курсовик. Усилитель мощности звука прибор который усиливает электрические колебания, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот
 Скачать 3.34 Mb.
|
|
Введение Усилитель мощности звука — прибор который усиливает электрические колебания, соответствующих слышимому человеком звуковому диапазону частот. Значит усилители звука должны соответствовать требованию усиления в диапазоне от 20 до 20 000 Гц по частоте, а по уровню -3 дБ. Наилучшие усилители имеют диапазон 0-20 000 Гц, а у более простых диапазон частот меньше. УНЧ может быть выполнен в виде самостоятельного устройства имеющий одно-двух или четырехканальный сигнал усиления, или использоваться в составе более сложных устройств. Все усилители мощности звуковой частоты повышают уровень поступающих на них электрических сигналов до величины, обеспечивающей нормальную работу динамиков. Источники сигналов для усилителя могут быть разные: компакт-диски, микрофоны, MP3 плееры, компьютер, автомагнитола, видеокамера, в общем любое устройство воспроизводящее звук или музыку. Усилители мощности можно разделить на бытовые и профессиональные. Так как вместо большого количества элементов в наше время применяются микросхемы, благодаря которым размер блоков удалось уменьшить во много раз, автономные усилители мощности в отдельном корпусе (то есть бытовые усилители как отдельные изделия) сейчас случается увидеть весьма нечасто. В каждом музыкальном центре, домашнем кинотеатре и многих других устройствах есть усилители мощности, потому большинство людей не имеют потребности в отдельном их приобретении, но все равно не лишним будет рассмотреть бытовые усилители мощности, их виды и области применения. 1. Литературный обзор В настоящее время в мире существует много разных типов усилителей мощности. Они могут различаться как по своему назначению, так и по общей своей применимости в целом. В данной дипломной работе будет рассмотрено устройство «Высококачественный усилитель мощности»., Основные параметры усилителей мощности мощность. Этот параметр, который характеризует возможности усиления звука усилителей мощности при использовании его в той или иной ситуации. Чувствительность акустической системы, показывающая, какое звуковое давление в децибелах (дБ) на расстоянии в 1м будет создавать данная акустическая система при подведении к ней мощности в 1 Вт. Если акустическая система имеет более высокий уровень звукового давления, то она при меньшей подводимой от усилителя мощности сигнала позволит получить большую громкость звука по сравнению с акустической системой, имеющей меньший уровень чувствительности. Чтобы проиллюстрировать этот пункт, можно провести такой эксперимент: подключить к усилителю мощности вначале акустическую систему от обычного музыкального центра, имеющую чувствительность порядка 70-80 Дб, а потом пассивную акустическую систему, мощностью 200-300Вт и с чувствительностью порядка 90-100 Дб. Последняя будет иметь уровень громкости гораздо выше первой при одинаковом положении ручек громкости на усилителе. Следовательно громкость звука зависит не столько от мощности усилителя и акустических систем, а сколько от правильно подобранного комплекта “усилитель + акустические системы”. Это даст возможность используя меньше мощности получить большую громкость звука. 1.1 Описание схемы электрической структурной Устройство содержит входное устройство (ВХУ) для передачи сигнала от источника (Ист. С) ко входу первого каскада. Его применяют, когда непосредственное подключение источника сигнала ко входу усилителя невозможно или нецелесообразно. Обычно входное устройство выполняется в виде трансформатора или RC-цепочки, предотвращающих прохождение постоянной составляющей тока от источника к усилителю, или наоборот. Предварительный усилитель (Предв. У) состоит из одного или нескольких каскадов усиления. Он служит для усиления входного сигнала до величины, достаточной для работы усилителя мощности. Наиболее часто в качестве предварительных усилителей используют усилители напряжения на транзисторах. Усилитель мощности (УМ) служит для отдачи в нагрузку необходимой мощности сигнала. В зависимости от отдаваемой мощности он содержит один или несколько каскадов усиления. Выходное устройство (Вых. У) используется для передачи усиленного сигнала из выходной цепи усилителя мощности в нагрузку (Н). Оно применяется в тех случаях, когда непосредственное подключение нагрузки к усилителю мощности невозможно или нецелесообразно. Тогда роль выходного устройства могут выполнять разделительный конденсатор или трансформатор, не пропускающие постоянную составляющую тока с выхода усилителя в нагрузку. При использовании трансформатора добиваются согласования сопротивления выхода усилителя и нагрузки с целью достижения максимальных значений КПД и малых нелинейных искажений. В усилителях на основе интегральных схем избегают применения трансформаторов вследствие их больших габаритных размеров и технологических трудностей изготовления. Источник питания обеспечивает питание активных элементов усилителя. 1.2 Анализ схемы электрической принципиальной Основное усиление по напряжению обеспечивает каскад на быстродействующем ОУ. Предоконечный каскад собран на транзисторах VT1-VT4. При разработке усилителя особое внимание было уделено предоконечному каскаду. С целью снижения нелинейных искажений был выбран режим АВ с относительно большим током покоя (около 20 мА). Температурная стабильность достигнута включением в коллекторные цепи транзисторов VT3, VT4 резисторов сравнительно большого сопротивления R19, R20. Однако из-за отсутствия в предоконечном каскаде 100 %-ной ООС при изменении его температурного режима возможны колебания тока покоя в пределах 15...25 мА, которые вполне допустимы, поскольку не нарушают эксплуатационную надежность усилителя в целом. Для компенсации возможной нестабильности напряжения база - эмиттер транзисторов VT1, VT2 при изменении температуры в их базовые цепи включены диоды VD3-VD5. Каждое плечо предоконечного каскада охвачено цепью местной ООС глубиной не менее 20 дБ. Напряжение ООС снимается с коллекторных нагрузок транзисторов VT3, VT4 и через делители R11-R14 и R12R15 подается в эмиттерные цепи транзисторов VT1, VT2. Частотная коррекция и устойчивость по цепи ООС обеспечиваются конденсаторами С10, С11. Резисторы R13, R16 и R19, R20 ограничивают максимальные токи предоконечного и оконечного каскадов усилителя при коротком замыкании нагрузки. При любых перегрузках максимальный ток транзисторов VT5, VT6 не превышает 3,5…4 А, причем в этом случае они не перегреваются, поскольку успевают сгореть предохранители и отключить питание усилителя. Диод VD6, включенный между базами транзисторов VT5, VT6, снижает искажения типа "ступенька". Падающее на нем напряжение (около 0,75 В) сужает интервал напряжений на эмиттерных переходах транзисторов, при которых они закрыты. Тем самым обеспечивается их открывание при меньшей амплитуде сигнала и в то же время надежное закрывание в его отсутствие. При малых сигналах в нагрузку течет ток предоконечного каскада, поступающий через резистор R21. К выходу оконечного каскада подключен фильтр нижних частот L1C14R23, уменьшающий амплитуду резких всплесков сигнала (длительностью около 1 мкс) в момент переключения транзисторов выходного каскада и устраняющий колебательные процессы в выходном каскаде. Заметного влияния на скорость нарастания выходного сигнала фильтр не оказывает. Снижение коэффициента гармоник достигнуто введением глубокой (не менее 70 дБ) общей ООС, напряжение которой снимается с выхода усилителя и через делитель C3-C5R3R4 подается на инвертирующий вход ОУ DA1. Конденсатор С5 корректирует АЧХ усилителя по цепи ООС. Жесткая стабилизация постоянного выходного напряжения на уровне не более ±20 мВ достигнута применением в усилителе 100 %-ной ООС по постоянному току. Для снижения этого напряжения до ±1 мВ и менее необходимо сбалансировать ОУ . подключив к соответствующему выводу (в зависимости от знака напряжения) резистор R24 или R25 сопротивлением 200... 820 КОм. Включенная на входе усилителя цепь R1C1 ограничивает его полосу пропускания частотой 160 кГц. Максимально возможная линеаризация АЧХ УМЗЧ в полосе 10...200 Гц достигнута соответствующим выбором емкости конденсаторов С1, С3, С4. Усилитель может питаться как от стабилизированного, так и от нестабилизированного источника питания, причем работоспособность его сохраняется при снижении питающих напряжений до ±25 В (разумеется, с соответствующим уменьшением выходной мощности). При использовании стабилизированного источника питания следует учитывать возможность появления на выходе стабилизаторов больших (до 10 В) пульсации с частотой усиливаемого УМЗЧ сигнала при мощности, близкой к номинальной. Усилитель собран на плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм, соединенной с внешними цепями разъемом МРН32-1. Транзисторы VT3, VT4 снабжены теплоотводами (рис.2), согнутыми из листового алюминиевого сплава толщиной 1 мм, и установлены на плате. Транзисторы оконечного каскада VT3, VT4 закреплены вне платы на теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 400 см2 каждый. В усилителе использованы резисторы МЛТ, конденсаторы К73-17 (C1),. Катушка L1 намотана проводом ПЭВ-2 0,8 в три слоя на корпусе резистора R22 (МТ-1) и содержит 40 витков. Вместо указанных на схеме можно использовать ОУ К574УД1А, К574УД1В и транзисторы тех же типов, но с индексами Г, Д (VT1, VT2) и В (VT3-VT6). Усилитель, собранный из исправных деталей, почти не требует налаживания. Как указывалось выше, ток покоя транзисторов VT3, VT4 устанавливают при необходимости подбором резистора R6, а минимальное постоянное напряжение на выходе усилителя - резистора R24 или R25. Коэффициент гармоник измерялся в полосе 20...20 000 Гц компенсационным методом. Первый выброс выходного напряжения (при отключенном конденсаторе С2) не превышал 3 %, что говорит о хорошей устойчивости усилителя. 1.3 Анализ условий эксплуатации При включении: —Напряжение электросети должно находиться в пределах приблизительно от –15% до +10% от номинального значения, в противном случае CD проигрыватель не включится. Превышение напряжения во время работы: —Если во время работы CD проигрывателя всплески напряжения электросети будут превышать 10%, CD проигрыватель перейдет в режим защиты и выключится. Индикатор режима готовности (светодиод) будет мигать, указывая на срабатывание защиты. На сенсорном ЖК-дисплее появится сообщение об ошибке. Падение напряжения во время работы: —Если во время работы провалы напряжения электросети будут превышать 15%, CD проигрыватель будет продолжать работать (так как это не представляет для него особой опасности), однако качество воспроизведения при этом может ухудшиться. Индикатор режима готовности (светодиод) будет мигать, указывая на неблагоприятные условия. Технические характеристики : —Диапазон частот: 20 Гц – 20 кГц ± 0.1 дБ —Отношение сигнал/шум: типичное значение 110 дБ —Разделение каналов: свыше 110 дБ —Коэффициент искажений: (THD + шум) менее 0.002% (невзвешенный, сигнал 0 дБFS, 10 Гц - 20 кГц) Mакс. выходное напряжение 2 В среднеквадратичное значение (сигнал 0 дБFS) (однополярный выход) 4 В cреднеквадратичное значение (балансный выход) —Аналоговые выходы: 1 балансный (XLR) 1 однополярный (RCA) —Цифровой выход: (S/PDIF) 0.5 В, 75 Ом (RCA) Частота дискретизации 352.8 кГц —Поддерживаемые форматы: CD, CD-R, CD-RW, CD-DA. —Номинальная потребляемая мощность: 30 Вт —Потребляемая мощность в режиме молчания: 29 Вт 1.4 Выбор САПР для выполнения дипломного проекта В процессе конструирования разрабатываемого устройства, для проектирования печатных плат используются компьютерные системы автоматизированного проектирования (САПР), такие как: AutoCAD и P-CAD. САПР – это автоматизированные системы, которые, реализуют информационную технологию выполнения функций проектирования, представляют собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. В рамках жизненного цикла промышленных изделий САПР решает задачи автоматизации работ на стадиях проектирования и подготовки производства. Основная цель САПР – повышение эффективности труда инженеров, включая: сокращение трудоемкости проектирования и планирования, сокращение сроков проектирования, сокращение себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию, повышение качества и технико-экономического уровня результатов проектирования, сокращение затрат на натурное моделирование и испытания. Использование САПР значительно упрощают процесс проектирования печатных плат и, в сравнении с неавтоматизированным проектированием, имеют ряд значительных преимуществ, позволяющих выполнять некоторые этапы проектирования автоматически (такие как автоматическая трассировка печатной платы). Так-же системы автоматизированного проектирования более гибки в процессе их использования и позволяют легко вносить поправки в проект в процессе его проектирования и многократно корректировать его, что более затруднительно при неавтоматизированном проектировании. P-CAD – система автоматизированного проектирования электроники. Предназначена для проектирования многослойных печатных плат вычислительных и радиоэлектронных устройств. В состав P-CAD входят два основных модуля P-CAD Schematic (редактор принципиальных электрических схем), P-CAD PCB (редактор печатных плат), и ряд других вспомогательных программ. AutoCAD – система автоматизированного проектирования и черчения. В области двухмерного проектирования AutoCAD позволяет использовать элементарные графические примитивы для получения более сложных объектов. Кроме того, программа предоставляет весьма обширные возможности работы со слоями и аннотативными объектами (размерами, текстом, обозначениями). Использование механизма внешних ссылок позволяет разбить чертеж на составные файлы, за которые ответственны различные разработчики, а динамические расширяют возможности автоматизации 2D – проектирования обычным пользователем без использования программирования. Проект печатной платы из P-CAD можно переносить в AutoCAD для подготовки конструкторской документации. Использование САПР рассмотренных в данном разделе позволяет ускорить и автоматизировать процесс проектирования печатных плат и облегчить работу по проектированию. Выбор именно этих САПР обусловлен опытом и приобретенными навыками работы в них, их распространенностью, совместимостью и удобством. 2. Разработка ПП контроллера 2.1 Выбор материала для ПП Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как фольгированный стеклотекстолит и фольгированный гетинакс. Рассмотрим эти материалы и выберем наиболее приемлемый. Фольгированный гетинакс является менее прочным, чем стеклотекстолит, и достаточно ломким, но имеет лучшие электроизоляционные свойства и в 4 раза дешевле стеклотекстолита, поэтому он находит применение в изготовлении печатных плат для аппаратуры массового производства, при изготовлении которой одной из задач разработчика является минимальная стоимость прибора. Из-за низкой огнеупорности в настоящее время гетинакс не используется в ответственных электронных устройствах. Вместо него применяются текстолиты (чаще всего — стеклотекстолит), которые превосходят гетинакс по огнеупорности, прочности, сцеплению с фольгой и ряду других параметров, важных для электроники. Фольгированный стеклотекстолит имеет гораздо лучшие механические свойства по сравнению с гетинаксом (не ломается и с трудом изгибается), поэтому нашёл применение в военной, вычислительной, измерительной и прочей прецезионной аппаратуре, где требуется высокая надёжность прибора, либо стойкость к механическим нагрузкам. Для изготовления печатной платы необходимо выбрать материалы с учётом эксплуатационных характеристик изделия. Исходя из сравнения этих двух материалов, фольгированный стеклотекстолит будет приемлемым выбором для изготовления ПП устройства, т.к. он имеет лучшие механические свойства. 2.2 Выбор метода изготовления ПП Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. Аддитивный метод имеет высокую надежность, такт как проводники и металлизацию отверстий получат в едином химико-гальваническом процессе, устраняется подтравливание элементов печатного монтажа. Однако применение аддитивного метода в массовом производстве ограничено низкой производительностью процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, недостаточной адгезией проводников. Субтрактивный метод – основан на использовании фольгированного диэлектрика, на котором проводники получаются путём удаления фольги с непроводящих участков. Для этого на фольгированный диэлектрик наносится рисунок схемы, а незащищенные участки фольги стравливаются. Дополнительная химико-гальваническая металлизация монтажных отверстий позволяет получить ДПП комбинированными методами. К недостаткам субтрактивного химического метода относятся значительный расход меди и наличие бокового подтравливания элементов печатных проводников, что уменьшает адгезию фольги к основанию. Т.к. материалом для ПП выбран фольгированный стеклотекстолит, метод изготовления ПП будет субтрактивный. 2.3 Расчет размеров элементов печатного монтажа При расчете элементов печатного монтажа следует учитывать технологические особенности производства, допуски на всевозможные отклонения значений параметров элементов печатного монтажа, установочные характеристики корпусов элементов и ИС, требования по организации связей, вытекающих из схемы функционального узла, а также перспективности выбранной технологической базы. Исходные данные для расчета элементов печатных плат следующие: – шаг основной координатной сетки, устанавливаемый ГОСТ 10317–79, равный 2,5 мм; – допуски отклонения размеров и координат элементов печатной платы от номинальных значений, зависящие от уровня технологии, материалов и оборудования; – установочные характеристики навесных ЭРЭ. Определяем номинальное значение диаметров монтажних отверстий: d = dвыв + (0,1…0,4) мм , (3.1) где dвыв – диаметр выводов, мм. d1= 0,5 + 0,2 = 0,7 мм Таким образом, получаем монтажне отверстияd= 0,7мм. Определяем наименьший номинальный диаметр контактной площадки: D= (d + Δdв.о) + 2b + Δtв.о + 2Δdтр +  , (3.2)где Δdв.о – верхнее предельное отклонение диаметра отверстия – 0,05 мм; Δtв.о –верхнее предельное отклонение диаметра контактной площадки – 0,14 мм; Δdтр – значение подтравливания диэлектрика в отверстии равно 0,04 мм для МПП, для ОПП, ДПП и ГПК – нулю; Td – значение позиционного допуска расположения центра отверстия относительно узла координатной сетки – 0,15 мм; TD – значение позиционного допуска расположения контактной площадки относительно номинального положения – 0,2 мм; Δtн.о – нижнее предельное отклонение диаметра контактной площадки – 0,1 мм; D= (0,7+0,05) + 2 0,1+ 0,14 + (0,152 + 0,22 + 0,12)1/2 ≈ 1,36 мм Определяем наименьшее номинальное расстояние для прокладки n-го количества проводников:  , (3.3)где D1, D2 – диаметры контактных площадок; n – количество проводников, число; Т1 – значение допуска печатного проводника; S – расстояние между печатними проводниками, мм t – ширина печатного проводника, мм. l1 = (1,36+1,36)/2 + 0,15 1 + 0,15 (1 + 1) + 0,005 = 1,815 мм |