43449

УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ ЧАСТОТЫ

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

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 20 Гц до 20 кГц, то такой усилитель не предполагается использовать для высококачественного усиления стереофонического сигнала.

Русский

2013-11-05

380 KB

14 чел.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра РПРУ и ТВ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту:

“УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ЗВУКОВОЙ

ЧАСТОТЫ”

Выполнил:        студент группы Р-42         

                              Ледовской С.В.

Проверил:                                                                 к.т.н доцент

                                                                                  Троилин В.Н.

                                                Таганрог 2004

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 ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ          13

5. РАСЧЕТ РЕГУЛЯТОРА ТЕМБРА            14

6. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ БЛОКА ПИТАНИЯ                   17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                18

ЛИТЕРАТУРА                19

ПРИЛОЖЕНИЕ                         20


ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время технические возможности передачи, записи и воспроизведения звука достигли такого совершенства, что позволяет осуществлять воспроизведение сигналов звуковых частот от 20 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: 20 - 20000

Номинальное напряжение входного сигнала, мВ: 100

Номинальное сопротивление источника сигнала, Ом: 600

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 20 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

где – максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора.

Определим максимальное значение коллекторного тока транзистора:

 

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

Выбираем транзисторы  КТ816А и КТ817А с  до 25 Вт (с использованием теплоотвода),  = 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 КТ816А (КТ817А)  равное 0,6 В.

Напряжение на выходе оконечного каскада при максимальной выходной мощности

Используя выходные характеристики транзистора КТ816А  (см. приложение), проводим нагрузочную прямую через точки UКЭ = ЕП  / 2 =10В  и  А

Выбираем по входной характеристике для  КТ816А  и  КТ817А

IБ0 = 0,1 мА,   UБЭ0 = 0,6 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 КД512А. Из ВАХ диода следует, что для обеспечения напряжения на нем UБЭ0 = 0,6 В ток через диод должен быть  0,25 мА. При этом выполняется условие Iд = (2-3)IБ0 .

Найдем теперь сопротивления R1 и R2 по формуле

 

Выбираем по ГОСТу резисторы с номиналами 20 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 ,   - выходное сопротивление предварительного усилителя.

Выбираем по ГОСТу ближайшее, большее значение

Оценим нелинейные искажения по второй гармонике выходного напряжения. Так как пара транзисторов КТ816А и КТ817А 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.

 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 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

Выберем по ГОСТу

4.  Расчет   регуляторов  тембра

Рассчитываем темброблок, построенный на основе операционного усилителя, схема которого приведена на  рис. 4.1.

                                                                             

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 = 20 Гц ;        fВ =  20000 Гц.

Диапазон регулирования тембра принимаем равным  ± 18 дб, что соответствует

Взаимное  влияние  регуляторов тембра практически отсутствует, так как

.

В качестве активного элемента выберем ОУ типа К553УД2. Для регулирования тембра используем переменные резисторы R4, R6 группы А, с номинальным сопротивлением 22 кОм. Из условия   R5 > 2R4 = 44 кОм

Выберем ближайшее значение по ГОСТу   R5 = 47 кОм

Сопротивления  резисторов R1, R3 и R6, R8 рассчитываем по формуле:

Выберем ближайшее значение по ГОСТу  R1 = R3 = R6 = 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 = 0,5 мкФ

Полная принципиальная электрическая схема усилителя приведена в приложении. В ней применена сквозная нумерация элементов. Конденсатор С6 в цепи питания имеет емкость 510 мкФ и служит для развязки источника питания по переменному току.

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”
  5.  Терещук Р. М. “Справочник радиолюбителя”  Киев 1988


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23150. Філософічність лірики Олега Ольжича 25 KB
  Така медитативність лірики Ольжича має приховану мету і символічний зміст. Стояти недбало на краю блакитної чаші безодні ризикуючи своїм життям це для Ольжича найбільша насолода найп'янкіший водограй найзаповітніша мрія. Отже проаналізувавши кілька віршів Ольжича ми виділили в них ряд надзвичайно важливих філософських проблем замислитись над якими має і сучасна людина.
23151. Художнє осмислення загальнолюдських цінностей у твоpчості Ліни Костенко 28 KB
  Ліна Костенко витвоpила духовний зpіз укpаїнської істоpії явила людстви складну щедpу на добpо і спpаглу до щастя і волі укpаїнську душу. Hеоціненним скаpбом людяності сили духу й добpоти сповнені поезії Ліни Костенко: Hе забувайте незабутнє І незнецінюйте коштовне Hе губіться у юpбі. Ліна Костенко багато pозміpковує над тим що ж лишає по собі людина.
23152. Шістдесятництво як явище 168.13 KB
  Зустрічі на яких громили шістдесятників відбулися у Києві Львові Харкові й Дніпропетровську. Влада не сиділа склавши руки: крім звільнень з роботи звільнили Василя Стуса Михайлину Коцюбинську Вячеслава Чорновола організовувалися мітинги робітників і колгоспників які засуджували дії шістдесятників. 28 листопада 1970 року за таємничих обставин була вбита одна з головних учасниць руху шістдесятників Алла Горська. Феномен молодості природний для кожного нового покоління у шістдесятників щасливо поєднався із зустрічною потребою...
23153. Життя і творчий шлях Юрія Клена 66.5 KB
  Вже в 20ті роки розкрилися ті особливості його манери письма які зближували Юрія Клена з неокласиками: досконале володіння мистецькою формою своєрідний панестетизм. 1943 року з'являється в світ збірка поезій Юрія Клена Каравели в якій автор спробував синтезувати творчі принципи київських неокласиків та ідейнохудожні шукання поетів празької школи. Вершинними здобутками Юрія Кленапоета є поеми Прокляті роки 1937 та Попіл імперій 1943 1947.
23154. Я хочу правді бути вічним другом і ворогом одвічним злу... творчість Василя Симоненка 27.5 KB
  Це очі Василя Симоненка поета якому судилося прожити усього 28 років але залишитися в пам'яті народній назавжди. Тому мабуть кожне наступне покоління буде вважати Василя Симоненка своїм однолітком і гортаючи сторінки знаходити в поезіях відгуки власних емоцій і почуттів. Найбільша любов поета це рідна земля Україна саме цій темі присвячена більшість творів Симоненка: Україно ти моя молитва ти моя розпука вікова.
23155. Ліна КОСТЕНКО БЕРЕСТЕЧКО 414 KB
  Кишить Вкраїна кишлами орди І Бог згортає чорними сувоями твоє терпіння виткане з біди НЕ ЖАЛІВ МЕНІ ХАН НІ ВИНА НІ КУМИСУ НІ МЕДУ. І розджохався хан усе причіпеньки шукав: Ти мене одурив проклятий ґяуре Я привів своє військо а ти мене ошукав Що ж ти хочеш козацький ти макогоне щоб у тих болотах мені жаба цицьки дала Ти ж казав що їх мало. Ти ж мені любий брат казав Гірей. Несу свій хрест на свої Голгочі А цар стромляє мені у спину Свої двойлезі каправі очі.
23156. В. Симоненко про історичну місію людини на землі («Ти знаєш, що ти - людина?») 24 KB
  Симоненко про історичну місію людини на землі Ти знаєш що ти людина В історії української літератури шістдесяті роки стали роками творчості письменників які віддали свій голос на захист простої людини. Вони намагалися пробити чиновницькобюрократичну стіну суспільства де людина була лише гвинтиком їхнього апарату а не творцем своєї долі своєї історії. Повага до людини зокрема до її гідності до права жити так як вона хоче в цьому філософська наснаженість і гуманістична спрямованість поезії Ти знаєш що ти людина Лад у...
23157. Головний герой поезій В. Симоненка 23.5 KB
  В його юнацькому серці завжди жили любов віра в людину в її творчі можливості. Такі вірші як Лебеді материнства Україні Земле рідна Україно п'ю твої зіниці вражають читачів великою синівською любов'ю поета до своєї Батьківщини непідробним почуттям патріота. Ліричний герой цих поезій наголошує що без любові до Батьківщини нема справжньої людини. У віршах Любов Вона прийшла Є в коханні і будні і свята розкрито інтимні почуття ліричного героя.