Разработка усилителя мощности звуковой частоты

Курсовая работа Разработка усилителя мощности звуковой частоты

1. Назначение и область применения

2. Анализ технических характеристик

3. Описание принципиальной схемы

4. Описание элементной базы системы усилителя мощности

5. Составление структурной схемы УМЗЧ

6. Расчёт трансформатора

7. Расчет стабилизатора +15В

8. Расчёт надёжности

9. Описание конструкции усилителя мощности

10. Экономическая часть

11. Указание мер безопасности Заключение Список литературы трансформатор стабилизатор усилитель звуковая частота

1. Назначение и область применения

Усилитель звуковой частоты (УЗЧ), усилитель низкой частоты (УНЧ), усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) — прибор (электронный усилитель) для усиления электрических колебаний, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот, таким образом к данным усилителям предъявляется требование усиления в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц по уровню -3 дБ, лучшие образцы УЗЧ имеют диапазон от 0 Гц до 200 кГц, простейшие УЗЧ имеют более узкий диапазон воспроизводимых частот. Может быть выполнен в виде самостоятельного устройства, или использоваться в составе более сложных устройств—телевизоров, музыкальных центров, радиоприёмников, радиопередатчиков, радиотрансляционной сети.

Усилители низкой частоты наиболее широко применяются для усиления сигналов, несущих звуковую информацию, в этих случаях они называются, также, усилителями звуковой частоты, кроме этого УНЧ используются для усиления информационного сигнала в различных сферах: измерительной технике и дефектоскопии; автоматике, телемеханике и аналоговой вычислительной технике; в других отраслях электроники.

Усилитель звуковых частот обычно состоит из предварительного усилителя и усилителя мощности (УМ). Предварительный усилитель предназначен для повышения мощности и напряжения и доведения их до величин, нужных для работы оконечного усилителя мощности, зачастую включает в себя регуляторы громкости, тембра или эквалайзер, иногда может быть конструктивно выполнен как отдельное устройство. Усилитель мощности должен отдавать в цепь нагрузки (потребителя) заданную мощность электрических колебаний. Его нагрузкой могут являться излучатели звука: акустические системы (колонки), наушники (головные телефоны); радиотрансляционная сеть или модулятор радиопередатчика. Усилитель низких частот является неотъемлемой частью всей звуковоспроизводящей, звукозаписывающей и радиотранслирующей аппаратуры.

Классификация:

По режиму работы выходного каскада

В зависимости от режима работы выходного каскада усилители делятся на:

· класс, или режим «A» — режим работы, в котором каждый активный прибор (лампа или транзистор) выходного каскада всегда работает в линейном режиме. При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 360°: прибор никогда не закрывается и, как правило, никогда не переходит в режим насыщения или ограничения тока. Все линейные однотактные усилители работают в режиме А.

· класс «AB» — режим работы двухтактного каскада, промежуточный между режимами, А и В. Угол отсечки каждого активного прибора существенно больше 180°, но меньше 360°.

· класс «B» — режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор воспроизводит с минимальными искажениями сигнал одной полярности (либо только положительные, либо только отрицательные значения входного напряжения). При воспроизведении гармонических сигналов угол отсечки активного прибора равен 180° или несколько превышает это значение. Для уменьшения нелинейных искажений при переходе сигнала через ноль выходные лампы или транзисторы работают с небольшими, но не нулевыми токами покоя. Установка нулевого тока покоя переводит каскад из режима B в режим С: угол отсечки уменьшается до менее 180°, при переходе через ноль оба плеча двухтактной схемы находятся в отсечке. Режим С в звуковой технике не применяется из-за недопустимо высоких искажений.

· класс «D» — режим работы двухтактного каскада, в котором каждый активный прибор работает в ключевом режиме. Управляющая схема преобразует входной аналоговый сигнал в последовательность импульсов промодулированных по ширине (ШИМ), управляющих мощными выходными ключами. Выходной LC-фильтр, включённый между ключами и нагрузкой, демодулирует импульсы выходного тока.

Режиму, А свойственны наилучшая линейность при наибольших потерях энергии, режиму D — наименьшие потери при удовлетворительной линейности. Совершенствование базовых схем в режимах А, AB, B и D породило целый ряд новых «классов», от «класса АА» до «класса Z». Одни из них, например, конструктивно схожие усилители звуковых частот «класса S» и «класса АА», подробно описаны в литературе, другие («класс W», «класс Z») известны только по рекламе производителей.

По типу применения в конструкции усилителя активных элементов:

· ламповые — на электронных лампах. Составляли основу всего парка УНЧ до 70-х годов. В 60-х годах выпускались ламповые усилители очень большой мощности (до десятков киловатт). В настоящее время используются в качестве инструментальных усилителей и в качестве звуковоспроизводящих усилителей. Составляют львиную долю аппаратуры класса HIEND. А также занимают большую долю рынка профессиональной и полупрофессиональной гитарной усилительной аппаратуры.

· транзисторные — на биполярных или полевых транзисторах. Такая конструкция оконечного каскада усилителя является достаточно популярной, благодаря своей простоте и возможности достижения большой выходной мощности, хотя в последнее время активно вытесняется усилителями на базе интегральных микросхем.

· интегральные — на интегральных микросхемах (ИМС). Существуют микросхемы, содержащие на одном кристалле как предварительные усилители, так и оконечные усилители мощности, построенные по различным схемам и работающие в различных классах. Из преимуществ — минимальное количество элементов и, соответственно, малые габариты.

· 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.

· на магнитных усилителях. В качестве усилителей звуковых частот большой мощности предлагались, как альтернатива электронным лампам в 30 — 50 годы американскими и немецкими инженерами. В настоящее время являются «забытой» технологией.

По виду согласования выходного каскада усилителя с нагрузкой их можно разделить на два основных типа:

· трансформаторные — в основном такая схема согласования применяется в ламповых усилителях. Обусловлено это необходимостью согласования большого выходного сопротивления лампы с малым сопротивлением нагрузки, а также необходимостью гальванической развязки выходных ламп и нагрузки. Некоторые транзисторные усилители (Например, трансляционные усилители, обслуживающие сеть абонентских громкоговорителей, некоторые Hi-End аудиоусилители) также имеют трансформаторное согласование с нагрузкой.

· бестрансформаторные — в силу дешевизны, малого веса и большой полосы частотбестрансформаторные усилители получили наибольшее распространение. Бестрансформаторные схемы легко реализуются на транзисторах. Обусловлено это низким выходным сопротивлением транзисторов в схеме эмиттерного (истокового) повторителя, возможностью применения комплементарных пар транзисторов. На лампах бестрансформаторные схемы реализовать сложнее, это либо схемы, работающие на высокоомную нагрузку, либо сложные схемы с большим количеством параллельно работающих выходных ламп.

По типу согласования выходного каскада с нагрузкой:

· Согласование по напряжению — выходное сопротивление УМ много меньше омического сопротивления нагрузки. В настоящее время является наиболее распространённым, охватывает практически все транзисторные УМЗЧ. Позволяет передать в нагрузку форму напряжения с минимальными искажениями и получить хорошую АЧХ, однако порождает сильные нелинейные искажения (интермодуляция) в динамических головках АС; чувствительно к внешним полям; отличается термической нестабильностью и высокими теплопотерями.

· Согласование по мощности — выходное сопротивление УМ равно или близко сопротивлению нагрузки. Позволяет передать в нагрузку максимум мощности от усилителя, из-за чего в прошлом было весьма распространённым в маломощных простых устройствах. Сейчас является основным типом для ламповой техники, чем, в первую очередь, и объясняются особенности звучания ламповых систем. По сравнению с предыдущим типом, обеспечивает несколько меньшие искажения формы тока в катушках ГД АС, и меньшие нелинейные искажения в ГД, однако ухудшает АЧХ.

· Согласование по току — выходное сопротивление УМ много больше сопротивления нагрузки. Наиболее перспективный тип для систем звукоусиления, хотя в настоящее время используется крайне редко. В основе такого согласования — следствие из закона Лоренца, согласно которому звуковое давление пропорционально току в катушке ГД. Позволяет сильно (на два порядка) уменьшить интермодуляционные искажения в ГД и их ГВЗ (групповое время задержки), тепловые искажения пренебрежимо малы. Отличается высокой детальностью и натуральностью звучания, недостижимыми в других типах, расширяет полосу частот ГД (до двух октав). Наиболее распространены аудиосистемы с полосовым усилением (мультиампинг), с соответствующей частотной коррекцией в полосах, что позволяет практически идеально согласовать УМЗЧ с нагрузкой.

В конструировании высококачественных УМЗЧ с общей ООС многие неудачи вызваны недооценкой требуемого от УМЗЧ быстродействия, а также неоптимальным выбором частотной коррекции. Под термином «быстродействие» здесь подразумевается не столько широкая полоса пропускания усилителя, сколько время задержки сигнала внутри контура ООС (это не совсем одно и то же). В предлагаемом здесь УМЗЧ число каскадов, находящихся в контуре общей ООС, сведено к минимуму. Особенностью устройства является управление выходным повторителем от источника тока, что позволило практически полностью устранить «ступеньку».

Между точными цифровыми значениями гармонических искажений и субъективно воспринимаемым качеством звучания практически не существует никакого прямого соответствия — по крайней мере, ниже определённого порога, который находится на удивление высоко.

Нелинейными искажениями называются любые искажения, в составе которых присутствуют такие частоты, которые изначально отсутствовали во входном сигнале.

Например, если взять волну синусоидальной формы, то вследствие привносимых нелинейных искажений её форма изменяется, становится другой, и синусоидальный сигнал какой-то определённой частоты в результате этих искажений начинает содержать также сигналы других частот. Другими словами, если форма колебания не синусоидальна, значит, в его составе обязательно есть ещё какие-то иные частоты. Если с помощью спектр анализатора просмотреть получаемый в итоге выходной сигнал с усилителя, мы увидим гармоники, частота которых в 2 раза, 3 раза, 4 раза и так далее выше основной частоты волны синусоидальной формы. Точно таким же образом прогрессирующая нелинейность громкоговорителей создаёт другие (возможно более утончённые и менее заметные) искажения, которые постепенно нарастают по мере увеличения громкости. Однако музыкальные сигналы не являются синусоидальными. Они содержат одновременно большое количество разных частот, и степень их присутствия в сигнале постоянно изменяется во времени. Когда сигнал, состоящий из двух частот, подаётся на вход усилителя с не очень линейной характеристикой, это приведёт к генерированию гармоник (обертонов) не только от этих двух частот (гармонические искажения), но также и от частот, являющихся их математической суммой и математической разницей (интермодуляционные искажения).

Например, если у нас есть сигнал, состоящий из двух частот — 1000Hz и 1100Hz, — то на выходе усилителя будут также генерироваться сигналы частотой 2100Hz (1000Hz плюс 1100Hz) и частотой 100Hz (1100Hz минус 1000Hz). Причём это лишь производные гармоники первого порядка. Если же мы берём две частоты, которые отстоят друг от друга на квинту — например, сигналы частотой 1000Hz и 1500Hz, — то первыми парами гармонических искажений будут сигналы на частотах 2000Hz и 3000Hz (гармоники второго порядка), а также сигналы на частотах в 3000Hz и 4500Hz (гармоники третьего порядка). Относительно сигнала частотой 1000Hz гармоники частотой в2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно октавой, квинтой через октаву (дуодецимой — А.К.), и секундой через две октавы (ноной через октаву — А.К.). Относительно сигнала частотой 1500Hz гармоники частотой в 2000Hz, 3000Hz и 4500Hz являются соответственно квартой, октавой и квинтой через октаву. Таким образом, производные гармоники обеих частот в музыкальном смысле соотносятся с обоими основными тонами. Это не удивительно, потому что все музыкальные инструменты создают естественные гармоники (обертоны).

Теперь, если мы рассмотрим интермодуляционные составляющие, то они будут представлять собой на просто генерирование сигналов с увеличением частот в определённое количество раз (что, собственно, и является обертонами), а генерирование сигналов, частоты которых являются суммой и разностью частот генерируемых обертонов, например: f1 + f2, f1 — f2, 2*f1 — f2, 2*f2 + f1, и т. д. Эти комбинации могут производить интермодуляционные частоты, которые в музыкальном смысле не всегда соотносятся с основными частотами. Более того, когда создаётся или воспроизводится комплексный музыкальный сигнал, то сложное спектральное распределение результатов интермодуляции не только не способствует обогащению гармонической структуры музыки (как это происходит за счёт проявления гармонических искажений, по крайней мере, гармоник-обертонов низших порядков), но и всё больше начинает напоминать обычное добавление шума.

2. Анализ технических характеристик

В предлагаемом здесь УМЗЧ число каскадов, находящихся в контуре общей ООС, сведено к минимуму. Особенностью устройства является управление выходным повторителем от источника тока, что позволило практически полностью устранить «ступеньку».

Схема усилителя практически симметрична. Основным преимуществом «вертикальной симметрии» является повышенная линейность, достигаемая за счёт трёх основных факторов:

компенсация входного тока и нелинейностей первого каскада;

идентичные условия возбуждения обоих плеч выходного каскада;

компенсация нечётных гармонических искажений.

В УМЗЧ используется раздельное питание каскадов, причём выходной каскад питается пониженным напряжением. Такой подход хорошо себя зарекомендовал в усилителях промышленного производства. Основные его преимущества следующие:

— дополнительная развязка по питанию сильноточной и слаботочной цепей УМЗЧ;

— снижение рассеиваемой мощности транзисторами выходного каскада;

— повышение исходной линейности УМЗЧ.

Последний пункт нуждается в дополнительном разъяснении. Линейность улучшается за счёт следующих факторов. В УМЗЧ с общим питанием (предварительные и оконечные каскады питаются от общих выпрямителей) на пиках выходной мощности транзисторы усилителя напряжения входят в насыщение и/или ограничение гораздо раньше, чем выходной повторитель, на котором в таком случае только бесполезно расходуется мощность.

Технические характеристики

Номинальная выходная мощность на нагрузке 4 Ом, Вт …100

Входное сопротивление, кОм…10

Входное напряжение, В…0,57

Коэффициент усиления, дБ …30

Диапазон частот Гц…2…100 000

Ток покоя, мА …100

Коэффициент интермодуляционных искажений %…0,003

Отношение сигнал/шум в полосе до 30 кГц, дБ, не менее…102

Номинальная выходная мощность — это мощность на выходе УЗЧ, при которой обеспечивается заданное среднее звуковое давление; при этом коэффициент нелинейных искажений не должен превышать допустимого значения.

Входное напряжение — минимальное напряжение, которое может усилить усилитель в заданном допустимом коэффициенте нелинейных искажений.

Коэффициент усиления - это отношение выходной мощности к входной мощности сигнала. Коэффициент усиления показывает, на какую величину в децибелах вырастает уровень выходного сигнала по сравнению с его входным уровнем после прохождения через усиливающее устройство. Коэффициент усиления это разность входного и выходного уровней.

Диапазон частот — полоса излучаемых источником частот, после усиления в УМЗЧ

Коэффициент интермодуляционных искажений (от 1.9E-4 до 1.0%) — КИИ вместе с коэффициентом гармоник является показателем нелинейных искажений усилителя.

При подаче на вход усилителя двух гармонических сигналов, отличающихся частотой, на выходе помимо них появятся дополнительные сигналы. Их частоты равны сумме и разности частот основных сигналов. КИИ показывает, какую часть от основного сигнала составляют появившиеся дополнительные сигналы.

Чем меньше коэффициент интермодуляционных искажений, тем выше верность звучания. У усилителей высокого класса этот показатель составляет сотые доли процента и меньше.

Отношение сигнал/шум — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

3. Описание принципиальной схемы

Входной сигнал поступает на ФНЧ R2C1 с частотой среза 160 кГц и далее поступает на вход парафазного дифференциального усилителя, выполненного на транзисторах VT1, VT5 и VT2, VT6. На транзисторах VT3, VT4 выполнены генераторы тока. Их питание осуществляется напряжением с фильтрацией пульсаций стабилитронами VD1, VD2. Танталовые конденсаторы С2, СЗ блокируют шумы, создаваемые стабилитронами. Применение высокочастотных полевых транзисторов в генераторах тока не только упрощает устройство, но и сводит к минимуму проявления нелинейностей.

Дроссели L1 (L2) являются элементами частотной коррекции УМЗЧ. АЧХ внутрипетлевого усиления этого УМЗЧ имеет два основных частотных полюса: «ближний» (относительно низкочастотный) — на частоте f, и «дальний» (более высокочастотный) — на f2. Ближний полюс определяется частотой среза усилителя напряжения на VT8, VT9, нагруженного на корректирующую ёмкость С11, дальний — выходным повторителем. Чем выше будет частота f1 тем эффективнее будет действовать обратная связь на высших частотах звукового диапазона. Но для обеспечения устойчивости приходится искусственно снижать f] до такого значения, при котором на частоте f2 усиление в контуре ООС было минимально. Чтобы не снижать частоту f1 увеличением ёмкости С11, между эмиттерами транзисторов дифференциального каскада включены дроссели L1, L2. Их индуктивность совместно с сопротивлениями резисторов в этих цепях, снижая усиление на частотах ниже f2, не оказывает никакого влияния на более высоких частотах.

Таким образом, применение индуктивной коррекции «дальнего» полюса позволило выбрать частоту первого среза f1 более высокой, в результате чего повысить эффективность ООС. Положительной стороной применения дросселей является и то, что линейность дифференциальных каскадов с ростом частоты существенно увеличивается.

Коррекция на опережение в этом УМЗЧ не применена, так как использованный выше метод двухзвенной коррекции (каждая из которых отвечает за свой частотный участок) позволил получить достаточно высокие параметры, подтверждаемые слуховой экспертизой. К тому же подъем на ВЧ приводит к обострению высокочастотных гармоник (которыми и без того богаты транзисторные усилители) и на практике почти всегда подразумевает снижение исходной линейности с увеличением частоты. Поэтому не удивительно, что большого выигрыша от такого вида коррекции не происходит.

Следует обратить внимание на то, что сигнал для дальнейшего усиления снимается с того же плеча дифференциального усилителя, на которое приходит сигнал обратной связи. Таким образом, в петле ООС сокращено число активных элементов, находящихся в контуре общей обратной связи.

Усилитель напряжения на VT7—VT10 построен по схеме каскода ОК—ОБ вместо традиционной структуры ОЭ— ОБ. Он отличается высоким входным сопротивлением, исключающим влияние на предыдущие каскады, имеет более высокую линейность и широкую полосу. Резисторы R20, R21 создают местную ООС по току. Низкоомные резисторы R3, R4, R17, R18 предотвращают вспышки ВЧ генерации транзисторов, исключают детектирование высокочастотных радиопомех.

С выхода усилителя напряжения сигнал поступает на вход трёхэлементного составного эмиттерного повторителя выполненного на транзисторах VT16— VT21. Ограничительные диоды VD7, VD8 предотвращают деградацию коллекторных переходов транзисторов VT16, VT17.

Как уже вкратце упоминалось в начале статьи, особенностью схемы является управление выходным составным повторителем от источника тока, которым является усилитель напряжения. С этой целью традиционный нагрузочный резистор был исключён.

Низкоомные резисторы R38, R39, R41, R43, R44, R45 выполняют сразу несколько функций. Они снижают уровень резонансных явлений составного повторителя на близких к граничным частотах, предотвращают высокочастотные возбуждения транзисторов, повышают токовую перегрузочную способность и таким образом способствуют увеличению надёжности.

На транзисторе VT15 и элементах R34—R36, С12 выполнено устройство температурной стабилизации тока покоя. Транзистор VT15, выполняющий роль термодатчика, установлен на одном общем для мощных транзисторов теплоотводе. Конденсатор С12 блокирует модуляцию тока покоя усиливаемым сигналом. На транзисторах VT11—VT14 и VT22 выполнено триггерное устройство защиты от короткого замыкания в нагрузке. При возникновении короткого замыкания VT11 (VT12) шунтируют стабилитроны VD5 (VD6), что приводит к закрыванию выходных транзисторов. Светодиод HL1 индицирует аварийный режим, резистором R49 устанавливается порог срабатывания. Триггер возвращается в исходное состояние после выключения питания.

Для исключения постоянного напряжения на выходе усилителя при отсутствии конденсаторов в сигнальных цепях используется неинвертирующий интегратор на прецизионном ОУ DA1. Особенностью схемы является то, что интегратор участвует в формировании нижней граничной частоты усиления, равной 2 Гц. Таким образом удалось избежать разного рода явлений, связанных с так называемым «дыханием» усилителя на инфранизких частотах.

4. Описание элементной базы системы усилителя мощности

Микросхемы

В качестве операционного усилителя DA1 используется операционный усилитель К140УД17, представляющий собой прецизионный ОУ, предназначенный для использования в радиоэлектронной аппаратуре народнохозяйственного назначенияс расширенным

Диапазоном рабочих температур.

Напряжение питания, В (Ucc)±16,5

Синфазное входное напряжение, В±10

Сопротивление нагрузки, кОм2,0

Максимальное выходное напряжение, В± 12

Коэффициент усилениянапряжения200 000

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений, дБ106

В качестве операционного усилителя DA2 используется операционный усилитель КР1040УД1 — сдвоенный операционный усилитель с внутренней частотной коррекцией и широким диапазоном напряжений однополярного питания.

Напряжение питания, В (Ucc)5 — 33

Синфазное входное напряжение, ВUcc-2

Выходной ток, мА 15

Максимальное выходное напряжение, ВUcc-1,5

Коэффициент усилениянапряжения250 000

Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений, дБ65

Транзисторы

BC546B — структура NPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В80

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В65

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин240

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц150

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт0.63

BC556B — СтруктураPNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В80

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В65

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин75

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц300

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт0.5

КП307Г — полевой транзистор с управляющим Р-N переходом, N-типа Максимальное напряжение сток-исток Uси, В25

Максимальный ток стока Ic макс при 25С, мА0.027

Максимальное напряжение затвор-исток Uзи макс., В27

Максимальная рассеиваемая мощность Pси макс., Вт0.25

Крутизна характеристики S, мА/В6…12

BC550C — СтруктураNPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В50

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В45

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин100

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц300

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт0.5

BC560C — СтруктураPNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В40

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В50

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин330

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц250

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт0.625

2SA1380E — СтруктураPNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В200

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В200

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин40

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц150

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт5

2SC3502E — Структура NPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В200

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В130

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин125

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц150

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт5

КТ502А — Структура PNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В40

Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)0.15

Статический коэффициент передачи тока h21э мин40

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц5.00

Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)0.35

КТ503А — Структура NPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В40

Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)0.15

Статический коэффициент передачи тока h21э мин40

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц5.00

Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)0.35

КТ638А — Структура NPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В110

Макс. напр. к-э (Uкэr макс), В100

Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)0.1

Статический коэффициент передачи тока h21э мин50

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц200.00

Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)0.5

КТ502Б1- Структура PNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В40

Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)0.15

Статический коэффициент передачи тока h21э мин80

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц5.00

Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)0.35

КТ814А — Структура PNP

Макс. напр. к-э (Uкэr макс), В40

Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)1.5

Статический коэффициент передачи тока h21э мин40

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц3.00

Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)1

2SC2238 — Структура NPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В160

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В140

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)2

Статический коэффициент передачи тока h21э мин70

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц100

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт25

2SA1306 — Структура PNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В160

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В160

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)1.5

Статический коэффициент передачи тока h21э мин50

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц100

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт20

2SC2922 — Структура NPN

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В180

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В160

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)17

Статический коэффициент передачи тока h21э мин300

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц50

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт200

2SA1216 — Структура PNP

Макс. напр. к-б (Uкбо макс), В180

Макс. напр. к-э (Uкэо макс), В180

Максимально допустимый ток к (Iк макс. А)17

Статический коэффициент передачи тока h21э мин20

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр. МГц40

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт200

КТ814Г — Структура PNP

Макс. напр. к-э (Uкэr макс), В100

Максимально допустимый ток к (Iк макс, А)1.5

Статический коэффициент передачи тока h21э мин30

Граничная частота коэффициента передачи тока fгр, МГц3.00

Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк, Вт)10

Диоды

1N4744A — Стабилитрон Мощность рассеяния, Вт1

Номинальное напряжение стабилизации, В15

Номинальный ток стабилизации, мА17

Минимальное напряжение стабилизации, В14.25

Максимальное напряжение стабилизации, В15.75

Статическое сопротивление Rст., Ом14

Максимальный ток стабилизации Iст.макс., мА61

Рабочая температура, С-55…200

КС133А — стабилитрон

Мощность рассеяния, Вт0.3

Минимальное напряжение стабилизации, В3

Номинальное напряжение стабилизации, В3.3

Максимальное напряжение стабилизации, В3.6

Статическое сопротивление Rст., Ом65

при токе I ст, мА10

Температурный коэффициент напряжения стабилизации Uст.,%/С0.11

Временная нестабильность напряжения стабилизации dUст., В1

Минимальный ток стабилизации Iст.мин., мА3

Максимальный ток стабилизации Iст.макс., мА81

Рабочая температура, С-60…125

КД521А — диод импульсный Максимальное постоянное обратное напряжение, В75

Максимальное импульсное обратное напряжение, В100

Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А0.05

Максимально допустимый прямой импульсный ток, А0.5

Максимальное прямое напряжение, В1

при Iпр., А0.05

Рабочая температура, С-60…125

Максимальное время восстановления, мкс4

Максимальный обратный ток, мкА1

Общая ёмкость, Сд, пФ3

1N4745A

Мощность рассеяния, Вт1

Номинальное напряжение стабилизации, В16

Номинальный ток стабилизации, мА15.5

Минимальное напряжение стабилизации, В15.2

Максимальное напряжение стабилизации, В16.8

Статическое сопротивление Rст., Ом16

Максимальный ток стабилизации Iст.макс., мА57

Рабочая температура, С-55…200

Резисторы постоянные

В качестве резисторов постоянного номинала применены постоянные непроволочные прецизионные резисторы С2−29 В изолированного и неизолированного исполнения, предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного токов. Резисторы С2−29 В изготовляют в климатическом исполнении В. Точность — ±5% Резисторы С1−4 с углеродным проводящим слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Точность — ±5%

Конденсаторы

В качестве электролитических конденсаторов использованы электролитические конденсаторы типа К50−68. Они применены, так как имеют небольшие габаритные размеры, распространены, недороги, имеют надёжность большую, чем К50−35, обеспечивают необходимую точность ёмкости, работают в заданном температурном режиме.

В качестве неполярных конденсаторов выбраны конденсаторы типа К73−17 с рабочим напряжением Uраб = 100 В, так как они имеют достаточно высокую стабильность параметров, небольшое значение ТКЕ, имеют заданную ёмкость при небольших габаритных размерах. Данный тип конденсаторов широко распространён, имеет высокую надёжность, недороги, работают в заданном частотном диапазоне, выдерживают заданные напряжения, имеют малый ТКЕ.

5. Составление структурной схемы УМЗЧ

1)ФНЧ

2)Дифференциальный усилитель

3)Усилитель Напряжение

4)Эмиттерный повторитель

5)Термостабилизация

6)ФНЧ

7)Датчик тока

8)Токовая защита

9) Триггер В моей схеме сигнал проходит вот таким образом:

1) Сигнал поступает в ФНЧ где подавляется высокочастотная часть сигнала Далее сигнал поступает дифференциальный усилитель который усиливает сигнал Далее сигнал поступает на усилитель напряжения на которым сигнал усиливается Далее сигнал поступает на эмиттерный повторитель в котором используется свойство входное сопротивление большое, а выходное — мало Далее сигнал поступает на ФНЧ, датчик тока и схему термостабилизации, Датчик тока реагирует на изменения входного напряжения вследствии которого срабатывает токовая защита которая в свою очередь размыкает схему перед усилителем напряжения. Термостабилизация защищает схему от перегрева. ФНЧ отсеивает высокие частоты возникающие в процессе усиления.

Фильтр нижних частот (ФНЧ) — один из видов аналоговых или электронных фильтров, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра.

Эмиттерный повторитель — частный случай повторителей напряжения на основе биполярного транзистора. Характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице. При этом входное сопротивление относительно велико, а выходное — мало. Дифференциальный усилитель — электронный усилитель с двумя входами, выходной сигнал которого равен разности входных напряжений, умноженной на константу. Применяется в случаях, когда необходимо выделить небольшую разность напряжений на фоне значительной синфазной составляющей.

Выходной сигнал дифференциального усилителя может быть как однофазным, так и дифференциальным. Это определяется схемотехникой выходногокаскада.

Транзисторы дифференциального усилителя могут быть биполярными, полевыми или баллистическими. Наиболее высокочастотными (ТГц диапазон) являются дифференциальные усилители на интегральной паре баллистических транзисторов

Датчик тока- срабатывает при изменение проходящего тока внутри цепи и активирует цепь ОС

Токовая защита- позволят защитить устройство от КЗ, а следствие сгоранию элементов схемы.

Усилитель— элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить).

Триггер — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний

Перечень параметров, по которым производится настройка

КТ1, КТ2 — установка тока дифференциальных усилителей 3мА КТ3, КТ4 — установка тока усилителей напряжения 5мА КТ5, КТ6, КТ7 — установка тока покоя выходного каскада регулировка симметрии КТ8 — Регулировка узла защиты положительной полярности КТ9 — Регулировка узла защиты отрицательной полярности

Выбор контрольных точек

Таблица 1. Номера и значения контрольных точек

6. Расчёт трансформатора

Расчет производится в соответствии с[5]

U₁=220 В

F_c=50 Гц

U₂ = 38 В

U₃ = 48 В

I₂ = 2 А

I₃ = 0,2 А

1. Р_г = U₂ Ч I₂ + U₃ Ч I₃ = 38 Ч 2 + 48 Ч 0,2? 86 Вт (4.1)

2.1 Выбираем сталь марки 1511

2.2 В = 1,35 Тл

J = 2,5 А/мм²

з = 0,95

К₀ = 0,31

2.3 К_с = 0,93

3. I₁ = P_г / U₁ Ч з Ч ц₁ = 86 / 220 Ч 0,95 Ч 0,9 = 0,457 А (4.2)

где ц₁ — коэффициент мощности трансформатора

(4.3)

5. Выбираем магнитопровод Ш20×40

a = 20

c = 20

h = 50

H = 70

L = 80

в = 40

S_c = 7,82 см²

6. ДU₁ = 5%

ДU₂ = 9%

щ₁ = U₁ Ч (1 — 0,01 Ч ДU₁) Ч 10⁴ / 4,44 Ч f_c Ч B Ч S_c = 220 Ч (1 — 0,01 Ч 5) Ч 10 000 / 4,44 Ч 50 Ч 1,35 Ч 7,82 = 892 (4.4)

щ₂ = U₂ Ч (1 + 0,01 Ч ДU₂) Ч 10⁴ / 4,44 Ч f_c Ч B Ч S_c =

= 38 Ч (1 + 0,01 Ч 9) Ч 10 000 / 4,44 Ч 50 Ч 1,35 Ч 7,82 = 177 (4.5)

щ₃ = U₃ Ч (1 + 0,01 Ч ДU₂) Ч 10⁴ / 4,44 Ч f_c Ч B Ч S_c = 48 Ч (1 + 0,01 Ч 9) Ч 10 000 / 4,44 Ч 50 Ч 1,35 Ч 7,82 = 224 (4.6)

7. q₁ = I₁ / J = 0,457 / 2,5 = 0,1828 мм² (4.7)

q₂ = I₂ / J = 2 / 2,5 = 0,8 мм²

q₃ = I₃ / J = 0,2 / 2,5 = 0,08 мм²

d₁ = 0,570 мм

d₂ = 1,160 мм

d₃ = 0,415 мм

8.1щ_1.1 = (h — 2е₁) / d₁ = (50 — 2 Ч 1,5) / 0,570 = 82

щ_2.1 = (h — 2е₁) / d₂ = (50 — 2 Ч 1,5) / 1,160 = 40 (4.8)

щ_3.1 = (h — 2е₁) / d₃ = (50 — 2 Ч 1,5) / 0,415 = 113

гдее₁ — расстояние от обмотки до ярма, обычно 1 — 2 мм.

8.2 m₁ = щ₁ / щ_1.1 = 892 / 82 = 11 (4.9)

m₂ = щ₂ / щ_2.1 =177 / 40 = 5

m₃ = щ₃ / щ_3.1 =224 / 113 = 2

8.3 U_1.1 = U₁ / m₁ = 220 / 11 = 20 В, < 50 В (4.10)

U_2.1 = U₂ / m₂ = 38 / 5 = 7,6 В, < 50 В

U_3.1 = U₃ / m₃ = 48 / 2 = 24 В, < 50 В изоляция слоёв нигде не требуется д₁ = m₁ Ч (d₁ + г₁) = 11 Ч (0,57 + 0) = 6,27 мм (4.11)

д₂ = m₂ Ч (d₂ + г₁) = 5 Ч (1,16 + 0) = 5,8 мм д₃ = m₃ Ч (d₃ + г₁) = 2 Ч (0,415 + 0) = 0,83 мм где г₁ — толщина изоляции между слоями, 0,05 мм (не требуется)

8.4 С_необх = K (е₂ + д₁ + д_1.2+ д₂ + д_2.3+ д₃ + е₃) + е₄ = 1,15 Ч (1,5 + 6,27 + 0,5 + 5,8 + 0,5 + 0,83 + 1) + 1 = 19,86

где К — коэффициент не плотности прилегания слоёв, 1,1 — 1,2

е₂ — толщина изоляции между обмотками и стержнем, 1 — 2 мм е_1.2, е_2.3 — толщина изоляции между обмотками, 0,5 — 1 мм е₃ — толщина наружной изоляции, 0,5 — 1 мм е₄ — расстояние от катушки до второго стержня, 1 — 4 мм С_необх

7. Расчет стабилизатора +15В

Расчет производится в соответствии с[5]

Произведем расчет параметрического стабилизатора без термокомпенсации.

Исходные данные для расчета:

Uвых = +16В

Iн = 20мА

Iн¹ = Iн¹¹ = 2мА

Uвх¹/Uвх = Uвх¹¹/Uвх = 0,1

Кст 10

выбираем стабилитрон типа 1N4745A, имеющий следующие технические характеристики: Uст = 16 В

Iст мин = 5мА

Iст макс = 57мА

Iст н = 15,5мА

Rд = 16 Ом задаемся значением n_ст, где n_ст — величина обратная коэффициенту передачи стабилизатора, n_ст выбирается в пределах 1,4 … 2,5

Примем n_ст = 2,3 При этом необходимое входное напряжение стабилизатора:

Uвх = n_ст*Uвых (4.13)

Uвх = 2,3*16 = 36,8 В

сопротивление балластного резистора:

Rо = Uвых (n_ст -1) / (Iст н + Iн) (4.14)

Rо = 16(2,3 — 1) / (15,5 + 20)*10^-3 = 586оМ

Из ряда номинальных значений сопротивлений выбираем

Rо = 560оМ токи, протекающие через стабилитрон:

Iмин = Iст-(Uвх¹¹/Rо+Iн¹¹) (4.15)

Iмин = 16-(3,8/560+2)*10³ =9,2мА

Iмакс = Iст+(Uвх¹/Rо+Iн¹) (4.16)

Iмакс = 16+(3,8/560+2)*10³=22,7мА,

где Uвх¹ = Uвх¹¹ = 0,1Uвх (4.17)

Uвх¹ = Uвх¹¹ = 0,1 * 38 = 3,8 В коэффициент стабилизации напряжения:

Кст = (Rо / Rд + 1) / n_ст (4.18)

Кст = (560/16 + 1)/2,3 = 14,3 10, что соответствует заданным условиям.

8. Расчёт надёжности

Надёжность — комплексное свойство изделия, включающее в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Эти свойства имеют соответствующие количественные показатели. Показатели надёжности имеют статистический характер и зависят от допустимых границ изменения контролируемого параметра.

Из всех количественных показателей наибольшее значение имеют показатели безотказности:

— вероятность безотказной работы — вероятность того, что в течение

заданной наработки отказ объекта не наступает

— средняя наработка на отказ — математическое ожидание наработки объекта до отказа

— интенсивность отказов — статистическая характеристика, определяемая как количество отказов в единицу времени, приходящееся на одно изделие, продолжающее исправно работать в рассматриваемый момент времени. Интенсивность отказов одля различных типов радиокомпонентов является экспериментально определённой величиной и имеет статистический характер и определяется в нормальных условиях работы. В реальных условиях работы на интенсивность отказов влияют различные факторы (температура, механические воздействия, электрический режим работы и т. д.). Влияние этих факторов учитывают с помощью коэффициента влияния, который определяется коэффициентом нагрузки элемента и температурой окружающей среды по графикам зависимости (Кн, t^о) или по соответствующим таблицам из РТМ (руководящих технических материалов).

тогда i = о * (4.20)

Интенсивность отказов всего изделия рассчитывается как сумма интенсивностей отказов групп компонентов, входящих в состав изделия:

изд = Ni * i (4.21)

где Ni — количество компонентов в изделии.

Средняя наработка на отказ за время эксплуатации определяется по формуле:

Тср = 1/изд = 1/Ni * i (4.22)

Вероятность безотказной работы, изменяющаяся по экспоненциальному закону, определяется за заданное время работы:

tзад = 100 час.

Р (t) = е ^{- изд*tзад} — если изд* tзад<1, то е ^{- изд*tзад}=1-изд* tзад (4.23)

Данные показателей безотказной работы сведены в таблицу Общая интенсивность отказов:

изд = 74,033* 10^-6 1/час Средняя наработка на отказ:

Тср = 1/(74,033*10^-6) = 13 507,5час (4.24)

Вероятность безотказной работы устройства:

Р (t) = (1−74,033*10^-6*100)=0,992 5967(4.25)

9. Описание конструкции усилителя мощности

В настоящее время электрический монтаж РЭА осуществляется методами объемного и печатного монтажа. Так как объемный монтаж имеет большую трудоемкость и проблемы автоматизации и механизации операций, то данное устройство выполняем на печатной плате, которая имеет следующие преимущества: обеспечение малогабаритности, уменьшение трудоемкости монтажно-сборочных работ, конструкция печатных плат имеет большую механическую прочность и, соответственно, большую стабильность электрических параметров платы, обеспечивается максимальная идентичность отдельных функциональных блоков, что дает высокую взаимозаменяемость при сборке радиоэлектронной аппаратуры, высокая ремонтопригодность и технологичность конструкции, обеспечивается автоматизация ручных процессов. Для изготовления печатной платы используют фольгированные и нефольгированные диэлектрики. Данное устройство выполнено на фольгированном диэлектрике — стеклотекстолите. Стеклотекстолит по сравнению с гетинаксом обладает более высокими электромеханическими характеристиками.

Фольгированное покрытие выполнено из меди, так как она обладает хорошими проводящими свойствами.

Детали блока питания смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита

Расположение контрольных точек и органов регулировки

Контрольные точки выполнены на плате в виде стержней (штырьков) Все контрольные точки пронумерованы в соответствии с принципиальной схемой.

До проведения настройки необходимо.

1. Проверить не истёк ли срок проверки используемых приборов

2. Расположить на рабочем месте проверяемое устройство и приборы таким образом чтобы в процессе работы не производить лишних перемещений не путаться в проводящих шлейфах, не нарушать алгоритм регулировки и технику безопасности.

3. Перевести органы управления приборами в исходное положение.

Генератор НЧ установить на заданные частоты, амплитуды выходных сигналов установить на минимальное значение.

В частотомере все органы управления установить в среднее положения.

В осциллографе Развертку и Чувствительность перевести в среднее положение. Убедится что все плавные регуляторы переведены в крайнее положение до «щелчка» Вольтметр постоянного напряжения установить на предел измерения 20В

Порядок регулировки.

1) Установка тока усилителей напряжения 5мА

2)Установка тока покоя выходного каскада.

3) Регулировка симметрии

4) Установка тока дифференциальных усилителей 3мА

5) Регулировка узла защиты положительной полярности.

6) Регулировка узла защиты отрицательной полярности.

7) Регулировка узла токовой защиты

Методы настройки.

1)КТ3, КТ4. Установка тока каждого плеча 5мА До установки на плату элементов R32, R33, R26 подбором резисторов R9, R10. Подключая миллиамперметр одним выводом к общему проводу, а другим — поочерёдно к коллектору VT8 и VT9. Устанавливают ток, вытекающий из коллекторов соответственно VT8, VT9, одинаковым для каждого плеча (5 мА). Эту операцию следует проделать, подключая миллиамперметр одним выводом к общему проводу, а другим — поочерёдно к коллектору VT8 и VT9.

2) КТ5 — КТ7 устанавливаем ток покоя.

Подключить вольтметры к КТ5, КТ7 и к КТ6 как общей точке. Вращая движок переменного резистора R34, установить ток покоя равным 100 мА, контролируя его по падению напряжения на резисторах R47, R48. Это напряжение вычисляется по формуле U = I₀ / R47 = 0,1/0,24 = 0,417 В.

3)КТ5 — КТ7 Регулировка симметрии Подключить оба канала осциллографа к КТ5, КТ7, аКТ6 — общий. Подать на вход УМЗЧ гармонический сигнал амплитудой 1 В, частотой 1 кГц. Амплитуда полуволн на R47и R48 должна быть одинаковой. Этого можно добиться подбором R32 и R33.

4)КТ1, КТ2 Установка тока дифференциальных усилителей 3мА Включить миллиамперметр в разрыв стока VT3, затем VT4. Подбором резисторов R9 иR10 Выставляем ток источников тока на транзисторах VT3−4 равным 3 мА. Ток измеряется в разрывах стоков VT3−4.

5) КТ8 Регулировка узла защиты положительной полярности.

Подключить вольтметр к КТ8. Подстройкой R54 установить напряжение в КТ8 равным 2 В.

6) КТ9 Регулировка узла защиты отрицательной полярности.

Подключить вольтметр к КТ9. Подстройкой R55 установить напряжение в КТ9 равным -2 В.

7)Регулировка узла токовой защиты Подключить ГНЧ к входу УМЗЧ. К выходу подключить эквивалент нагрузки с сопротивлением 8 Ом. Подстройкой резистора R49 добиваются, чтобы узел защиты не срабатывал на пиках максимального сигнала.

Алгоритм поиска неисправности

1)Есть ли неисправности при внешнем осмотре?

2)Устранить неисправность.

3)Включить.

4)Работает ли устройство?

5) Регулировка.

6) Все напряжения питания в норме?

7)Устранение неисправностей БП.

8)Установить ГНЧ на частоту 1 кГц, амплитуду 100 мВ.

Подключить ГНЧ к базам VT20 и VT21.

Подключить осциллограф к выходу УМЗЧ.

9)На выходе есть обе полуволны сигнала?

10)Заменить VT20 и/или VT21.

11)Подключить ГНЧ к базам VT18 и VT19.

12) Есть ли сигнал на выходе УМЗЧ ?

13) Заменить VT18 и/или VT19.

14) Подключить ГНЧ к эмиттеру и коллектору VT15.

15) Есть ли сигнал на выходе УМЗЧ ?

16) Подключить осциллограф эммиттеру и базе VT15.

17) На осциллографе есть сигнал?

18)Заменить VT15.

19)Проверить и заменить VT16 и/или VT17.

20) Подать сигнал с ГНЧ на базы VT7 и VT10. Осциллограф подключить к выходу УМЗЧ.

21) Есть ли сигнал на выходе УМЗЧ ?

22) Сработала ли защита?