Разработка усилителя мощности звуковых частот для громкой сигнализации

1. Эскизное проектирование устройства

2. Расчет режимов и определение параметров схемы устройства

3. Разработка дополнительных вопросов проектирования

Заключение

Список использованных источников

Усилитель мощности звуковых частот (УМЗЧ) звуковоспроизводящего тракта представляет собой усилитель мощности электрических сигналов звукового диапазона частот (от 20 до 20 000 Гц по уровню -3 дБ), служащий для создания в нагрузке заданной величины мощности при минимальных энергетических потерях и нелинейных искажениях. В большинстве случаев нагрузкой УМЗЧ является громкоговоритель.

Усилитель может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств.

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов различают: ламповые — на электронных, электровакуумных лампах, транзисторные — на биполярных или полевых транзисторах, интегральные — на интегральных микросхемах (ИМС), гибридные — часть каскадов собрана на полупроводниковых элементах, а часть на электронных лампах. Иногда гибридными также называют усилители, которые частично собраны на интегральных микросхемах, а частично на транзисторах или электронных лампах.

Конструкция оконечного каскада транзисторных усилителей является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности, хотя в последнее время активно вытесняется усилителями на базе интегральных микросхем.

Использование усилителей интегрального исполнения улучшает параметры радиоаппаратуры, особенно ее надежность, облегчает регулирование аппаратуры, уменьшает ее энергопотребление, габариты и массу. Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах.

Одним из важных потребительских параметров усилителя звуковых частот является его выходная мощность. Выходную мощность на один канал следует выбирать в пределах от 0,5 до 1 номинальной мощности усилителя, в противном случае громкоговоритель либо используется не полностью (при ее занижении) или может быть выведен из строя (при превышении).

Качественным показателем усилителей звуковых частот являются нелинейные искажения искажение формы сигнала в процессе усиления. Причиной нелинейных искажений является, главным образом, нелинейность вольт-амперных характеристик усилительных элементов (ламп, транзисторов), а также неправильно выбранные режимы их работы.

В результате нелинейных искажений при усилении чисто синусоидального сигнала в выходном сигнале появляются дополнительные гармонические составляющие, т. е. изменяется гармонический состав входного сигнала. Этот вид искажений оценивают коэффициентом нелинейных искажений.

В данной работе произведена разработка усилителя звуковых частот для громкой сигнализации с заданными параметрами на базе интегральной схемы.

1 Эскизное проектирование устройства

Выбор структурной схемы усилителя

На рисунке 1.1 представлена структурная схема усилителя мощности звуковых частот.

Рисунок 1.1 — Структурная схема УМЗЧ Выбор базовой расчетной схемы усилителя мощности звуковых частот Определим максимальное амплитудное значение напряжения на нагрузке:

Определим максимальное значение тока в нагрузке:

Определим ориентировочное значение напряжения питания при использовании одиночной схемы:

Определим ориентировочное напряжение питания при мостовом включении двух схем:

По полученным значениям выберем тип интегральной схемы и схему ее включения. Согласно расчетам выбираем ИС К174УН19 (. Используем 2 схемы, включенные мостовым способом.

На рисунке 1.2 представлена базовая расчетная мостовая схема усилителя с последовательным возбуждением интегральных схем при двухполярном питании.

Рисунок 1.2 — Базовая расчетная мостовая схема усилителя Перечень основных элементов схемы:

DA1, DA2 — интегральные схемы, включенные мостовым способом. Их основные параметры приведены в таблице 1;

С1 — разделительный конденсатор, отсекает постоянную составляющую входного сигнала;

резисторы R1, R6 создают путь прохождения токам смещения к неинвертирующим входам ИС;

резисторы R2 и R3, а так же R5 и R3 — образуют цепи обратной связи для каждой из схем (в схеме действуют последовательные связи по напряжению);

R2 и R5 — гасящие плечи в цепях делителей обратной связи;

R3 — рабочее плечо;

Конденсатор С3 принадлежит В-цепи и установлен в рабочее плечо делителя обратной связи для отключения обратной связи в режиме покоя;

элементы R4, C2 — подстраиваемые (подбираемые), образуют антигенерационную цепочку, исключающую возбуждение схемы.

Таблица 1 — Основные параметры ИС К174УН19

2. Расчет режимов и определение параметров схемы устройства Расчет базовой расчетной схемы усилителя, которая представлена на рисунке 1.2.

Определим требуемые значения коэффициента усиления усилителя мощности:

где, что принято для бытовой аппаратуры Определим типовое значение коэффициента передачи по напряжению В-цепи в типовой схеме включения ИС:

где — коэффициент усиления ИС при типовом включении для ИС К174УН19 (справочные данные), тогда Определим требуемое значение коэффициента передачи по напряжению в В-цепи для усилителя мощности для получения требуемого значения коэффициента усиления:

Определим требуемое значение коэффициента передачи по напряжению В-цепи для получения требуемого коэффициента гармоник:

берется из графика на рисунке 2.1

Рисунок 2.1 — Зависимость коэффициента гармоник от выходной мощности Определим требуемое значение коэффициента передачи по напряжению В-цепи усилителя мощности. Т.к. больше, то принимается равным, т. е. 0,05.

Определим значения параметров резисторов в цепи обратной связи:

нагрузка усилитель мощность частота

R1=R2=R5=R6,

где для бытовой аппаратуры. Примем R1=R2=R5=R6 = 100 кОм.

Определим значение сопротивления резистора в рабочем плече делителя обратной связи:

Определим допустимое значение частотных искажений в области низких частот, обусловленное наличием переходных конденсаторов:

где n — число переходных конденсаторов.

Определим входное сопротивление усилителя мощности:

где — входное сопротивление интегральной схемы в типовом включении равно 500 кОм (справочные данные).

Определим емкость конденсатора C1:

Определим емкость конденсатора C3:

Определим емкость конденсатора C2:

3. Разработка дополнительных вопросов проектирования Полная расчетная принципиальная схема усилителя мощности На рисунке 3.1 представлена полная расчетная схема, данные для которой были определены в разделе 2.

Рисунок 3.1 — Полная расчетная принципиальная схема усилителя Технические данные микросхемы К174УН19 (

Микросхема К174-УН19 представляет собой усилитель мощности низкой частоты с номинальной выходной мощностью 15 Вт на нагрузке сопротивлением 4 Ом.

Предназначена для применения в высококачественной звуковоспроизводящей и телевизионной аппаратуре. Устойчива при тепловых перегрузках и коротких замыканиях в цепи нагрузке. Корпус типа 1501.5−1пластмассовый, с плоскими жесткими выводами, снабжен теплообменным медным фланцем с отверстием для монтажа на теплоотводе. Масса прибора — не более 2 г.

Электрические данные микросхемы К174УН19:

При Uпит. ном = 2?15 В и Токр. ср = 25? С Потребляемый ток, при сопротивлении нагрузки Rн = 4 Ом. .. .? 65 мА Выходная мощность, при сопротивлении нагрузки Rн = 4 Ом, коэффициенте усиления напряжения КуU = 30дБ, частоте сигнала fс = 1кГц и коэффициенте гармоник kг = 10%. .. .. .? 15 Вт Выходное напряжение,

(Rн = 4 Ом, fс = 1кГц) при Uпит. = 2?16,5 В и входном напряжении Uвх. = 235 мВ. .. ... 7…7,9 В при Uпит. = 2?12 В, Uвх. = 175 мВ, Токр. ср = - 10… + 70? С. .. .. .. .. ... 5…6 В Выходное напряжение покоя, (Uвх. = 0). .. .. .. 20 мВ Приведенное ко входу напряжение шума, при Rн = 4 Ом. .. .. .. .. .. .. .. ? 10 мкВ Коэффициент усиления напряжения (типовое значение),

при Uвх. = 200 мВ, fс = 1кГц, Rн = 4 Ом. .. .. 30 дБ Коэффициент гармоник,

(fс = 1кГц, Rн = 4 Ом) при выходном напряжении Uвых. = 0,632 В и выходной мощности Pвых. = 0,1 Вт. .. .. .. 0,5%

Uвых. = 7,74 В и Pвых. = 15 Вт. .. .. .. .. 10%

Коэффициент подавления пульсаций источника питания, при КуU = 30дБ, fс = 1кГц, Rн = 4 Ом. .. .. .? 40

Входное сопротивление, при двуполярном питании (2?15 В). .. ... 20 кОм при однополярном питании (30 В). .. ... 150 кОм Температура кристалла, при которой срабатывает система тепловой защиты,. .. ... 145? С Предельные эксплуатационные параметры:

Напряжение питания, двуполярное. .. .. .. .. .. .. .. 2?6…2?18 В однополярное. .. .. .. .. .. .. .. 12…36 В Максимальный выходной ток,. .. .. .. .. .. 3,5 А Максимальное входное напряжение. 2?(Uпит. — 1,5) В Минимальное сопротивление нагрузки. .. .. .. 3,2 Ом Разработка электрической принципиальной схемы Для составления электрической принципиальной схемы, введём в полную расчетную схему, представленную на рисунке 3.1, дополнительные элементы.

Параллельно выходу усилителя подключим антигенерационную RC цепь, которая компенсирует индуктивную реакцию катушки громкоговорителя. Примем R7 = 1Ом, С8 = 0,22 мкФ.

Для уменьшения пульсации напряжения источника питания и исключения паразитной обратной связи за счёт внутреннего сопротивления источника питания введём элементы параллельные верхнему и нижнему плечу источника питания. Это — конденсаторы большой ёмкости С5 и С7 (примем равными 500 мкФ) и параллельные им конденсаторы маленькой ёмкости (примем равными 0,1 мкФ). Также введём демпфирующие диоды, для защиты оконечных каскадов интегральной схемы и исключения прохождения больших токов через них (индуктивность громкоговорителя больше 10 мГн).

Электрическая принципиальная схема устройства представлена на 1 странице приложения.

Выбор типов конденсаторов и резисторов Для составления электрической принципиальной схемы нужно выбрать сопротивления резисторов и ёмкость конденсаторов близкие к расчетным величинам.

Выберем для резисторов тип С2−23 мощностью 0,25 — 0,5 Вт. Они применяются в различных радиоэлектронных устройствах в цепях постоянного тока.

Конденсаторы электролитические С1, С2, С3, С5, С7 типа К50−35. Это радиальные электролитические, алюминиевые конденсаторы, работающие в цепях постоянного и переменного и пульсирующего тока. С4, С6, С8 постоянные конденсаторы типа К73−17 — керамические, работают в цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока.

Заключение

В ходе выполнения курсового проекта были освоены теоретические основы конструирования, надежности и анализа радиоэлектронных систем; изучены основные этапы и методы проектирования; изучены общие требования к аппаратуре по надежности.

Освоены принципы и методы системного подхода процесса проектирования радиоэлектронных устройств работы; произведен обоснованный выбор структурной и функциональной схем радиоэлектронной аппаратуры; выполнен расчет элементов электрической принципиальной схемы; выполнена схема расположения элементов на печатной плате.

В результате был разработан усилитель мощности звуковых частот для громкой сигнализации.

Список использованных источников

1 Журавлев В. М., Поляков С. Б., Храмов А. Я. — Усилительные устройства. Проектирование усилителей звукового диапазона частот. Часть 3. Оформление технической документации к курсовому проекту и разработка дополнительных вопросов проектирования усилителей. Методические указания по курсовому проектированию для студентов заочного отделения специальности 0615 «Звукотехника», ЛИКИ, 1986. — 55 с.

2 Журавлёв В. М., Тихонова Л. С. — Схемотехника аналоговых электронных устройств. Исследование усилителя мощности звуковых частот: Лабораторный практикум. — СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2008, — 40 с.