Разработка усилителя мощности со стабилизированным источником питания

Понятие электроники в физике и технике. Характеристика и предназначение усилителя мощности, особенности его применения в звуковой технике. Выбор и расчет элементов усилительного каскада, расчет источника питания и сущность моделирования приборов.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 12.08.2011
Размер файла 488,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“Белорусско-Российский университет”

Кафедра «Электротехника и Электроника»

Курсовой проект

по дисциплине

«Элементы электроники»

Тема работы:

«Разработка усилителя мощности со стабилизированным

источником питания»

Разработал Исаченко В.И.

ст. гр. ЭОАР-073

Проверил к.т.н. Болотов С.В.

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных

2. Разработка СЭП и источника питания

2.1 Выбор и расчет элементов усилительного каскада

2.2 Расчет источника питания

3. Разработка модели устройства

4. Результаты моделирования

Заключение

Список использованных источников

Приложение А.

Приложение В.

Введение

Электроника-- понятие, включающее в себя, в:

1. Физике -- область, в которой изучаются процессы, происходящие с заряженными частицами в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах.

2. Технике -- электронные приборы и устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и используется для преобразования электромагнитной энергии (например для передачи, обработки и хранения информации). Наиболее характерные виды таких преобразований: генерирование, усиление, приём электромагнитных колебаний с частотой до Гц, а также инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и рентгеновского излучений ( -- Гц). Возможность таких преобразования обусловлена малой инерционностью электрона.

В данной курсовой работе нам необходимо спроектировать усилитель мощности. Под усилителем понимают устройство, предназначенное для увеличения мощности сигнала. Данные устройства широко распространены и могут применяться в различной технике. Наибольшее распространение усилители получили в звуковой технике.

1. Анализ исходных данных

Под усилителем мощности понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка RH и мощность PH, рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков-сотен Вт. Поэтому мощные каскады, как правило, бывают выходными - оконечными. В качестве нагрузки могут выступать различные исполнительные устройства систем управления (например, обмотки реле, электродвигатели).

Усилители мощности могут быть однотактными и двухтактными. Однотактные усилители чаще применяют при относительно малых выходных мощностях (до 3…5 Вт). Как правило, в однотактной схеме транзистор работает в режиме А, в двухтактных схемах - в режимах АВ или В.

Усилители мощности подразделяются на трансформаторные и бестрансформаторные. Несмотря на то, что трансформаторы характеризуются незначительными потерями энергии и позволяют оптимизировать условия работы усилительного элемента, при которых обеспечиваются необходимая выходная мощность, высокий КПД и низкий уровень нелинейных искажений, тем не менее они сравнительно редко применяются в транзисторных и особенно в аналоговых микросхемах, так как при их использовании увеличиваются габаритные размеры, масса и стоимость усилителя.

Все бестрансформаторные двухтактные схемы можно разделить на две группы: с одним или двумя источниками питания и с управлением от однофазного или от парафазного напряжения.

Анализируя данные структуры усилителей и параметры, указанные в задании на курсовую работу выбираем схему двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с общим коллектром, работающим в режимах В, АВ с двумя источниками питания. Схема такого каскада представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема двухтактного выходного бестрансформаторного каскада с общим коллектором, работающим в режимах В, АВ с двумя источниками питания

В двухтактном оконечном каскаде на комплементарных транзисторах с двумя источниками питания транзисторы включены по схеме с ОК (эмиттерные повторители) в режиме работы В или АВ. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении нагрузки RН практически отсутствует, так как не-большие начальные токи, протекающие через транзисторы VT1 и VT2, взаимно вычитаются. При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК. Следовательно, выходной сигнал Ukm на сопротивлении нагрузки Rн практически равен входному, а усиление мощности достигается за счет усиления тока Iэm. Во время другого полупериода открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

2. Разработка СЭП усилителя мощности и источника питания

2.1 Выбор и расчет элементов усилительного каскада

При расчете усилителя мощности обычно заданы мощность PH и сопротивление RH.

Таблица 1 -Исходные данные к курсовой работе

Наименование параметра

Значение

Выходная мощность усилителя РН, Вт

45

Сопротивление нагрузки RН, Ом

12

Входное напряжение источника питания Uвх, В

220

Частота напряжения источника питания fc, Гц

50

Схема выпрямления

Однофазная мостовая

Коэффициент пульсаций kП вых

0,02

Коэффициент стабилизации kст

20

Допустимое относительное изменение напряжения источника питания дUвх, %

-25…15

Высшая температура окружающей среды t°срmax, °С

40

Низшая температура окружающей среды t°срmin, °С

-5

Рабочий диапазон частот

fН, кГц

0,1

fВ, кГц

12

Допустимые коэффициенты частотных искажений

МН

3,5

МВ

3,2

Начнем расчет с определения значения мощности, которую должны выделять транзисторы, и составляющие коллекторного тока и напряжения:

P 1,1 Рн (2.1)

P49,5=50 Вт

P 50 Вт

(2.2)

(2.3)

Далее выбираем напряжения источников питания.

, (2.4)

Ек -?35 В

UOCT - напряжение, отсекающее нелинейную часть выходных характеристик транзистора в области малых коллекторных напряжений (UOCT ~0,3---1,5 В).

Затем выбираем транзисторы. Выбираем транзисторы по предельным параметрам:

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

Принимаем транзисторную коллекторную пару КТ816г и КТ817г со следующими параметрами:

UКЭдоп = 80 В - максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер

IК доп =3 А - максимально допустимый постоянный ток коллектора

РКдоп= 25Вт - максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора (с теплоотводом)

nep max = 125°С - максимальная температура коллекторного перехода

fгp = 3МГц - граничная частота коэффициента передачи тока транзистора для схемы с общим эмиттером

= 25 - статический коэффициент

Определим параметры входной цепи. Ток смещения базы Ioб, соответствующий найденной рабочей точке О, при наихудшем транзисторе, имеющем вmin, и амплитуда переменной составляющей входного тока Iбм рассчитываются как:

(2.9)

(2.10)

Входное напряжение для схемы с ОК, не обеспечивающей усиления по напряжению, определяется:

(2.11)

(2.12)

Входная мощность сигнала, требуемая для получения заданной мощности в нагрузке, составляет:

(2.13)

Далее рассчитаем коэффициент усиления по мощности:

(2.14)

Потребляемая каскадом потенциальная мощность:

(2.15)

(2.16)

Коэффициент полезного действия каскада:

(2.17)

Затем производим расчет сопротивления каскада:

(2.18)

(2.20)

(2.21)

По ряду Е12 определяем значения резисторов:

Входное сопротивление каскада.

С учетом делителя подачи смещения при включении с общим коллектором определяется:

(2.22)

Определение уровня нелинейных искажений.

Для оценки уровня нелинейных искажений используют сквозную динамическую характеристику каскада, которая строится с помощью семейства статических выходных и динамической входной вольт-амперной характеристик транзистора. На графике семейства статических выходных вольт-амперных характеристик устанавливается зависимость входного тока (тока базы) от выходного (тока коллектора) в точках пересечения семейства статических выходных вольт-амперных характеристик с нагрузочной прямой переменного тока. Затем с помощью динамической входной вольт-амперной характеристики определяются значения входных напряжений по найденным значениям тока базы и вычисляются значения ЭДС генератора, который имеет внутреннее сопротивление Rp (выходное сопротивление предыдущего каскада )

(2.23)

(2.24)

; ; В

(2.25)

(2.26)

(2.27)

(2.28)

Рисунок 2 - Сквозная характеристика

Er max=60,5В; I'км=2,6A

Er ср=34,02В; I'ср = 2,45A;

Er min. =7,54В; Iк min = 1,3A.

Рассчитаем коэффициент гармоник двухтактного каскада в режиме АВ с учетом асимметрии плеч находим Iкм, I1,Iок,I2, Iк min при b= 0,1.. .0,15, где b - коэффициент асимметрии транзисторов:

Iкм=(1+b)I'км =(1+0,1) ·2,6=2,86 А (2.29)

I1=(1+b)I1 =(1+0,1) ·2,45=2,695 А (2.30)

Iок=2bIк min =2·0,1·1,3=0,26 А (2.31)

I2=-(1-b)I1 = -(1-0,1)·2,45= -2,205 А (2.32)

Iкmin= - (1-b)Iкм = - (1-0,1)·2,6= - 2,34 А (2.33)

Далее определяем амплитуды гармоник тока коллектора:

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)

Коэффициент гармоник для схемы ОЭ:

(2.39)

При включении же с общим коллектором отрицательная обратная связь снизит коэффициент гармоник до величины:

(2.40)

По условию Кг = 1,5 %, поэтому это значение нас удовлетворяет.

Определим емкость разделительного конденсатора:

(2.41)

По ряду Е12 округляем до Ср = 2,2 мкФ

Определим площади дополнительного теплоотвода (радиатора), транзистор охлаждающего:

(2.42)

F' -коэффициент теплоотдачи (F' = (1,2... 1,4)* 10-3 Вт/см2 град);

nep max максимальная температура коллекторного перехода (t°nep max (Ge) = 90...100°С,

neрmax(Si)-150...200°C)

Cp max - максимально возможная температура окружающей среды;

RtПК - величина теплового сопротивления транзистора.

RtПК ? 1,5град/Вт при Pкдоп ? 12 Вт

RtПК ? 3град/Вт при Pкдоп ? 30 Вт

RtПК? 5…10град/Вт при Pкдоп > 30 Вт

Pk - мощность, выделяемая в транзисторе (Pкв?0,5Р; PкАВ?0,7P)

Вывод: В результате расчетов была принята схема двухтактного выходного каскада на составных транзисторах с двухполярным источником питания. Для нормальной работы усилителя принимается напряжение источника питания Ек = 35 В. При выборе транзисторной пары (КТ816г и КТ817г) учитывалось, что транзистор должен быть комплиментарным, т.е. с противоположными типами проводимости и одинаковыми параметрами. Далее был произведен расчет параметров усилителя: Кр = 22,43; КПД = 66%; Рвх = 2,006 Вт; Р0 = 74,01 Вт; RBX = 333 Ом. Данная схема обеспечивает коэффициент гармоник = 1,2%, при сопротивлении генератора Rг = 333 Ом.

2.2 Расчет источника питания

Согласно заданию выбираем однофазную мостовую схему выпрямления. По таблице 2 определяются ориентировочные значения параметров вентилей Uобр, Iпр.ср, Iпр, а также полная мощность трансформатора Sтр.

Для ориентировочного определения этих параметров следует задаться значением вспомогательных коэффициентов B и D. Для мостовой схемы B = 0,95…1,1; D = 2,1…2,2.

Таблица 2 - Основные параметры выпрямительных схем

Наименование параметра

Схема выпрямления

однофазная

мостовая

Трансформатор

Напряжение вторичной обмотки U2

BU0

Действующий ток вторичной обмотки I2

0,707 DI0

Действующий ток первичной обмотки I1

0,707 DI0/kтр

Полная мощность трансформатора Sтр

0,707 BDP0

Диод

Обратное напряжение на диоде Uобр макс

1,41 BU0

Среднее значение тока диода Iпр ср

0,5 I0

Действуэщее значение тока диода I пр

0,5 DI0

Амплитудное значение тока диода

I пр mакс

0,5 FI0

Пульсации

Частота основной гармоники

2 fс

Коэффициент пульсации kп %

(здесь С - мкФ)

100 Hp / (Rф .C)

(2.43)

(2.44)

Параметры трансформатора:

(2.45)

(2.46)

(2.47)

(2.48)

Параметры диодов:

(2.49)

(2.50)

(2.51)

Выбираем тип вентилей. При этом необходимо выполнить условия:

; (2.52)

; (2.53)

. (2.54)

Выбираем диоды 1N5401 со следующими параметрами:

Сопротивление вентилей в прямом направлении:

(2.55)

Определяем активное сопротивление обмоток трансформатора:

(2.56)

Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:

(2.57)

где - коэффициент, зависящий от схемы выпрямления (для двухполупериодной схемы со средней точкой ; для мостовой схемы );

p - число чередующихся секций обмоток (если вторичная обмотка наматывается после первичной (или наоборот), p=2; если первичная обмотка наматывается между половинами вторичной обмотки p=3).

Определяется угол ц, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя:

(2.58)

где nв - количество последовательно включенных и одновременно работающих вентилей (nв=1 - для схемы со средней точкой; nв=2 - для мостовой схемы).

Находим основной расчётный коэффициент:

, (2.59)

где m - число фаз выпрямителя, m=2.

По найденному значению A и углу ц определяются вспомогательные коэффициенты B, D, F (приложение В) и по таблице 2 находятся необходимые параметры трансформатора и вентиля: U2, I2, S2, I1, S1, Sтр, Uобр, Iпр.ср, Iпр, Iпрmax. Проверяется правильность выбора вентилей.

В=1,35

D=1,9

F=4,8

H=1400

Уточняем параметры:

Параметры трансформатора:

(2.60)

(2.61)

(2.62)

(2.63)

Параметры диодов:

(2.64)

(2.65)

(2.66)

Рассчитаем сглаживающий фильтр:

(2.67)

где 0.67 коэффициент сглаживания мостовой схемы.

Определим Rф:

(2.68)

Rф?7,38Ом

Далее определим Cф:

(2.69)

Так как kcг > 25 рекомендуют использовать многозвенные LC-фильтры. При этом коэффициент сглаживания каждого звена kcг зв=.

(2.70)

Выбираем стабилизатопр напряжения LM317AH:

Определяется:

(2.71)

Определяется величина балластного сопротивления:

(2.72)

3. Разработка модели устройства

электроника физика усилитель мощность каскад

Моделирование устройств в электронике имеет свои особенности, обусловленные характерными свойствами используемых полупроводниковых приборов и других элементов схем.

Пакет прикладных программ Multisim имеет более широкие возможно-сти по сравнению с пакетом Workbench. Пакет Multisim предназначен для моделирования как простых, так и достаточно сложных электрических цепей. Он позволяет проводить дополнительные исследования цепей с помощью различных приборов.

Моделирование нашего усилителя начнем с источника питания. Для этого в базе элементов Multisim выбираем источник переменного синусоидального напряжения, диоды для диодного моста, катушки индуктивности и конденсаторы для сглаживающего фильтра, стабилизатор напряжения.

Затем начинаем собирать усилитель. Выбираем в базе транзисторы, сопротивления для обеспечения необходимого смещения и емкости, служащие в качестве разделительных конденсаторов. В качестве нагрузки будем использовать сопротивление номиналом 12 Ома.

Для анализа данных будем использовать двухканальный осциллограф, подключаемый к источнику входного сигнала и к выходу на нагрузке. В качестве источника входного сигнала будем использовать функциональный генератор, который будет подавать на схему сигнал синусоидальной формы.

Для отслеживания величины тока будем использовать мультиметр, подключенный в разрыв между выходом усилителя и нагрузкой. Для измерения нелинейных искажений будем использовать измеритель нелинейных искажений.

4. Результаты моделирования

Осциллограммы напряжений в контрольных точках:

Рисунок 3 - Осциллограммы напряжений

Напряжение на выходе источника питания равно 35В.

Значение токов и напряжений при максимальном напряжении:

Iвых = 2,146А

Uвых = 25,74В

Значение токов и напряжений при номинальном напряжении:

Iвых = 2,056А

Uвых = 24,672В

Рисунок 3 - Осциллограмма работы сглаживающего фильтра и источника питания

Анализируя результаты моделирования приходим к выводу, что усилитель очень хорошо работает при номинальном напряжении источника питания, выдает необходимый ток нагрузки, но имеет чуть больший коэффициент нелинейных искажений равных 1,578% (по заданию задано 15%). Источник питания выдает необходимое напряжение и имеет минимальные пульсации равные 0,023.

При моделировании усилителя на повышенном напряжении источника питания усилитель выдает очень небольшие нелинейные искажения.

Делаем вывод, что усилитель реализовать, исходя из данных задания и расчетов, нам удалось.

Заключение.

В ходе выполнения курсовой работы был разработан усилитель мощности на 45 Вт, был проведен полный расчет всех элементов усилителя, был рассчитан и спроектирован источник питания, сглаживающий фильтр. На основании всех этих расчетов было произведено моделирование спроектированного устройства и произведен анализ его работы.

Список использованных источников:

1. Гершунский Б.С. Расчет электронных схем.- Москва.-122с.

2. Москатов Е.А . Полупроводниковые приборы. - М.: Журнал «Радио», 2005.-205с.ил

3. Горюнов Н.Н, Клейман А.Ю. - Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. - М.:Энергия, 1979,744с.ил

Приложение А

Выходные и входные характеристики транзисторов КТ816г и КТ817г

Приложение В

Зависимости коэффициентов B,D,F,H от А

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Разработка и расчет схемы двухтактного усилителя мощности с заданными параметрами. Расчет оконечного, промежуточного и входного каскада. Выбор цепи стабилизации тока покоя. Результирующие характеристики усилителя. Требования к мощности источника питания.

    курсовая работа [617,9 K], добавлен 16.10.2011

  • Разработка и расчет оконечного каскада усилителя мощности. Выбор типа транзистора. Расчет масштабирующего усилителя с инвертированием сигнала. Разработка блока питания. Расчет предоконечного и промежуточного каскадов. Выбор операционного усилителя.

    курсовая работа [1,3 M], добавлен 14.10.2009

  • Обзор литературы по усилителям мощности. Описание электрической схемы проектируемого устройства - усилителя переменного тока. Разработка схемы вторичного источника питания. Выбор и расчет элементов схемы электронного устройства и источника питания.

    реферат [491,0 K], добавлен 28.12.2014

  • Расчет напряжений питания, потребляемой мощности, КПД, мощности на коллекторах оконечных транзисторов. Выбор оконечных транзисторов, определение площади теплоотводов, элементов усилителя мощности. Выбор и расчет выпрямителя, схемы фильтра, трансформатора.

    курсовая работа [474,7 K], добавлен 22.09.2012

  • Определение назначения, анализ технических характеристик и описание принципиальной схемы усилителя мощности звуковой частоты. Выбор контрольных точек усилителя, расчет трансформатора и стабилизатора напряжения прибора. Алгоритм диагностики усилителя.

    курсовая работа [127,5 K], добавлен 26.01.2014

  • Усилитель звуковых частот. Расчёт оконечного каскада. Выбор транзисторов по допустимой мощности рассеяния на коллекторе и максимальной амплитуде коллекторного тока. Выбор входного транзистора, расчет входных элементов. Расчет мощности элементов схемы.

    курсовая работа [618,3 K], добавлен 12.03.2016

  • Описание блок–схемы транзисторного двухкаскадного усилителя мощности низких частот. Вычисление мощности, потребляемой цепью коллектора транзистора от источника питания. Расчёт выходного и предварительного каскадов усилителя, фильтра нижних частот.

    контрольная работа [323,8 K], добавлен 18.06.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.