Выбор и обоснование схемы выходного каскада

Стр 1 из 3Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

ГОМЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ П.О.СУХОГО

Факультет автоматизированных и информационных систем

Кафедра «Промышленная электроника»

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе

по дисциплине «Электрические цепи непрерывного действия»

на тему: «Усилитель мощности»

Исполнитель: студент гр.

Руководитель: ст. преподаватель Козусев Ю.А.

Дата проверки: _____________________

Дата допуска к защите: _____________________

Дата защиты: _____________________

Оценка работы: ___________________

Подписи членов комиссии

по защите курсовой работы: ______________________________

Гомель 2009

Содержание

Введение……………………………………………………………………………

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

1. Выбор и обоснование схемы выходного каскада..............................................

2. Расчет напряжений питания ±Еп, потребляемой мощности Ро, КПД,

мощности на коллекторах оконечных транзисторов Pк………………………

3. Выбор оконечных транзисторов, расчет площади теплоотводов……………

4. Расчет и выбор элементов усилителя мощности – предоконечные транзисторы, источники тока и др……………...................................................

5. Выбор операционного усилителя для усилителя мощности, расчёт элементов цепи отрицательной обратной связи.................................................

6. Расчет предварительного усилителя..................................................................

7. Проектирование блока питания..........................................................................

Заключение………………………………………………………………………..

Список литературы…………………………………………………………………

Приложения 1. (Спецификация устройства)

Приложение 2. (Схема электрическая принципиальная устройства)

Введение

Во многих областях современной науки и техники часто встречается необходимость усиления электрических сигналов различных видов с сохранением их формы. Устройства, предназначенные для этой цели, называют усилителями.

Усилители имеют широкое и разностороннее применение: в радиосвязи и радиовещании, телевидении, звуковом кино, устройствах записи и воспроизведения звука, дальней проводной связи, измерительной аппаратуре, а также в телемеханике, автоматике, электронно-вычислительных машинах, аппаратуре исследования космического пространства и т.д. Электронные сигналы усиливаются с помощью специальных приборов – усилительных элементов, которые получают электрическую энергию от источника питания и преобразует её в энергию усиливаемых сигналов, т.е. обладают управляющими свойствами.

Управляющий источник энергии, от которого усиливаемые сигналы поступают на усилитель, называют источником сигнала, а цепь усилителя, в которую эти сигналы вводят, - входной цепью или входом усилителя. Устройство являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкой усилителя, а цепь, к которой подключают нагрузку, - выходной цепью или выходом усилителя.

Источник управляемой энергии, преобразуемый усилителем в энергию усиливаемых сигналов, называют источником питания усилителя или основным источником питания. Кроме основного усилитель иногда имеет вспомогательные источники питания, энергия которых не преобразуется в усиливаемые сигналы, а используется для приведения усилительных элементов в рабочее состояние (например, источник питания цепей накала электронных ламп, источник напряжения смещения и т.д.).

Усиление, даваемое одним усилительным элементом, для практических целей оказывается обычно недостаточным; в усилителе используют несколько усилительных элементов, включённых таким образом, что усиленные первым элементом сигналы подводятся ко второму, усиленные вторым – к третьему и т.д. При этом один усилительный элемент и отнесенные к нему элементы связи называют усилительным каскадом, или просто каскадом; большинство современных усилителей является многокаскадными.

Усилители классифицируют по различным признакам: характеру усиливаемых сигналов, полосе усиливаемых частот, назначению усилителя и роду используемых усилительных элементов. Усилители переменного тока усиливают лишь переменные составляющие сигнала в полосе частот от нижней рабочей частоты fн до верхней рабочей частоты fв; к этой группе относятся большинство существующих усилителей.

Усилители с транзисторами и электронными лампами называют электронными, так как принцип действия используемых в них усилительных элементов основан на электронных процессах, происходящих в полупроводнике и вакууме. Транзисторы и электронные лампы являются наиболее совершенными и универсальными усилительными элементами; они дают большое усиление в широкой полосе частот, имеют простые схемы включения, большой срок службы, не требуют какой-либо настройки и наладки в эксплуатации. По этим причинам транзисторные и ламповые усилители являются наиболее распространенными и широко применяемыми, несмотря на сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Если говорить об основных параметрах электронных усилителей, то свойства усилителей во многом определяют область их применения. Чтобы судить о возможности использования конкретного усилителя в том или ином электронном устройстве, необходимо знать его основные параметры. К ним кроме коэффициента усиления относятся чувствительность, выходная мощность, диапазон усиливаемых частот, входное и выходное сопротивление, коэффициент нелинейных искажений и некоторые другие.

Выходной является мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку. Различают номинальную и максимальную выходную мощность. Номинальной называют такую наибольшую выходную мощность, при которой искажения усиливаемого сигнала не превышают некоторого оговорённого заранее значения (обычно 3-5%). С возрастанием выходной мощности увеличиваются и искажения усиливаемого сигнала. Наибольшую мощность, которую можно получить от усилителя при уровне искажений до 10%, называют максимальной. Максимальная выходная мощность может в 2-10 раз превышает номинальную.

Чувствительностью усилителя называют напряжение низкочастотного сигнала в милливольтах или микровольтах, подаваемого на его вход , при котором усилитель отдаёт в нагрузку номинальную мощность. Чем меньше это входное напряжение, тем выше чувствительность.

Диапазон усиливаемых частот – это область рабочих частот усилителя, в границах которой его коэффициент усиления изменится в пределах, заданных техническими условиями. Диапазон частот в пределах которого коэффициент усиления не более, чем в 0,7 раз от максимального значения, называют полосой пропускания усилителя. Входное сопротивление – характеризует внутреннее сопротивление усилителя переменному току. От правильного выбора входного и выходного сопротивления во многом зависит входная и выходная мощность усилителя, и работа всего устройства. Коэффициент нелинейных искажений, называемый иногда коэффициентом гармоник, отображает уровень нелинейных искажений усилителя. Усилитель не является линейным элементом, поэтому при поступлении на его вход гармонического сигнала, изменяющегося с частотой f1, в выходном сигнале возникнут дополнительные составляющие с частотами f2=2f1, f3=3f1 и т.д. Для наглядного изображения устройства усилителя воспользуемся структурной электрической схемой:

Рис.1. Структурная электрическая схема усилителя.

На этой схеме изображены основные узлы усилителя: предварительный усилитель, усилитель мощности, источник питания, состоящий из трансформатора, выпрямителя, фильтра, и стабилизатора.

Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов предварительного усиления, назначением которых является усиление напряжения, тока или мощности сигнала до величины, необходимой для подачи на вход усилителя мощности. Основное требование, предъявляемое к каждому каскаду предварительного усиления, заключается в получении возможно большего напряжения, тока или мощности сигнала, так при этом число каскадов будет наименьшим, а усилитель – наиболее простым и дешёвым.

Питание усилительных схем может осуществляться от различных источников, но основным из них является выпрямитель и стабилизатором напряжения совместно с фильтром, который уменьшает коэффициент пульсаций.

В зависимости от положения точки покоя на статических ВАХ активных приборов УМ делятся на классы. Количественной характеристикой класса усилителя служит угол отсечки Qотс – выраженная в градусах половина длительности той части периода усиливаемого сигнала, в течение которой через активный прибор протекает ток.

В режиме класса А точка покоя выбирается таким образом, чтобы рабочая точка при движении по линии не попадала в области отсечки коллекторного тока и насыщения, а транзистор в течение всего периода усиливаемых сигналов остается в активном режиме.

Для класса А угол Qотс =180⁰, т.к. ток через транзистор при определенном уровне амплитуд входных сигналов протекает в течение всего периода сигнала.

Достоинством класса А является низкое значение коэффициента гармоник по сравнению с остальными классами, причём чем меньше амплитуды сигналов по сравнению с током покоя и, соответственно, меньше КПД, тем меньше искажения сигнала. Из-за низких энергетических параметров усилители мощности класса А находят применение в качестве микромощных усилителей мощности с выходной мощностью до нескольких десятков милливатт.

Усилители мощности класса В выполняют по трансформаторной и безтрансформаторной схемам. Наиболее распространена схема безтрансформаторного двухтактного усилители мощности класса В на комплиментарных транзисторах (с дополнительной симметрией), работающих в режиме эмиттерных повторителей напряжения на общую нагрузку.

Положительная полуволна напряжения на нагрузку при подаче на вход сигнала формируется транзистором n-p-n типа, а отрицательная – транзистором p-n-p типа. При отсутствии сигнала оба транзистора закрыты, потребляемая мощность равна нулю.

Недостатком усилителей мощности класса В являются переходные искажения сигнала, особенно заметные при малых амплитудах напряжения. Эти искажения появляются в моменты перехода сигнала через ноль и обусловлены резкой нелинейностью входных ВАХ биполярных транзисторов на начальном участке. Для уменьшения переходных искажений применяют класс АВ - промежуточной между режимами А и В с углом отсечки 100 – 1200 . Точка покоя транзисторов задаётся в активной области. Для сдвига точки покоя в активную область применяют дополнительные источники Есм > Uотп. В качестве отпирающих напряжений используют напряжения на прямосмещённых p-n – переходах диодов.

Современные усилители мощности для уменьшения нелинейных искажений строят по схемам с общей отрицательной обратной связью на основе режимов В и АВ.

Исходные данные

Uнm = 7 (В) - амплитуда напряжения на нагрузке;

Pн = 10 (Вт) - мощность на нагрузке;

Rн = 2.45 (Ом) - сопротивление нагрузки;

Iнm = 2.86 (А) - амплитуда тока на нагрузке;

Uвхm = 3 (мВ) - амплитуда входного напряжения;

fн = 18 (Гц) - низшая частота усиливаемых сигналов;

fв = 9 (кГц) - высшая частота усиливаемых сигналов.

Выбор и обоснование схемы выходного каскада.

Схема усилителя мощности приведена на рис.1.1. Вид отрицательной обратной связи – единичная ООС по напряжению.

Рис.1.1. Усилитель мощности

Операционный усилитель DA обеспечивает заданное значение напряжения на нагрузке, а усилитель мощности как правило имеет коэффициент Ku£1 и усиливает сигнал ОУ по току и, следовательно, по мощности. В тех случаях, когда выходное напряжение ОУ меньше Uнm, выходной каскад должен иметь Ku³1, и для этого содержать транзисторы, включенные по схеме ОЭ.