питания электронных устройств на дискретных и интегральных полупроводниковых приборах.

В данной курсовой мной был рассмотрен двухтактный усилитель мощности класса АВ с общей отрицательной обратной связью.

Усилитель имеет две ступени усиления: по напряжению (предварительный усилитель), и по напряжению и току (усилитель мощности).

 Обе ступени содержат операционные усилители и имеют корректирующие усиления обратной связи.

Рассмотренный усилитель может применяться в качестве усилителя мощности звуковой частоты в диапазоне 74 Гц - 37 кГц работающий на акустическую систему с сопротивлением Rн = 2,09 Ом. Из проведенных расчетов мною сделан вывод что коэффициент полезного действия данного усилителя мощности равен 51%. Максимальная мощность на нагрузке равна 91 Вт. Усилитель питается от сетевого напряжения 220 В (50 Гц).

 

 

Список используемой литературы

 

1.        Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник/ В.А. Аронов, А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. под общей редакцией Н.Н. Горюнова. Москва энергоиздат 1982 г.

2.        Транзисторы: Справочник/ О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев - М.: Радио и связь, 1989 г.

3.        Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справочник/ Б.А. Бородин, В.М. Ломакин, В.В. Мокряков и др.; Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985 г.

4.        Резисторы: Справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991г.

5.        Остапенко Г.С. Усилительные устройства: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989 г.

6.        Ляшко М.Н., Маркевич К.М. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие. - 2-е изд. перераб. - Мн.: Нар. асвета, 1991г.

7.        Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник/ К.М. Брежнев и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981г.

8.        Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ А.В. Баюков и др. - М.: Энергоиздат, 1982 г.

9.        Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник/ Н.Н. Амиков и др. Мн.: Беларусь, 1994 г.

10.   Галкин В.И., Прохоренко В.А. Полупроводниковые приборы: (диоды и транзисторы). - Мн.: Беларусь, 1979 г.

11.   Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский и др. - М.: Радио и связь, 1989 г.

12.   Горячева Г.А., Добромыслов Е.Р. Конденсаторы: Справочник. - М.: Радио и

     связь, 1984 г.