Курсач. Курсовой проект необходимо спроектировать устройство усиления низких частот

• Название: Курсовой проект необходимо спроектировать устройство усиления низких частот
• Дата: 07.06.2021
• Размер: 0.69 Mb.
• Имя файла: Курсач.docx
• Тип: Курсовой проект; #215124

1 Анализ исходных данных и построение структурной схемы

Согласно заданию на курсовой проект необходимо спроектировать устройство усиления низких частот.

Исходные данные представлены в таблицу 1.
Таблица 1.1 – исходные данные на курсовой проект

Выходная мощность Pн, Вт

Сопротивле- ние нагрузки Rн, Ом

Коэффи циент гармоник Kг

Полоса усили- ваемых частот

Коэффи- циент частотных иска- жений

Источник сигнала (детектор приёмника или микрофон)

Напряже-ние пита- ния Uп, В

Fн, Гц

Fв, кГц

Mн, дБ

Mв, дБ

Eс, В

Rс, кОм

0,5

6

≤1,5

50

12

3

6

0,02

27

15

Согласно техническому заданию необходимо разработать структурную схему усилителя низких частот с учётом проведённого анализа технического задания.

Структурная схема определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязь. Отдельные узлы или части устройства обозначаются прямоугольниками, а связи между ними показываются линиями, стрелки на которых указывают направление прохождения сигналов.

Структурная схема разрабатывается на начальных стадиях проектирования и предшествует разработке схем других типов. Схема отображает принцип действия изделия в самом общем виде.

Для определения минимального числа каскадов определим выходную мощность сигнала:

(2.1)

Где – входная мощность сигнала, Вт;

– напряжение источника сигнала, В;

– сопротивление источника сигнала, Ом.

(Вт)
Найдём коэффициент усиления по мощности УНЧ:

(2.4)

Где – коэффициент усиления по мощности, Дб.
(Дб)
Определим минимальное необходимое число каскадов усилителя, для этого зададимся примерным коэффициентом усиления n_i на каждый каскад равным 25 Дб, поэтому:

(2.5)

Где – количество необходимых каскадов в схеме;

– коэффициент усиления на каскад, Дб.

Исходя из выше проделанных расчётов и проведённого анализа технического задания, составим схему электрическую принципиальную.

Рисунок 2.1 – Структурная схема устройства УНЧ
Структурная схема устройства содержит шесть основных блоков:

а) источник входного сигнала – устройство сигнал которого усиливается;

б) предварительный разделительный фильтр – используется в схеме для фильтрации имеющейся постоянной составляющей входного сигнала;

в) предварительный усилительный каскад – часть схемы, предназначенная для усиления входного сигнала по напряжению;

г) регулятор выходной мощности – необходим для возможности регулировки громкости выходного сигнала;

д) регулятор тембра– предназначен для регулировки тембра выходного сигнала;

е) оконечный разделительный фильтр - используется в схеме для фильтрации имеющейся постоянной составляющей входного сигнала;

ж) оконечный усилительный каскад – часть схемы, предназначенная для усиления выходного сигнала по току;

з) нагрузка – устройство, преобразующее выходной сигнал в акустический.

2 Разработка и расчёт схемы электрической принципиальной

Согласно техническому заданию разработаем принципиальную схему усилителя низких частот с учётом составленной ранее структурной схемы.

Принципиальная схема — графическое изображение (модель), служащее для передачи с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений (пиктограмм) связей между элементами электрического устройства.

Разработку принципиальной схемы начнём со стороны нагрузки, то есть, справа налево.
2.1 Разработка и расчёт схемы оконечного каскада усилителя
Перед тем как составить принципиальную схему оконечного каскада УНЧ, определим его выходное амплитудное напряжение, выходной амплитудный ток:

Максимальное амплитудное напряжение на выходе усилителя:

(3.1)

Где – максимальное выходное амплитудное напряжение, В;

– сопротивление нагрузки, Ом;

– мощность потребляемая нагрузкой, Вт.

Максимальный амплитудный ток на выходе усилителя:

(3.2)

Где – максимальный выходный амплитудный ток, А;
(A)

Разработанный оконечный каскад принципиальной схемы усилителя представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Оконечный каскад УНЧ
Схема оконечного каскада работает следующим образом: на вход транзисторов VT₁, включённого по схеме с общим коллектором, подаётся сигнал с предоконечного усилительного каскада, который в свою очередь повышается на уровень открытия базы транзистора с помощью делителей напряжения R₁-R₂; усиленный по току, а соответственно и по мощности, сигнал поступает в нагрузку; диоды VD₁-VD₂ служат для защиты транзисторов от возможного пробоя.

Для выбора транзистора VT₁ произведём расчёт его минимальных передельно допустимых параметров с учётом некоторого запаса.

(3.3)

Где P_к.макс – максимальная рассеиваемая мощность коллекторного перехода транзистора, Вт.
(Вт)

(3.4)

Где I_к.макс – максимальный амплитудный ток коллектора, А;

I_Н.макс – максимальный амплитудный ток нагрузки, А.

(3.5)

(А)

(3.6)

Где f_гр – граничная частота работы транзистора, Гц;

f_г.у. – граничная частота входного сигнала, Гц.
(кГц)
Исходя из проведённых расчётов в схему оконечного каскада на место транзистора VT₁ подходит BS882 имеющий характеристики представленные в таблице 3.1. Данный транзистор используются в схеме для усиления по току и включен в цепь схемой с общим коллектором.
Таблица 3.1 – предельно допустимые характеристики транзисторов

Наименование	тип	Uкб max,В	Uкэо, В	Iкmax, А	Pкmax, Вт	h21э	Iкбо, мкА	fгр., МГц
BCX55	n-p-n	60	60	1	1	6000	20	15

Исходя из проделанных ранее расчётов максимальных амплитуд выходного сигнала определим рабочую точку усилительного каскада, работающего в классе А и построенного на транзисторе BS882:
Определим угол наклона α нагрузочной прямой по постоянному току:

(3.7)

Где Mu – масштаб напряжений, В/дел;

Mi – масштаб токов, А/дел;

- сопротивление нагрузки по постоянному току, Ом.
(⁰)
Определим угол наклона β нагрузочной прямой по переменному току:

(3.8)

Где - сопротивление нагрузки по переменному току, Ом.
(⁰)

Рисунок 3.2 – определение рабочей точки транзистора VT₁
Из полученной рабочей точки определим токи покоя базы I_б0 и коллектора I_к0, а так же напряжение покоя коллектор-эмиттер U_кэ0 и база-эмиттер U_бэ0:







Определим максимальное изменение амплитудных значений базового тока , коллекторного тока , напряжения коллектор-эмиттер , напряжения база-эмиттер :







Рассчитаем h-параметры транзистора, однако, так как статические характеристики измеряются только на постоянном токе, то при определении амплитудных значений представим их в виде приращения постоянных составляющих:







Где – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе, Ом;

– коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи;

– коэффициент передачи по току при коротком замыкании на выходе;

– выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи, С.
Рассчитаем входное сопротивление R_вх транзистора без обратной связи:

(3.9)

Найдём глубину обратной связи плеча каскада при максимальных амплитудах входного сигнала:

(3.10)

Рассчитаем входное сопротивление транзистора при максимальных амплитудных значениях входного сигнала и наличии обратной отрицательной связи:

(3.11)

С учётом изменения напряжения база-эмиттер проведём расчёт необходимого напряжения усиливаемого сигнала для обеспечения необходимой выходной мощности:

(3.12)

Где – входное напряжение сигнала, В;

Проведём расчёт делителей напряжения R₁-R₂ и R₃-R₄ для обеспечения заданного напряжения смещения U_бэ0 и тока покоя базы I_б0:

Рисунок 3.3 – делитель напряжения

(3.13)

Где – необходимый ток делителя напряжения для обеспечения заданного напряжения , А.
Для обеспечения работоспособности схемы зададимся током делителя напряжения (в 5-8 раз больше тока покоя базы ) в 0,8 мА, тогда выразим :

(3.14)

(Ом)
Из ряда 24 для резисторов определяем нормированное значение сопротивления резистора Ом.

Найдём сопротивление резистора :

(3.15)

Где U_пит – напряжение питания схемы, В.
При расчёте сопротивления отразим то, что часть тока делителя будет попадать на базу транзистора, чтобы обеспечить его рабочую точку:
(кОм)
Из ряда 24 для резисторов определяем нормированное значение сопротивления резистора кОм.

Рассчитаем коэффициент полезного действия усилительного каскада:

(3.16)

Где – амплитуда изменения тока на коллекторе транзистора, А.
(%)

Определим коэффициент частотных искажений транзистора на верней частоте:

(3.17)

Где – максимальная частота работы усилителя, Гц;

– граничная частота транзистора, Гц.

Для защиты транзистора от возможного пробоя подойдут диоды 1N4007.
Проведём расчёт нелинейных искажений методом 5 ординат, для этого составим таблицу для построения сквозной характеристики:

Выбираем ;
Таблица 3.1 – Данные для построения сквозной характеристики

мкА	, мА	, В	, В	, В
30	190	0,68	0,18	0,86
75	470	0,72	0,45	1,17
125	800	0,75	0,75	1,50
170	1100	0,78	1,02	1,80

Рисунок 3.4 – сквозная характеристика
(А)

(А)

(А)
Рассчитываем значения тока результирующей сквозной характеристики с учетом асимметрии плеч:

	(3.18)
	(3.19)
	(3.20)
	(3.21)
	(3.22)

Где b – коэффициент асимметрии (0,1 - 0,25) в зависимости от схемы включения транзисторов.
Пример коэффициент асимметрии плеч транзистора равным b = 0,1:
(А)

(А)

(А)

(А)

=--0,99 (А)
Рассчитаем амплитуды гармоник тока:

	(3.23)
I2m=(Imax + Imin - 2Io)/4	(3.24)
I3m=[Imax - Imin - 2(I1 - I2)]/6	(3.25)
I4m = [Imax + Imin - 4(I1 + I2) + 6Io]/12	(3.26)

(А)






Рассчитаем коэффициент гармоник каскада К_Г:

(3.27)

Расчётный коэффициент гармоник , из чего следует, что нет необходимости для введения отрицательной связи.
3.2 Разработка схемы регулировки тембра выходного сигнала
Регулировка тембра в усилителе звуковых частоты будет основана на работе полосового фильтра, в котором осуществляться изменение частоты пропускания сигнала.

Активные регуляторы тембра строятся преимущественно строятся на операционных усилителях по инвертирующей схеме. Достоинства данной схемы состоят в следующем:

- в нейтральном положении регулятора затухание равно 0 дБ, коэффициент усиления равен 1, благодаря чему нелинейные искажения и шум снижаются;

- низкоомный выход;

- возможность применения потенциометра с линейной характеристикой регулирования;

- симметричность областей подъёма и спада частотной характеристики.

Схема регулирования тембра выходного сигнала представлена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.6 – схема регулирования тембра выходного сигнала
Регулятор тембра разделён на два плеча; верхнее отвечает за регулировку полосы пропускания в области нижних частот, нижнее плечо – верхние частоты.

Произведём расчёт элементов регулятора тембра:

	(3.28)
	(3.29)
	(3.30)

Где –частота подъёма регулировки в области нижних частот, Гц;

– частота спада регулировки в области нижних частот, Гц;

– максимальные пределы регулирования;

– сопротивление резистора, Ом;

– сопротивление резистора, Ом;

– ёмкость конденсатора, Ф.
Зададимся значениями конденсатора , частотами нижних частот:


;

;
:

Определим максимальные пределы регулирования таким образом, чтобы :
При
(кОм).
Рассчитаем частоту подъёма на нижних частотах:
– что удовлетворяет нашему условию.

	(3.31)
	(3.32)
	(3.33)

Где –частота подъёма регулировки в области нижних частот, Гц;

– частота спада регулировки в области нижних частот, Гц;

– максимальные пределы регулирования;

– сопротивление резистора, Ом;

– сопротивление резистора, Ом;

– ёмкость конденсатора, Ф.
Зададимся значениями частот верхних частот, максимальным пределом регулирования :
;

;;


В случае когда максимальные пределы регулирования тембра не превышают 20 дБ ( ), расчёт можно проводить по следующим формулам:

	(3.39)
	(3.40)
	(3.41)
	(3.42)

Таким образом:
(кОм);

(кОм);

(мФ);

(кОм)
Для работы схемы регулировки тембра выходного сигнала подходит операционный усилитель IL358.

Технические характеристики:
Таблица 3.2 – предельные эксплуатационные режимы работы

Таблица 3.3 – электропараметры


окончание таблицы 3.3

3.3 Расчёт входного усилительного каскада
Принципиальная схема входного усилительного каскада представлена на рисунке 3.7


Рисунок 3.7 – принципиальная схема входного усилительного каскада
Данный усилительный каскад построен по схеме инвертирующего усилителя на операционном усилителе DA1.
Рассчитаем необходимы коэффициент усиления K_u данного каскада:

(3.43)

Известно, что коэффициент усиления данного каскада зависит от сопротивления резисторов R1-R2:

(3.44)

Зададимся сопротивлением резистора R₂ равным 200 кОм, тогда R₁:
(кОм)
Для работы схемы входного усилительного каскада подходит операционный усилитель IL358.
3.4 Расчёт емкостей разделительных конденсаторов
Для расчёта разделительных конденсаторов приведём схему усилителя мощности низкой частота:

Рисунок 3.8 – принципиальная схема проектируемого УМНЧ
В схеме разделительными конденсаторами являются С₁, С₅. Осуществим их расчёт основываясь на максимально допустимом коэффициенте низкочастотных искажений М_н=3 дБ. Так как разделительных конденсатора в схеме три, то разделим коэффициент низкочастотных искажений между ними:
М_н1= М_н2=М_н3=3/2=1,5 (дБ).
Рассчитаем ёмкости конденсаторов:

(3.45)

(Ф)

(Ф)
Произведём подбор конденсаторов по ряду Е24:
(нФ)

(нФ)

3.5 Расчёт рассеиваемой мощности резисторами
У резистора есть довольно важный параметр, который целиком и полностью влияет на надёжность его работы. Этот параметр называется мощностью рассеивания.

Рассеиваемая мощность резистором рассчитывается по следующей формуле:
P = R * I² (3.45)
Рассчитаем номинальную рассеиваемую мощность для резистора R11:
P₁₁ = 910 * (8 * 10^-4)² = 5,824 * 10^-4 (Вт)
Из ряда паспортных значений выбираем резистор с максимальной рассеиваемой мощностью в 0,125 Вт. Проведём аналогичный расчёт и для других резисторов, занесём его в таблицу 3.4

Резистор	Сопротивление (кОм)	Протекаемый ток (мА)	Рассчитанная Рассеиваемая мощность (Вт)	Стандартизированная рассеиваемая мощность (Вт)
R1	10	0,4	0,0016	0,125
R2	1	4	0,016	0,125
R3	10	0,78	0,006084	0,125
R4	3,3	2,4	0,019008	0,125
R5	100	0,08	0,00064	0,125
R6	10	0,78	0,006084	0,125
R7	500	0,02	0,0002	0,125
R8	500	0,02	0,0002	0,125
R9	500	0,02	0,0002	0,125
R10	18	0,8	0,01152	0,125
R11	0,91	0,6	0,000328	0,125

3. Вывод

Данная курсовая работа представляет собой полный расчет усилителя мощности звуковой частоты.

В ходе работы осуществлен полный электрический расчет усилителя, а также разработан конструктивный чертеж устройства.

В схеме оконечного каскада для задания рабочего напряжения исполь­зуются делитель напряжения, диоды в прямом включении, комплементарные транзисторы. Для уменьшения нелинейных искажений ввели отрицательную обратную связь.

Спроектированный усилитель полностью удовлетворяет требованию технического задания.

4. Список литературы.

1. М.Е. Капралов Аналоговые электронные устройства. Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов специальности 1-36 04 02 «Промышленная электроника».

2. А.С. Красько. Аналоговые электронные устройства. Методическое указание к курсовому проектированию.

3. А.С. Красько. Схемотехника аналоговых электронных устройств.

4. Г.В. Войшвилло. Усилительные устройства.

5. В.Н. Ногин. Аналоговые электронные устройства.

6. А.В. Бердников, М.В. Семко. Проектирование и расчет мощности низкой частоты.

7. В.И. Галкин, А.Л. Булычев, П.М. Лямин. Полупроводниковые приборы. Транзисторы.