Содержание
Введение
1. Обоснование техническихрешений
1.1 Назначение и условия эксплуатации
1.2 Предварительный расчет
1.3 Описание существующихконструкций
1.4 Описание схемы электрическойпринципиальной
2. Расчет элементов схемыэлектрической принципиальной
2.1 Расчет оконечного каскада
2.2 Расчет предоконечногокаскада
2.3 Расчет каскада предварительногоусиления
2.4 Выбор элементов схемы
Заключение
Список используемых источников
Приложение А
Введение
В настоящее времяв технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Куда мыне посмотрим — усилители повсюду окружают нас. В каждом радиоприёмнике, в каждомтелевизоре, в компьютере и станке с числовым программным управлением есть усилительныекаскады. Эти устройства, воистину, являются грандиозными изобретениями человечества.
В данном курсовомпроекте решается задача проектирования усилителя низкой частоты. В задачу входитрасчет основных параметров усилителя, а также выбор электронных компонентов схемы,входящих в состав.
Выбор активныхи пассивных элементов является важным этапом в обеспечении высокой надежности иустойчивости работы схемы. Оптимизация выбора составных компонентов состоит в том,что при проектировании следует использовать такие элементы, чтобы их параметры обеспечивалимаксимальную эффективность устройства по заданным характеристикам.
1. Обоснованиетехнических решений
1.1 Назначениеи условия эксплуатации
Усилитель низкойчастоты стационарного радиоприемника ПК 200108.316.23.10 предназначен для усилениясигналов низкой частоты, поступающих на вход усилителя, до требуемого значения мощности.
Следовательно,усилитель низкой частоты функционально связан с источником низкочастотного сигналаи выходным нагрузочным устройством, которым является динамическая головка.
Усилитель низкойчастоты переносной магнитолы является стационарной, переносной аппаратурой, работающейв основном под навесом или в помещениях, и имеет категорию микроклиматического исполненияУХЛ 2 по ГОСТ 15150 – 69.
В соответствиис требованиями ГОСТ 15150 – 69 усилитель низкой частоты должен сохранять свою работоспособностьпри следующих значениях климатических факторов внешней среды:
— температураокружающего воздуха:
рабочие значения– от +40°C до+1ºC;
предельные значения– от +45ºC до-10ºC;
— относительнаявлажность воздуха:
среднегодовоезначение – 75% при 15ºC;
предельное значение– 100% при 25ºC;
— абсолютная влажностьвоздуха при среднегодовом значении: 11 г·м-3;
— атмосферноедавление: 86 — 106,7 кПа или 650 – 800 мм рт. ст.;
— условия храненияизделий: в помещениях, где колебания температуры и влажности воздуха несущественноотличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступнаружного воздуха при температуре от +1 до +40°C.
Проектируемаяконструкция усилителя низкой частоты должна сохранять свои параметры в пределахнорм, установленных техническим заданием, а также в процессе воздействия выше рассмотренныхклиматических факторов.
1.2 Предварительныйрасчёт
усилительчастота схема
Для определенияколичества каскадов находим общий коэффициент усиления по напряжению всего усилителя.Для этого определяем напряжение на выходе усилителя по формуле:
/>,
где /> - мощность сигнала в нагрузке,/>, /> - сопротивление нагрузки, />.
/>.
Определяем коэффициентусиления усилителя по формуле:
/>,
где /> — входное напряжение усилителя,/>,
/>.
Определяем коэффициентусиления усилителя в логарифмических единицах по формуле:
/>,
/>.
Учитывая, чтокоэффициент усиления по напряжению одного каскада принято иметь не более />, так как нелинейные искажениямогут превысить уровень, принимая количество каскадов равным трём, выбираем схему,состоящую из 3 каскадов, где оконечным каскадом будет трансформаторная схема. Предоконечнымкаскадом является фазоинверсная схема. Каскадом предварительного усиления будетявляться схема с общим эмиттером.
Структурная схемаусилителя представлена на чертеже ПК200108.316.23.10 Э1.
1.3 Описание существующихконструкций
Транзисторныеусилители низкой частоты могут строиться на одной из двух схем – трансформаторнойили бестрансформаторной.
/>
Рассмотрим достоинстваи недостатки бестрансформаторного двухтактного каскада усиления мощности.
/>
В схему входятдва транзистора разной структуры: транзистор Vl — p-n-p, транзистор V2 — n-p-n.По постоянному току транзисторы включены последовательно, образуя как бы делительнапряжения питающего их источника постоянного тока. При этом на коллекторе транзистораV1 относительно средней точки между ними, называемой точкой симметрии, создаетсяотрицательное напряжение, равное половине напряжения источника питания, а на коллекторетранзистора V2 — положительное, и также равное половине напряжения источника питания.Динамическая головка B включена в эмиттерные цепи транзисторов: для транзистора V1 — через конденсатор С2, для транзистора V2 — через конденсатор С1. Таким образом,транзисторы по переменному току включены по схеме ОК (эмиттерными повторителями)и работают на одну общую нагрузку – головку В.
На базах обоихтранзисторов усилителя действует одинаковое по значению и частоте переменное напряжение,поступающее от предоконечного каскада. А так как транзисторы разной структуры, тои работают они поочередно, в два такта: при отрицательной полуволне напряжения открываетсятолько транзистор V1 и в цепи головка В — конденсатор С2 появляется импульс коллекторноготока (график б), а при положительной полуволне открывается только транзистор V2и в цепи головка — конденсатор С1 появляется импульс коллекторного тока этого транзистора(график в). Таким образом, через головку течет суммарный ток транзисторов (графикг), представляющий собой усиленные по мощности колебания звуковой частоты, которыеона преобразует в звуковые колебания.
Достоинства схемы:
— нет необходимостииспользовать трансформаторы, занимающие достаточно много места;
— отсутствие трансформаторовозначает отсутствие паразитных высокочастотных резонансов, значительно ухудшающихкачество сигнала;
— можно значительноулучшить качество сигнала путем правильного подбора компонентов.
Недостатки:
— тяжело подобратьтранзисторы (особенно при использовании транзисторов разной полярности) с характеристиками,близкими на всем диапазоне значений выходного сигнала, это приводит к значительномуусложнению схемы;
— бестрансформаторнуюсхему нельзя приспособить к широкому диапазону нагрузок.
Таким образом,трансформаторный каскад усиления мощности лучше бестрансформаторного, так как онобеспечивает наилучшее согласование нагрузки с выходным сопротивлением усилителя,и цепь нагрузки изолируется от действующих в цепях усилителя постоянных напряжений.
1.4 Описание схемыэлектрической принципиальной
Схема электрическаяпринципиальная усилителя низкой частоты переносной магнитолы представлена на чертежеПК 200108.316.23.10 Э3.
Входной низкочастотныйсигнал поступает на вход усилителя низкой частоты и далее через разделительный конденсаторС1 на вход каскада предварительного усиления, собранного на транзисторе VT1 по схеме с общим эмиттером.Этот каскад обладает большим коэффициентом усиления как по току, так и по напряжению,что очень важно для входного каскада. Входное сопротивление каскада с общим эмиттеромопределяется крутизной вольт – амперной характеристики транзистора, поэтому выбираемв первом каскаде транзистор КТ3107Д с большим коэффициентом усиления и малыми собственнымишумами.
Напряжение смещенияна базе транзистора VT1 снимается с делителя R1, R2. Резистор R4 служит для стабилизации рабочей точки транзистора при изменениитемпературы окружающей среды. Конденсатор С4 — блокировочный. Он шунтирует резисторR4 по переменному току и темсамым предотвращает снижение коэффициента усиления каскада по напряжению.
Цепочка R5 С2 выполняет роль фильтранизких частот по цепи питания каскада предварительного усиления и не пропускаетсигналы свыше частоты 80 Гц.
Без этого фильтраусилитель низкой частоты склонен к самовозбуждению, то есть усилитель может статьгенератором низкой частоты и следовательно не выполнять свои функции.
Нагрузкой каскадапредварительного усиления служит резистор R3. с него через разделительныйконденсатор С3 усиленный сигнал поступает на вход предоконечного каскада, выполненноготакже по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT2. Резисторы R6, R7, R9 обеспечивают начальное смещениеи термостабилизацию схемы. Конденсатор С5 необходим для устранения обратной связипо переменному току. Резистор R8 выполняет роль нагрузки предоконечного каскада.
Усиленный по мощностисигнал с выхода предоконечного каскада поступает на вход двухтактного оконечногокаскада, собранного на комплементарной паре транзисторов VT3, VT4 разной проводимости, нос одинаковыми параметрами, по схеме сообщим коллектором.
Такая схема применяетсяпри значениях выходной мощности порядка нескольких ватт. Работает каскад в режимекласса В. Его достоинства: простота, высокий КПД, небольшой коэффициент гармоник,хорошее согласование с низкоомной нагрузкой.
Усиленный по мощностинизкочастотный сигнал с выхода оконечного каскада далее поступает через разделительныйконденсатор С6 в нагрузку, которой является головка динамическая.
2. Расчетэлементов схемы электрической принципиальной
2.1 Расчёт оконечногокаскада
1. Определяемколебательную мощность, отдаваемую каскадом по формуле:
/>,
где /> - мощность в нагрузке, />, /> - КПД трансформатора, принимаемравным 0,7:
/>.
2. Определив отдаваемуюкаскадом мощность, можно выбрать тип транзистора. В данном случае это транзистортипа КТ816А с параметрами: />, />, />, />.
3. Определяемдопустимое напряжение на коллекторе транзистора по формуле:
/>,
где /> - максимально допустимое значениенапряжения на коллекторе транзистора, />,
/>.
4. Определяемвеличину импульса тока в коллекторной цепи по формуле:
/>,
/>.
5. Определяемсопротивление нагрузки, вносимое в половину первичной обмотки трансформатора поформуле:
/>,
где /> - амплитуда напряжения в цепиколлектора, />, где
/> - остаточное напряжение наколлекторе, />:
/>,
/>.
6. Строим нагрузочнуюхарактеристику каскада по двум точкам:
1 точка — />,
2 точка — />.
Из графика определяеммаксимальное значение коллекторного тока:
/>.
7. Определяемотдаваемую каскадом мощность по формуле:
/>,
/>.
8. Определяеммощность рассеяния на коллекторе транзистора по формуле:
/>,
/>.
9. Определяемисходный ток коллектора по формуле:
/>,
/>.
Исходя из полученныхданных, находим амплитуду тока коллектора по формуле:
/>,
/>.
По статическойхарактеристике определяем:
— ток базы />,
— напряжение смещения/>.
Для максимальноговыходного тока /> находим следующиезначения:
-/>,
-/>.
Исходя из этихданных, определяем амплитуды тока и напряжения базы:
/>,
/>,
/>,
/>.
10. Определяемвходное сопротивление с учетом смещения по формуле:
/>,
/>.
11. Определяемамплитуду тока базы с учетом запаса по входной мощности по формуле:
/>,
/>.
12. Определяемтребуемую входную мощность по формуле:
/>,
/>.
13. Определяемкоэффициент усиления по мощности по формуле:
/>,
/>.
14. Определяемзначения резисторов делителя по формулам:
/>,
/>,
/>,
/>.
15. Определяеммощность рассеяния на резисторах /> и /> по формулам:
/>,
/>,
/>,
/>.
16. Определяемнаибольшее значение напряжения на резисторе /> поформуле:
/>,
/>.
17. Определяемнапряжение входного сигнала по формуле:
/>,
/>.
18. Определяемсопротивление первичной обмотки входного трансформатора по формуле:
/>,
/>,
/>,
/>.
19. Определяемпараметры выходного трансформатора. Для этого определяем коэффициент трансформациипо формуле:
/>,
/>.
Определяем сопротивлениепервичной обмотки по формуле:
/>,
/>.
Определяем сопротивлениевторичной обмотки по формуле:
/>,
/>.
Определяем индуктивностьпервичной обмотки трансформатора по формуле:
/>,
/>.
Определяем индуктивностьвсей обмотки трансформатора по формуле:
/>,
/>.
20. Определяемкоэффициент нелинейных искажений.
Для этого определяемточки пересечения динамической характеристики каскада со статическими характеристикамитранзистора и составляем таблицу зависимости токов и напряжений.
Таблица 1 – Зависимостьтоков и напряжений каскадаточки
/>
/>
/>
/> 1 0,12 2 0,61 0,61 2 0,4 5 0,615 0,62 3 0,68 10 0,62 0,64 4 1,12 20 0,63 0,67 5 1,16 25 0,64 0,69 6 1,3 30 0,65 0,7 7 1,44 35 0,66 0,73 8 1,56 40 0,68 0,75 9 1,64 45 0,69 0,77
По данным таблицы1 определяем напряжение сигнала в источнике по формуле:
/>,
где />.
По полученнымзначениям напряжения сигнала и коллекторного тока строим сквозную динамическую характеристикукаскада. Крайние точки характеристики соответствуют минимальному и максимальномузначениям выходного тока:
-/>,
-/>,
-/>,
-/>,
-/>.
Определяем гармоникитока и его среднее значение по формулам:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>.
Правильность определениятоков гармоник проверяем по формуле:
/>,
/>.
Определяем коэффициентгармоник по формуле:
/>,
/>.
2.2 Расчёт предоконечногокаскада
1. Выбираем транзисторпо следующим параметрам:
-/>,
-/>.
Таким требованиямотвечает транзистор ГТ405А с параметрами:
-/>,
-/>,
-/>,
-/>,
-/>.
2. Определяемток коллектора транзистора в точке покоя по формуле:
/>,
/>.
3. Определяемнапряжение в точке покоя по формуле:
/>,
/>.
4. Определяемположение точки покоя на статической характеристике транзистора ГТ405А и определяемток базы и напряжение базы в точке покоя:
/>,
/>.
5. Определяемсопротивление резистора в цепи эмиттера и его мощность рассеяния по формулам:
/>,
/>,
/>,
/>.
6. Определяемток делителя в цепи смещения по формуле:
/>,
/>.
7. Определяемсопротивления и мощности рассеяния резисторов делителя по формулам:
/>,
где />,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>.
8. Определяемобщее сопротивление делителя по формуле:
/>,
/>.
9. Определяемёмкость конденсатора в цепи эмиттера по формуле:
/>,
/>.
10. Определяемкоэффициент усиления по напряжению по формуле:
/>,
где />,
/>,
/>,
/>,
/>.
11. По нагрузочнымхарактеристикам определяем />.
12. Определяемсопротивление коллекторной цепи транзистора второго каскада по формулам:
/>,
/>.
2.3 Расчёт каскадапредварительного усиления
1. Выбираем транзистордля предварительного каскада.
Для выбора транзистораопределим допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора и допустимыйток коллектора:
-/>,
-/>.
Таким требованиямотвечает транзистор КТ3107Д с параметрами:
-/>,
-/>,
-/>,
-/>,
-/>.
2. Определяемток в точке покоя по формуле:
/>,
/>.
3. Определяемсопротивление в цепи коллектора по формуле:
/>,
/>,
/>,
/>.
4. Определяемсопротивление в цепи эмиттера по формуле:
/>,
/>,
/>,
/>.
5. Определяемвеличину сопротивления в цепи делителя, для этого задаемся величиной коэффициентанестабильности />, по формуле:
/>,
где /> - сопротивление базы транзистора,
/> - коэффициент передачи тока в схеме с общейбазой,
/>,
/>,
/>.
6. Определяемсопротивления в цепи эмиттера по формулам:
/>,
где />,
/>,
/>,
/>.
7. Определяемкоэффициент усиления по напряжению каскада по формуле:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
8. Определяемёмкость /> по формуле:
/>,
/>.
9. Определяемёмкости разделительных конденсаторов по формуле:
/>,
/>.
10. Определяемпараметры элементов фильтра в цепи питания по формулам:
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>,
/>.
11. Определяемобщий коэффициент усиления всего усилителя по формуле:
/>,
/>.
2.4 Выбор элементовсхемы
Выбор элементовпроектируемого усилителя низкой частоты проводим исходя из расчета элементов схемыэлектрической принципиальной, а также с учетом условий эксплуатации.
Расчетные и принятыеноминальные значения элементов схемы электрической принципиальной сведены в таблицы2 и 3.
Таблица 2 – Расчётныеи номинальные значения сопротивленийОбозначение элемента Расчётное значение сопротивления, Ом Номинальное значение сопротивления, Ом Расчётное значение мощности рассеяния, Вт Номинальное значение мощности рассеяния, Вт Тип элемента R1 27000 27000 - 0,125 C1 — 4 R2 4500 4700 - 0,125 C1 — 4 R3 5333 5600 0,01 0,125 C1 — 4 R4 2667 2700 0,005 0,125 C1 — 4 R5 3905 3900 0,05 0,125 C1 — 4 R6 1459 1500 0,01 0,125 C1 — 4 R7 53,3 56 0,24 0,25 C1 — 4 R8 2595 2700 0,005 0,125 C1 — 4 R9 13,6 15 0,027 0,125 C1 — 4 R10 300 330 1 1 C1 — 4
Таблица 2 – Расчётныеи номинальные значения ёмкостей схемыОбозначение элемента Расчётное значение ёмкости, мкФ Номинальное значение ёмкости, мкФ Номинальное значение напряжения, В Тип элемента C1 42,8 39 25 K50 — 35 C2 4,8 4,7 25 K50 — 35 C3 4,8 4,7 25 K50 — 35 C4 1,9 1,8 25 K50 — 35 C5 186,6 180 25 K50 — 35
Заключение
Целью курсовогопроекта являлось разработка, составление и расчёт схемы усилителя низкой частотыдля переносной магнитолы.
В ходе выполненияпроекта была разработана схема электрическая структурная, схема электрическая принципиальная,рассмотрены условия эксплуатации, произведен сравнительный анализ существующих схемусилителей. Проведены расчеты оконечного каскада мощного усиления, предоконечногокаскада и предварительного усилителя, определены коэффициенты усиления отдельныхкаскадов и усилителя в целом. Рассчитаны значения сопротивлений и емкостей схемы,на основе которых проведен выбор стандартных резисторов и конденсаторов, составленперечень элементов.
В процессе проектированияразработана и выполнена следующая конструкторская документация:
— пояснительнаязаписка;
— схема электрическаяпринципиальная;
— схема электрическаяструктурная.
Списокиспользуемых источников
1. Хиленко В.И. Основы радиоэлектроники:Учебник.- 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Судостроение, 1983.
2. Буланов Ю.А., Усов С.А.Усилители и радиоприемные устройства. – М.:. Высшая школа, 1980.
3. Арестов К.А., ЯковенкоБ.С. Основы электроники: Учебное пособие для техникумов.- М.: Радио и связь, 1988.
4. Гольцев В.Р., Богун В.Д.,Хиленко В.И. Электронные усилители. – М.: Высшая школа, 1990.
5. Вайсбурд Ф.И., Панаев,Г.А., Савельев Б.Н. Электронные приборы и усилители.- М.: Радио и связь, 1987.
Приложение А
Усилительнизкой частоты. Перечень элементовОбозначение Наименование Количество Примечания Конденсаторы С1 К50-35-39мкФ-25В±10% 1 С2, С3 К50-35-4,7мкФ-25В±10% 2 C4 К50-35-1,8мкФ-25В±10% 1 C5 К50-35-180мкФ-25В±10% 1 Резисторы R1 С1-4-27кОм-0,125 1 R2 C1-4-4,7кОм-0,125 1 R3 C1-4-5,6кОм-0,125 1 R4, R8 C1-4-2,7кОм-0,125 2 R5 C1-4-3,9кОм-0,125 1 R6 C1-4-1,5кОм-0,125 1 R7 С1-4-56Ом-0,25 1 R9 C1-4-15Ом-0,125 1 R10 C1-4-330Ом-1 1 Транзисторы VT1 КТ3107Д 1 VT2 ГТ405А 1 VT3 КТ816А 1 VT4 КТ816А 1