43031

Усилитель мощности звуковой частоты

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Усилители низкой частоты являются одним из важнейших структурных элементов звуковоспроизводящих радиотехнических устройств. Развитие усилительных устройств тесно связано с совершенствованием электронных приборов, сначала ламп, затем транзисторов и интегральных микросхем. Резкий скачок в усовершенствовании усилителей произошел после того, как нашла применение отрицательная обратная связь.

Русский

2013-11-01

956.5 KB

8 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОСИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное общеобразовательное

учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В Г. ТАГАНРОГЕ

(ТТИ ЮФУ)

Кафедра РПрУиТВ  

Пояснительная записка

к курсовому проекту на тему

"Усилитель мощности звуковой частоты"

Выполнил:      

Студент гр. Р-29

Гаврюков Д.С.

Проверил:

Шибаева Е.М.

Таганрог 2011 г.


ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ


СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ         3

ВВЕДЕНИЕ         4

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ                5

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ     6

2. ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ (ЭСКИЗНЫЙ РАСЧЕТ)                       7

3. ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ      9

4. РАСЧЕТ АЧХ                                                                    13

5. РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ                     14

6. РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРА ТЕМБРА                                                16

7.  ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ БЛОКА ПИТАНИЯ    18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                  19

ЛИТЕРАТУРА                           20

ПРИЛОЖЕНИЯ


ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время технические возможности передачи, записи и воспроизведения звука достигли такого совершенства, что позволяет осуществлять воспроизведение сигналов звуковых частот от 10 до 20 000 Гц и более при больших динамических уровнях с минимальными частотными и нелинейными искажениями.

Усилители низкой частоты являются одним из важнейших структурных элементов звуковоспроизводящих радиотехнических устройств. Развитие усилительных устройств тесно связано с совершенствованием электронных приборов, сначала ламп, затем транзисторов и интегральных микросхем. Резкий скачок в усовершенствовании усилителей произошел после того, как нашла применение отрицательная обратная связь. В настоящее время в основном используются усилители на основе транзисторов и интегральных микросхем. Современные усилительные устройства разрабатываются в направлении микроминитюаризации и улучшения качества звуковоспроизведения.

В современной усилительной технике применяют бестрансформаторные усилители мощности, которые имеют сравнительно малые габариты, обеспечивают высококачественное воспроизведение. Все шире используются схемы в интегральном исполнении, которые могут содержать десятки тысяч элементов. С их помощью возможна реализация усилителей с низким уровнем шумов, большой полосой пропускания, высоким входным и низким выходным сопротивлением. Широкое распространение получили операционные усилители, на основе которых можно сконструировать отдельные каскады и структурные блоки усилителя. Необходимо также отметить тенденцию к расширению полосы пропускания усилителей до 50 – 60 кГц и уменьшению коэффициента нелинейных искажений до тысячных долей процента, что позволяет добиться естественности звучания.


ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Эффективный диапазон частот, Гц: 10 - 20000

Номинальное напряжение входного сигнала, мВ: 100

Номинальная выходная мощность, Вт: 6

Номинальное сопротивление нагрузки, Ом: 8

Допустимый уровень нелинейных искажений: К<1 %

Уровень искажений на граничных частотах: Мнв=0,7

Тембр: НЧ, ВЧ


1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

В данном курсовом проекте стоит задача спроектировать усилитель звуковых сигналов. Так как заданная выходная мощность 6 Вт, то усилитель можно считать маломощным, значит, он не будет использоваться для массовых мероприятий или в студиях. Так как полоса частот от 10 Гц до 20 кГц, то такой усилитель не предполагается использовать для высококачественного усиления стереофонического сигнала. В качестве нагрузки можно использовать громкоговоритель, сопротивлением  8 Ом. Проектируемый усилитель будет использоваться в бытовых целях, для воспроизведения звука в помещении, такой усилитель должен удовлетворять условию недорогой стоимости и вместе с тем достаточной надежности.


2. ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ

 

Рис. 1.Функциональная схема усилителя

РГ   -   регулятор громкости

РТ   -  регулятор тембра

ПУ  -  предварительный усилитель

УМ  -  усилитель мощности

БП   -  блок питания

Выбор функциональной схемы усилителя произведен из условия нормальной работы усилителя. На входе усилителя стоит предварительный усилитель, назначение которого усилить входной сигнал до заданного уровня.

В современной звуковоспроизводящей  аппаратуре блок регуляторов тембра является обязательным устройством. От блока регуляторов тембра зависят такие параметры, как уровень шума, коэффициент гармоник, диапазон регулировки частотной характеристики. Регулировка тембра основана на изменении АЧХ усилителя в определенной области частот.

Распределим коэффициенты усиления по напряжению между отдельными устройствами усилителя.

Общий коэффициент усиления найдем по определению:

Напряжение на нагрузке усилителя при номинальной мощности :

Коэффициент усиления по напряжению :

Коэффициент усиления по напряжению усилителя мощности примем равным

КУМ = 0,94

Коэффициент усиления по напряжению темброблока примем равным

К = 1

тогда коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя равен

Распределим частотные искажения, допущенные на усилитель, между отдельными его каскадами. В задании частотные искажения равны 0,7. Можно положить отсутствие частотных искажений для блока регуляторов тембра и регулятора громкости. Так как частотные искажения усилителя в дБ равны сумме искажений отдельных блоков в дБ, примем частотные искажения равными

для  усилителя мощности  МН  <  0,7,   МВ  <  0,7

для предварительного усилителя   МН  <  0,7,   МВ  <  0,7.

Распределим нелинейные искажения, допущенные на усилитель, между отдельными его каскадами. Для упрощения расчетов примем, что искажения будут вноситься в основном усилителем мощности.

Основным требованиями, предъявляемыми к выходным каскадам, является получение требуемой мощности при допустимых искажениях сигнала и максимальном КПД. Оконечные каскады усилителей реализуются по-разному в зависимости от их назначения. Они делятся на резисторные, трансформаторные, дроссельные, а при отсутствии  элементов связи – на бестрансформаторные и бесконденсаторные.

3. ВЫБОР, ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Бестрансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном рабочих частот, меньшими габаритными размерами и массой. Недостатки этих каскадов – меньшие выходная мощность и коэффициент усиления по мощности и больший уровень нелинейных искажений, если не применяется отрицательная обратная связь. В бестрансформаторных схемах легко осуществлять непосредственную связь между каскадами (без разделительных конденсаторов)  и гальваническую обратную связь, при  которых число элементов уменьшается и стабилизируется режим работы по постоянному току.

Бестрансформаторные двухтактные выходные каскады, реализованные на комплиментарных транзисторах, управляются однофазным напряжением и имеют предельно простые схемы. Схема такого усилителя приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема выходного каскада

При выборе транзисторов для такого оконечного каскада воспользуемся неравенством

Определим максимальное значение коллекторного тока транзистора:

 

Граничная частота коэффициента передачи тока транзистора должна в 5 раз превышать рабочую частоту

Выбираем транзисторы  КТ818В и КТ819В с  до 25 Вт ,  = 25 В,

= 3 МГц,     = 3А.

Напряжение источника питания с учетом максимального КПД для двухтактной схемы, работающей в режиме В

где    - напряжение насыщения коллектор – эмиттер, для КТ819В (КТ818В)  равное 0,6 В.

Выбираем по входной характеристике для  КТ818В  и  КТ819В

IБ0 = 5 мА,   UБЭ0 = 0,8 В

Определим параметры элементов смещения транзисторов VТ1 и VТ2 – R1, R2, VD1, VD2- для выбранных значений IБ0 и UБЭ0 .

Выберем в качестве VD1 и VD2 кремниевые диоды КД510А. Из ВАХ диода следует, что для обеспечения напряжения на нем UБЭ0 = 0,8 В ток через диод должен быть  12 мА. При этом выполняется условие Iд = (2-3)IБ0 .

Найдем теперь сопротивления R1 и R2 по формуле

 

Выбираем по ГОСТу резисторы с номиналами 1 кОм.

Определим глубину обратной связи в данном каскаде. Для этого воспользуемся расчетной формулой   , где   - усредненная крутизна характеристики транзистора.

Итак, глубина обратной связи

Входное сопротивление каскада , где  - усредненная входная проводимость транзистора, определяемая по его входной характеристике; - сопротивление делителя переменному току.

Коэффициент усиления оконечного каскада по напряжению

Необходимое для обеспечения требуемой мощности напряжение на входе оконечного усилителя равно:

.

Соответственно, входной ток усилителя мощности равен .

Емкости разделительных конденсаторов найдем из условия обеспечения заданных частотных искажений на нижней граничной частоте. На усилитель мощности приходится 3 дБ частотных искажений. Допустим, что частотные искажения распределяются между входной и выходной цепью усилителя по 1,5 дБ, или М = 0,7.

В соответствии с ГОСТом выбираем значение

Здесь ,      

- выходная проводимость предварительного усилителя.

Выбираем по ГОСТу ближайшее, большее значение

Оценим нелинейные искажения по второй гармонике выходного напряжения. Так как пара транзисторов КТ818В и КТ819В является специально разработанной комплиментарной парой, то для нее можно принять коэффициент асимметрии плеч равным 0,2.Тогда коэффициент гармоник без учета ООС будет  

С учетом действия ООС коэффициент гармоник будет равен , что не превышает заданного по ТЗ уровня.

 

Расчет АЧХ

                    на верхних частотах

На нижних частотах

                

3. РАСЧЕТ  ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО  УСИЛИТЕЛЯ  

В качестве усилительного элемента принимаем интегральный усилитель с усилением тока на выходе. Выберем  ОУ  К140УД7  с параметрами  Uп = 15 В,         КУ = 30 000,    f1 = 800 кГц. Принципиальная электрическая схема предварительного усилителя приведена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1 Принципиальная электрическая схема предварительного усилителя.

Выбираем сопротивление R1 равным  10 кОм, т. е. значительно большим, чем сопротивление источника сигнала, для обеспечения полной передачи напряжения сигнала на вход усилителя. Для обеспечения на выходе усилителя амплитуды сигнала, необходимой для работы выходного каскада, т. е. 7,5 В, как было показано ранее, коэффициент усиления предварительного усилителя должен быть

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по напряжению усилителя мощности равен:

КУМ = 0,94

Коэффициент усиления по напряжению темброблока примем равным  1.

Тогда коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя равен

Как известно, для подобного усилителя коэффициент передачи вычисляется по формуле . Отсюда найдем R2:

Выбираем по ГОСТу R2 равным 1 МОм.

Ранее выбрано для УМ  Мн  <  0,7

Коэффициент частотных искажений равен

      

откуда

 

4.  Расчет   регулятора  тембра

Рассчитываем темброблок, схема которого приведена на  рис. 4.

                                                                             

Рис. 4. Схема регулятора тембров

С делителя напряжения, образованного резисторами R2 и R7  через резистор  R5, сигнал  поступает  на вход ОУ  DA1. В среднем положении движка резистора R4 коэффициент передачи K=1, в крайних положениях R4  коэффициент передачи уменьшается или увеличивается  соответственно:

С увеличением частоты емкостное сопротивление C2 уменьшается и шунтирует резистор R4. На средних частотах коэффициент передачи не зависит от положения движка резистора R4  и определяется соотношением: R7/R2. При дальнейшем увеличении частоты входного сигнала емкостное сопротивление C2 становится меньше сопротивления переменного резистора R4 и на вход ОУ поступает сигнал с его движка. При крайних положениях  R4 усиление на высоких  частотах уменьшается или увеличивается  соответственно:

Для получения линейной АЧХ при средних положениях движков резисторов R4 и R6 необходимо, чтобы  сопротивления R2 и R3 были соответственно равны:

R2 = R7 ,  R3 = R8.

  Частотный диапазон  fН = 10 Гц ;        fВ =  20000 Гц.

Для регулирования тембра используем переменные резисторы R4, R6 с номинальным сопротивлением 22 кОм. Из условия   R5 > 2R4 = 44 кОм

Выберем ближайшее значение по ГОСТу   R5 = 47 кОм

Сопротивления  резисторов  R3 и  R8 рассчитываем по формуле:

Выберем ближайшее значение по ГОСТу  R3  = R8 = 2 кОм

Для регулировки громкости необходимо применить переменный резистор с изменением сопротивления по логарифмическому  закону. Выберем резистор по ГОСТу СП3-17В  22 кОм.

Определим величины конденсаторов С1, С2 и С3

, выберем С2 = 0,12 мкФ

, выберем С3 = 2700 пФ

, выберем   С1 = 11 мкФ

Полная принципиальная электрическая схема усилителя приведена в приложении.

4.ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ БЛОКА ПИТАНИЯ

Так как данному усилителю необходимо питание 20 В и 15 В для питания интегральных микросхем, то в качестве сетевого блока  питания можно предложить схему изображённую на рисунке.

Рис. 5. Блок питания

В качестве диодов VD1-VD4 и VD5-VD8 я использовал диодные сборки типа КД906. Конденсаторы С1 и С2 типа К50-16 номиналом . Трансформатор Т1 можно использовать как самодельный, так и промышленного производства.


Заключение

В данной работе был произведен расчет усилителя мощности звуковой частоты, соответствующего техническому заданию. Рассчитаны усилитель мощности и предварительный усилитель, а также активный темброблок и схема регулировки громкости. Выбран и обоснован блок питания. Но данный усилитель не является высококачественным и не может использоваться в студийной звукозаписи.


ЛИТЕРАТУРА

  1.  Терпугов Н. В. “Проектирование усилительных устройств” М.Высшая школа, 1982-190с
  2.  Мамонкин Н. Г. “Усилительные устройства” М. Радио и связь
  3.  Остапенко Г. С. “Усилительные устройства”  М. 1989
  4.  Варакин Л. Е. “Бестрансформаторные усилители мощности”



                             Приложение

Выходная характеристика.(КТ818В)

  Входная характеристика                        Сквозная характеристика       

Поз.

Обозначе-

ние

Наименование

Кол

Прим.

транзисторы

VT1

КТ818В

2

VT2

КТ819В

1

Диоды

1

VD1,VD2

КД510A

2

Конденсаторы

С1

К10-75-11 мкФ10 %

1

С2

К10-43 – 0.12 мкФ10%

1

С3

К10-47 – 2700 пФ10%

1

С4

К10-17 – 2.2 мкФ10%

1

С5

К10-80 – 44 мкФ10%

1

С6

К10-60 – 1 мкФ10%

1

2

ОУ

DA2

K140УД7

1

DA1

К553УД2

1

Резисторы

1

R2=R7

МЛТ-0.25-0.95 кОм 5%

2

R3=R8

МЛТ-0.125-2 кОм  5%

2

R4=R6

СПЗ-17В-22 кОм  5%

2

R1

СПЗ-17В-22 кОм 5%

1

R5

МЛТ-0.125-47 кОм 5%

1

R11=R12

МЛТ-0.125-1 кОм 5%

2

Rn

МЛТ-0.125-8 Ом 5%

1

Изм.

Лист

№   документа

Подп.

Дата

Перечень элементов

Лит.

Л

Л

Разработал

Гаврюков Д.С.  

Проверила

 Шибаева Е.М.

Р – 29


РГ

РТ

ПУ

УМ

БП

EMBED Visio.Drawing.6

EMBED Рисунок

мкФ

EMBED Visio.Drawing.11  

C

p

1

2

=


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37482. Философия. Учебное пособие 3.03 MB
  Учебнике рассматриваются предмет и метод философской науки, философия как мировоззренческая система, прослеживается эволюция ее основных течений. Важное место отводится человеку в системе философского знания. Особое внимание уделяется проблемам общества и культуры как объектам философского анализа, а также основополагающим ценностям жизни людей.
37483. Философия: Энциклопедический словарь 3.92 MB
  В Словаре включающем более 1500 статей рассматриваются понятия и проблемы современной философии ее главные направления и основные разделы. Большое число статей посвящено истории философии и философам оказавшим существенное влияние на развитие философии и всей общественной мысли. Особое место занимают материалы об отечественной философии и ее наиболее видных представителях. Введены также статьи показывающие взаимосвязь философии с такими науками как социология политология история лингвистика экономическая наука.
37484. Философы XX века 1.64 MB
  В разряд таких фактов прерывающих сплошную причинноследственную зависи мость попадают прежде всего явления самопроизволь ности о которых Бергсон и говорит как о специфичес ком признаке живого в целом и человека в особеннос ти. есть изобретение или оно ничто ^ Определяя время как ткань реальности Бергсон имеет в виду прежде всего внутренний субъективный опыт человека. У Бергсо на речь идет еще о бытийной основе и мира в целом и человека. Но в отличие от научной гипотезы яв ляющейся по мысли Бергсона определенной мыслитель...
37485. ФИЛОСОФИЯ. Учебник для вузов 4.35 MB
  Учебник написан авторами, которые известны и как крупные ученые, и как педагоги, обладающие большим опытом преподавания в вузах. Фундаментальные вопросы философии рассматриваются в нем с позиций плюрализма, многообразия их интерпретации и обоснования. Структура учебника максимально приближена к курсу философии, читаемому в большинстве вузов
37486. Философия А.Г. Спиркин 1.73 MB
  Для человека как разумного существа бесконечно важнее любой специальной научной теории представляется решение вопросов о Том что же такое наш мир в целом какова его основа имеет ли он какойлибо смысл и разумную цель имеют ли какуюлибо цену наша жизнь и наши деяния какова природа добра и зла и т. Она не занимается простым сложением всех научных знаний это была бы никому не нужная затея а интегрирует эти знания беря их в самом общем виде и опираясь на этот интеграл строит систему знания о мире как целом об отношении человека...
37487. Философия Фихте и Шеллинга 42.5 KB
  Наукоучение мыслится Фихте как дедуктивная система базирующаяся на одной основной и двух вспомогательных самоочевидных аксиомах или основоположениях. Эта новаторская особенность методологии Фихте позволяет видеть в его философии некий круг главным предметом истолкования в котором оказывается Я причем как человеческое так и божественное. Фихте как бы пытается допустить возможность совмещения существования абсолютного Я с человеческим самосознанием.
37488. Мераб МАМАРДАШВИЛИ: Прежде - жить, философствовать - потом 111.5 KB
  Потому что они резонируют в нас по уже проложенным колеям воображения и мысли укладываясь во вполне определенное соприсутствие это а не иное соответствующих слов терминов сюжетов тем Следовательно пока нас не спрашивают мы знаем что такое философия. Я предлагаю тем самым ориентироваться на такую сторону нашей обычной жизни характеристика которой как раз и позволяла бы нам продвигаться в понимании и усвоении того что такое философия. Мудрость первая философия теология у Аристотеля выступают наименованием 1ауки о...
37489. Философия. Ответы на экзаменационные вопросы 736 KB
  Таким образом зарождение философии исторически обусловлено: накоплением в практической деятельности людей значительного опыта что формировало у них понимание определенной упорядоченности окружающего мира источником которой как они думали являются имеющиеся в природе некие независимых от человека силы; открытием в различных сферах человеческой деятельности зачатков научных знаний эмпирическое знание которые можно было проверить и которые как люди предполагали были связаны с этими глубинными силами; появлением в классовом...
37490. ФИЛОСОФИЯ И ЕЕ РОЛЬ В ОБЩЕСТВЕ 347 KB
  Основной вопрос философии – это соотношение человека и мира мышления и природы. Неосновные законы: взаимосвязь общего особенного и единичного взаимосвязь сущности и явления взаимосвязь формы и содержания взаимосвязь причины и следствия взаимосвязь необходимости и случайности взаимосвязь возможности и действительности Структура философии: онтология теория бытия гносеология теория познания теория развития социальная философия философия общества философская антропология философия человека методология теория...