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

7003. Типология управления и выбор альтернатив 223.5 KB
  Типология управления и выбор альтернатив Настоящая тема даст ответы на следующие вопросы и поможет осваивающим менеджмент изучить типологию управления: роль типологии управления в освоении менеджмента типологический анализ менеджмента ...
7004. Стратегия в менеджменте 269 KB
  Стратегия в менеджменте В этой теме осваивающие менеджмент и интересующиеся проблемами развития фирмы могут получить ответы на следующие вопросы: понятие стратегии понятие тактики основные признаки стратегического менеджмента...
7005. Документация и делопроизводство в системе управления 224.5 KB
  Документация и делопроизводство в системе управления В настоящей теме осваивающие профессию менеджера и заинтересованные читатели получат ответы на следующие вопросы: понятийный аппарат документа обозначение реквизитов в документах требования к бл...
7006. Управление персоналом. Персонал организации и его характеристика 417.5 KB
  Управление персоналом В этой теме осваивающие менеджмент и интересующиеся проблемами управления получат ответы на следующие вопросы: характеристика персонала организации основные параметры персонала оценка эффективности использов...
7007. Результативность управления 85.5 KB
  Результативность управления Результативность управления. Качество управления. Эффективность управления. I. Для того, чтобы быть успешной организацией в течении долгого времени, чтобы выжить и достичь своих целей, организация должна быть как эффектив...
7008. Тесты по экологии с ответами 134 KB
  1. Когда был принят закон Республики Узбекистан об охране природы? а) 10 декабря 1991 г б) 8 декабря 1994 г в) 9 ноября 1993 г г) 9 декабря 1992 г. д) 12 декабря 1993 г. 2. Когда отмечается Международный день охраны окружающей среды? а) ...
7009. Исследование электрического поля между двумя электродами в полупроводящей среде 962.5 KB
  Цель: Исследовать влияние формы электродов на картину поля, при изменении характеристик среды. Расчет электрических полей с помощью ЭВМ Для расчета электрических полей используем программу ElectField. В данной программе можно использовать электроды...
7010. Определение пробивного напряжения воздушного промежутка 106.5 KB
  Тема: Определение пробивного напряжения воздушного промежутка. Цель: Получить статистические характеристики электрической прочности воздуха. Рисунок 1. Принципиальная схема. Автомат АП 2. ЛАТР Т1 3. Выпрямительный мост 4. Преобразователи высок...
7011. Определение качества кабельной изоляции по токам абсорбции 42 KB
  Тема: Определение качества кабельной изоляции по токам абсорбции Цель: Изучение приборов и методов измерения сопротивления изоляции электрооборудования выработка навыков использования приборов и методов измерений. Рисунок 1. Упрощенная схема мегомм...