Анализ схемы электрической принципиальной

Введение

 

В настоящее время в технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мы не посмотрим – усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждом телевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительные каскады. Эти устройства, воистину, являются грандиознейшим изобретением человечества.

В зависимости от типа усиливаемого параметра усилительные устройства делятся на усилители тока, напряжения и мощности.

В данном курсовом проекте решается задача проектирования усилителя мощности (УМ) звуковой частоты (ЗЧ) на основе операционных усилителей (ОУ). В задачу входит анализ исходных данных на предмет оптимального выбора структурной схемы и типа электронных компонентов, входящих в состав устройства, расчёт цепей усилителя и параметров его компонентов, и анализ частотных характеристик полученного устройства.

Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том, что при проектировании усилителя следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивали максимальную эффективность устройства по заданным характеристикам, а также его экономичность с точки зрения расхода энергии питания и себестоимости, входящих в него компонентов.

 

Техническое задание

 

Назначение и область применения

 

Описанный в данной работе усилитель ЗЧ предназначен для радиоприемника, также он может быть применен в других схожих устройствах. Используется для усиления мощности в диапазоне 20…20000 Гц с минимальным коэффициентом процентом гармоник нелинейных искажений. Конструкция усилителя проста и надежна.

Технические характеристики

 

Выходная мощность, Вт 150

Коэффициент гармоник, не более, % 0,2

Диапазон частот, Гц 20…20000

КПД, % 68

Номинальное входное напряжение, В 1

Входное сопротивление, кОм 10

Характеристика надежности

 

Среднее время наработки на отказ, ч 5000

Условия эксплуатации

 

Температура окружающей среды, 0 C -10…+50

Относительная влажность воздуха при температуре +20 0 C, % до 90

2. Обзор литературных источников

 

1) «Простой стереофонической усилитель мощности».

Б. С. Иванов – «В помощь радиокружку» – М: «Радио и связь», 1990 г.

В данной книге рассматривается простой стереофонический усилитель мощности (рис. 1). Он состоит из одной интегральной микросхемы и четырех мощных малогабаритных транзисторов. Основные параметры: номинальная выходная мощность на нагрузке достигает 2 Вт в каждом канале; коэффициент гармоник не превышает 1% (на частоте 1 кГц), диапазон пропускаемых частот лежит в пределах от 63 Гц до 12.5 кГц. Он пригоден для воспроизведения грамзаписи при подключении к входу пьезоэлектрического стереофонического или монофонического звукоснимателя, для усиления звука переносного транзисторного радиоприемника во время туристских походов, для воспроизведения записей через автомобильный кассетный стереопроигрыватель и во многих других случаях [6].

 

Рис. 1. Простой стереофонической усилитель мощности

 

2) «УЗЧ транзисторного приемника».

Н. Ф. Назаров – «В помощь радиолюбителю», выпуск 93 – М: «ДОСААФ», 1986 г.

Этот усилитель мощности звуковых частот можно использовать в транзисторных радиовещательных или связных приемниках, а также в приемном тракте коротковолновых или ультракоротковолновых трансиверов. Максимальная выходная мощность усилителя 250…300 мВт (рис. 2). Номинальное сопротивление нагрузки лежит в пределах 10…50 Ом. Остальные параметры УЗЧ зависят от того, какой необходимо иметь коэффициент усиления. В усилителе можно применять любые общецелевые ОУ с внутренней коррекцией АЧХ [7].

 

Рис. 2. УЗЧ транзисторного приемника

 

3) «Усилитель мощности звуковой частоты класса "Hi-Fi" на TDA2030».

http://detalinadom.narod.ru/nabor/nabTDA2030.htm

Микросхема по своей сути представляет мощный операционный усилитель и принципиальная схема у нее такая же (рис. 3). В данном варианте реализована схема не инвертирующего включения. Для простоты сборки усилитель собран по схеме с однополярным питанием и обеспечивает на нагрузку 4 Ома до 15 Вт. Данный усилитель мощности является универсальным кирпичиком для построения высококачественного усилителя любой конфигурации, от обычного стереофонического до мультимедийного 2.1 или 5.1. При питании до 20 В в таком усилителе в качестве сабвуферного можно использовать мостовую схему на TDA2050 (набор У033), при питании до 30 В в этой роли требуется использование более мощного усилителя, например на TDA2052 (У034) [3].

 

Рис. 3. Усилитель мощности звуковой частоты класса "Hi-Fi" на TDA2030

 

4) «Усилитель мощности звуковой частоты».

http://schematic.by.ru/65/6502.htm

Усилитель ЗЧ имеет очень низкие коэффициенты гармонических и интермодуляционных искажений, он сравнительно прост, способен выдерживать кратковременное короткое замыкание в нагрузке, не требует выносных элементов термостабилизации тока транзисторов выходного каскада (рис. 4). Основные технические характеристики: максимальная мощность на нагрузке сопротивлением 4 0м – 80 Вт; номинальный диапазон частот 20…20000 Гц; коэффициент гармоник не более 0,002 коэффициент интермодуляционных искажений 0,0015 % [4].

Рис.4. Усилитель мощности звуковой частоты

 

Вывод: Рассматриваемый в данной работе усилитель звуковой частоты надежней и мощней, чем существующие аналоги, он обладает большей выходной мощностью, меньшим коэффициентом гармоник и т. д. Схемы со схожими характеристиками имеют большие размеры, что усложняет их расчет и сборку.

3. Анализ структурной схемы

 

Рис. 5. Структурная схема УМЗЧ

1 – блок ограничения (БО), 2 – предварительный каскад (ПК), 3 – блок стабилизации (БС), 4 – обратная связь (ОС), 5 – выходной каскад (ВК).

 

БО уменьшает коэффициент усиления ОУ, чтобы стабилизировать его характеристики, когда выходное напряжение усилителя мощности достигает максимального значения. В результате уменьшается глубина насыщения транзисторов VT1, VT2 и снижается вероятность возникновения сквозного тока в выходном каскаде [5].

ПК осуществляет необходимое усиление по напряжению и обеспечивает работу усилителя с глубокой отрицательной ОС. Источник входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, так как при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока.

БС стабилизируют напряжение питания ОУ, которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада.

ОС стабилизирует характеристики УМ и задает общий коэффициент усиления по напряжению.

ВК обеспечивает необходимое усиление по току и по напряжению.

Анализ схемы электрической принципиальной

 

Каскад предварительного усиления выполнен на быстродействующем ОУ DA1 (К544УД2Б), который наряду с необходимым усилением по напряжению обеспечивает работу усилителя с глубокой ООС (рис. 6). Резистор обратной связи R5 и R1 определяют коэффициент усиления усилителя. Выходной каскад выполнен на транзисторах VT1…VT8. Он обеспечивает усиление, как по току, так и по напряжению. В основном каскаде (VT3, VT4) предусматривается использование мощных составных транзисторов КТ825, КТ827. Вспомогательный каскад VT5…VT8 также должен быть собран на составных транзисторах. Резисторы R8…R22, диоды VD7, VD8 и транзисторы VT1, VT2 определяют режим работы выходных каскадов, который не меняется при изменении напряжения питания в значительных пределах.

 

Рис. 6. Электрическая принципиальная схема усилителя мощности звуковой частоты

Конденсаторы С6…С9 корректируют фазовую и частотную характеристики каскада. Стабилитроны VD1, VD2 стабилизируют напряжение питания ОУ, которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада.

Делитель выходного напряжения ОУ R6, R7, диоды VD3…VD6 и резистор R4 образуют цепь нелинейной ООС, которая уменьшает коэффициент усиления ОУ, когда выходное напряжение усилителя мощности достигнет своего максимального значения. В результате уменьшается глубина насыщения транзисторов VT1, VT2 и снижается вероятность возникновения сквозного тока в выходном каскаде. Конденсаторы С4, С5 – корректирующие. С увеличением емкости конденсатора С4 растет устойчивость усилителя, но одновременно увеличиваются нелинейные искажения, особенно на высших частотах.

Усилитель сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до ±25 В. Возможно и дальнейшее снижение напряжения питания вплоть до ±15 В и даже до ±12 В при уменьшении сопротивления резисторов R2, R3 или непосредственном подключении выводов питания ОУ к общему источнику питания и исключении стабилитронов VD1, VD2 [5].

Выбор элементной базы

 

Конденсаторы

 

Применяемые в радиоаппаратуре конденсаторы можно разделить на конденсаторы постоянной, переменой емкости и подстроечные.

У конденсаторов постоянной емкости в конструкции возможность изменения величины емкости не предусмотрена. Эти конденсаторы применяют в качестве элементов колебательных контуров, настроенных на фиксированную частоту, в качестве элементов связи, для компенсации изменяющихся параметров элементов контура при воздействии повышенной или пониженной температуры, для сопряжения контуров в супергетеродинных приемниках, в качестве разделительных, блокировочных и для многих других целей. Такое разнообразие функций привело к созданию большого количества типов конденсаторов постоянной емкости. В зависимости от материала диэлектрика конденсаторы можно разделить на следующие группы: керамические (рис. 7), слюдяные, бумажные, пленочные и электролитические (рис. 8) [1].

 

Рис. 7. Конденсатор МП31-5

Рис. 8. Конденсатор К50-12.

Микросхема

 

Наибольшее распространение получили ИС, у которых все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Их называют полупроводниковыми.

Для изготовления полупроводниковых микросхем используют кремниевые монокристаллические пластины диаметром не менее 30 — 60 мм и толщиной 0,25 — 0,4 мм. Элементы микросхемы — биполярные и полевые транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы — формируют в полупроводниковой пластине методами, известными из технологии дискретных полупроводниковых приборов (селективная диффузия, эпитаксия и др.). Межсоединения выполняют напылением узких проводящих дорожек алюминия на окисленную (т. е. электрически изолированную) поверхность кремния, имеющую окна в пленке окисла в тех местах, где должен осуществляться контакт дорожек с кремнием (в области эмиттера, базы, коллектора транзистора и т. д.). Для соединения элементов микросхемы с ее выводами на проводящих дорожках создаются расширенные участки —контактные площадки. Методом напыления иногда изготавливают также резисторы и конденсаторы (рис. 9).

Рис. 9. Интегральная микросхема К544УД2Б

Резисторы

 

применяемые в радиоаппаратостроении резисторы подразделяют на постоянные (рис. 10) и переменные. Переменными называют резисторы, сопротивление которых можно плавно изменять в процессе эксплуатации или регулировки аппарата. Их применяют в тех случаях. когда это необходимо для изменения параметров изделия, или же для компенсации в процессе регулировки погрешностей параметров других элементов схемы. Во всех остальных случаях используют постоянные резисторы.

усилитель мощность транзисторный нагрузка

Рис. 10. Резистор МЛТ-0,125

Диоды

 

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход, представляющий собой переходной слой между полупроводниками различной проводимости. На границе перехода за счёт концентрации носителей образуется контактная разность потенциалов.

p-n переход обладает несимметричной электропроводностью, изменяемой электронной емкостью, сильной зависимостью тока от внешних параметров to, изменение полей.

В p-n переходе происходит диффузия основных носителей электронов из p-области в n-области. При этом возникает диффузионный ток:

 

Iдиф= Ipдиф- Inдиф,

 

его направление совпадает с направлением диффузий дырок.

Электрический заряд в кристалле перераспределяется, электронная нейтральность кристалла нарушается.

Диффузирующие основные носители рекомбинируют, в результате чего изменяется концентрация подвижных носителей. В приконтактном слое образуются заряды: в p-области отрицательные, в n-области положительные. В результате образуется двойной слой пространственного заряда, который называется запирающим. Запирающий слой может быть неоднородным из-за смещения нейтрали в сторону области с меньшей концентрацией примеси. Пространственные заряды образуют электрическое поле перехода с максимальной направленностью на границе изменения заряда.

Выпрямительные диоды работают на частоте 50-100 кГц (рис. 11), служат для преобразования переменного напряжения в постоянное (выпрямленное).

 

Рис. 11. Выпрямительный диод КД510А

Стабилитроны работают в режиме лавинного пробоя с балансом рассеиваемой мощности (рис. 12). Рабочая точка стабилитрона устанавливается таким образом, чтобы пересечение нагрузочной прямой на ВАХ с характеристикой стабилитрона приходилось на площадку стабилизации. В отличие от стабилитрона стабистор работает на прямой ветке ВАХ, в результате чего напряжения стабилизации стабисторов незначительны (порядка 0.7…1.8 Вольт).

 

Рис. 12. Стабилитрон КС515А

Транзисторы

 

Транзистор – сложный полупроводниковый прибор, использующий свойство нелинейности характеристик в области p-n перехода (рис. 13, рис. 14). Основное назначение транзистора в электронных схемах – усиление сигналов по току или по напряжению в зависимости от его включения. Биполярный транзистор имеет, в общем случае, 3 вывода – управляющий (база), и выводы непосредственно управляемого p-n перехода (коллектор и эмиттер).

Биполярные транзисторы характеризуются двумя p-n переходами, расположенными на одном кристалле.

Транзисторы бывают: корпусные и бескорпусные в зависимости от технологии изготовления.

Динамические характеристики транзисторов определяют режим работы транзистора, в выходной цепи которого имеется нагрузка , а на вход подается усиливаемый сигнал. Динамические режимы отличаются от статического сильным взаимным влиянием параметров транзистора и элементов схемы.

 

Рис. 13. Транзисторы КТ814В, КТ815В, КТ816Г, КТ817Г

 

Рис. 14. Транзисторы КТ825Г, КТ827А