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

9 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

69159. НАГРУЗКИ САМОЛЕТА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ МАНЕВРОВ 884 KB
  В полете на самолет действуют: рис.1: тяга двигателя Р; аэродинамические силы подъемная сила Y и лобовое сопротивление Q; сила тяжести G. Эти силы показаны для самолета рассматриваемого в виде материальной точки. В общем случае силы действующие на самолет не находятся в равновесии.
69160. НАГРУЗКИ САМОЛЕТА ПРИ ПОЛЕТЕ В НЕСПОКОЙНОМ ВОЗДУХЕ 2.03 MB
  Турбулентность атмосферы Перегрузки от действия неспокойного воздуха возникают при движении воздуха направление которого не совпадает с направлением полета самолета или при турбулентных пульсациях воздуха. На высотах которые больше 1000 м эти потоки затухают и полет...
69161. НОРМЫ ПРОЧНОСТИ САМОЛЕТОВ. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СЛУЧАИ НАГРУЖЕНИЯ САМОЛЕТА 729 KB
  В странах СНГ в настоящее время эксплуатируется большое количество самолетов, которые проектировались и изготавливались в соответствии с Едиными Нормами летной годности гражданских самолетов (ЕНЛГС). Они действовали до распада СССР.
69162. НАЗНАЧЕНИЕ КРЫЛА И ТРЕБОВАНИЯ К НЕМУ 1.53 MB
  Крыло — несущая поверхность самолета, которая служит для создания аэродинамической подъемной силы, необходимой для обеспечения полета и маневров самолета на всех режимах, предусмотренных ТТТ. Крыло принимает участие в обеспечении поперечной устойчивости и управляемости...
69163. Внешние нагрузки на крыло самолета и их распределение 1.13 MB
  На крыло самолета действуют следующие нагрузки: распределенные аэродинамические силы qаэр; распределенные массовые силы конструкции крыла qкр; сосредоточенные силы от грузов агрегатов находящиеся внутри или вне крыла gгр.
69164. Построение эпюр поперечных сил Q, изгибающих М и крутящих моментов Мz в сечениях крыла 696.5 KB
  Построение эпюр поперечных сил Q изгибающих М И крутящих моментов Мz В СЕЧЕНИЯХ КРЫЛА 8. Уравновешиваются эти нагрузки опорными реакциями rф крыла на фюзеляже рис. Площадь каждой iой трапеции численно равна приращению поперечной силы...
69166. Механизмы инвестирования и реинвестирования. Оценка бизнеса 97 KB
  По формам собственности инвестиции подразделяются: частные средства граждан предприятий негосударственной формы собственности неправительственных организаций; государственные финансируемые за счет бюджетных средств различных уровней государственными предприятиями...
69167. Системы налогообложения 114.5 KB
  Налоги оплата услуг государства за обеспечение гражданских прав и свобод граждан страны. Объект налогообложения событие вещь явление существование которых предполагает уплату соответствующего налога например наличие квартиры или наличие прав на земельный...