II.Техническое задание

1.Введение
2.Техническое задание.
3.Расчет усилителя.
3.1.Выбор и обоснование функциональной схемы.
3.2.Расчет оконечного и предоконечного каскадов.
3.3.Расчет входного каскада.
3.4.Проектирование теплового радиатора.
4.Оценка КПД усилителя.
5.Определение коэффициентов частотных искажений.
6.Заключение.
7.Приложение.
8.Список использованной литературы.
I. Введение
II.Техническое задание
Усилители низкой частоты
Вариант
Параметры
Выходная
мощность
Pн
Вт
Диапазон
частот
fн - fв
Напряжене
питания
Un
Входное
напряжение
Uвх
Входное
сопртивление не
менее R
Коэффмциент
частотных
искажений
Mн=Mв
КПД не
менее

КГц
В
мВ
Ом
-
%
1
10
15-20
20
40
50
2
50
3.Расчет усилителя.
3.1.Выбор и обоснование функциональной схемы.
Усилитель для проходящего через него сигнала представляет собой
активный четырехполюсник, одной из особенностей которого является то, что он эквивалентен электрической цепи, содержащей
зависимый источник. Усилитель мощности обычно состоит из нескольких каскадов: входного 1, предконечного 2 и оконечного 3
(рис.1.).
Источник
сигнала
1
2
3
Выходной
сигнал
Рис.1.
Предварительный каскад предназначен для повышения
входного сопротивления усилителя мощности, а также усиления
входного сигнала по напряжению. Этот каскад выполняют обычно
на ОУ или на полевых транзисторах.
Последующие каскады предназначены непосредственно для
усиления сигнала по мощности.
Технические параметры усилителя мощности во многом определяются оконечным каскадом.
В качестве усилителя мощности наиболее часто применяются бестрансформаторные усилители, которые характеризуются
простотой схемного построения, отсутствием нестандартных деталей (трансформаторов), высокими качественными показателями,
малыми габаритами и весом. Наиболее удобно применение двухтактных усилителей мощности, выполненных на транзисторах с
дополнительной симметрией и работающих в режимах классов В и
АВ. Такие усилители хорошо сопрягаются с ОУ и могут с ними
охватываться общей отрицательной обратной связью с целью
уменьшения нелинейных искажений типа «ступенька». С этой целью рекомендуется использовать режим класса АВ.
Предконечный и оконечный каскад представляют собой схему,
изображенную на рис.2.
R1
VT1
EK
VT3
VD1
R3
R4
U ВЫХ
RH
Uвх2
Рис.2.
3.2.Расчет оконечного и предоконечного каскадов.
Ek=12.6 В
Определяется амплитудное значение коллекторного напряжения одного плеча:
Ukm=Ek-Ukmin=12.6-2=11.6 B
где Ukmin принимается равным 1-2В. Ukmin=1 В
Находим сопротивление нагрузки:
Rн=(Uкм)2/(2Pн)=6.728 Ом
(По шкале номинальных сопротивлений из ряда Е24 выбираем
Rн=6.8 Ом)
Определяем амплитуду импульса коллекторного тока транзистора
VT3(VT4):
Iкм=Uкм/Rн=11.6/6.8≈1.7 А
Определяем среднее значение тока потребляемого от источника
оконечным каскадом:
I0≈0.32[Iкм+Ioк(π-1)]=0,32(1.7+0.025(π-1)) ≈0.56 А
где ток Ioк – начальный ток коллектора транзисторов VT3 и VT4
(принимается для маломощных транзисторов 1÷2мА, для мощных
≥20÷30мА).
Определяем мощность, потребляемую от источников питания оконечным каскадом при номинальной выходной мощности:
Р0=2ЕкI0=2*12.6*0.56=14.112 Вт
Определяем мощность рассеяния на коллекторе одного транзистора оконечного каскада:
Pк=(P0-0,5UкмIкм)/2=(14.112-0.5*11.6*1.7)/2=2.126 Bт
По расчитанным значениям Pк , 2Ek, Iкм и требованиям к частотным свойствам подбираем транзисторы VT3,VT4.При этом они
должны иметь одинаковые параметры и ВАХ.
Pkma>2.126 Вт
0.7Uкэмах>2Ek
( 2Ek=25.2 B)
0.7Ikmax>Ikm
(Ikm=1.7 A)
В качестве транзисторов VT3 и VT4 выбираем соответственно
транзисторы КТ817Б и КТ816Б. Они подходят по максимально допустимым параметрам.
Pkma=25 Bт (с применением теплоотвода)
Uкэмах=45 В
Ikmax=3 А
По статическим характеристикам транзисторов VT3(VT4) определяем амплитудное значение тока базы Iбм и напряжение на базе
Uбм:
Iбм=40 мА
Uбм=3.2В
Далее определяем входное сопротивление транзистора для переменного тока:
Rвхт3~=(Uбм +RнIkm)/Iбм
(1)
Rвхт3~=369Ом
Определяем амплитуду входного напряжения каждого плеча:
Uвхт3=Uбм+Uкм=14.8В
Определяем величину сопротивлений резисторов R3 и R4.
Она выбирается в 5÷10 раз больше значения входного сопротивления переменному току транзисторов VT3 и VT4 при максимальном
входном сигнале:
R3=R4=(5÷10)Rвхт3~=3.6 кОм
Находим сопротивление эмиттерной нагрузка транзисторов VT3 и
VT4:
Rнт1=R3Rвхт3~/(R3+ Rвхт3~)=578.3 Ом
Рассчитаем режим работы транзисторов VT1 и VT2.
Найдем амплитуду импульса коллекторного тока транзистора VT1:
Iкмт1=Uвхт3/Rнт1=27.6/578.3=47.73мА
В качестве транзисторов VT1 и VT2 выбираем соответственно
транзисторы КТ315А и КТ361А.
По статическим характеристикам транзисторов VT1(VT2) определяем входное сопротивление транзисторов для переменного тока:
Rвхт1~=5791 Ом
Uвхт1=14,8+0.9=15,7 В
Для VT1 Iобт1=2.21 мА,
Выберем ток делителя R1 – VD1 – VD2 – R2 :
Iд=(5÷10)Iобт2=22.1 мА
В качестве диодов VD1 и VD2 выберем кремниевые диоды 2Д204А
с барьером Шотки. Они удовлетворяют условию:
Iпрмах=50мА>Iд
Падение напряжения на диоде соответствующее току Iд=22.1 мА
равно Uд=3.1 В, что приблизительно равно U БЭ на VT1 дляIбт1=Iбт
R1=R2=(Eк-Uд)/Iд=429 Ом
Из ряда Е12 шкалы номинальных сопротивлений выберем: R1 = R2
= 430 Ом. Входное сопротивление переменному току усилителя
мощности:
Rвхум=R1Rвхт1/(R1+ Rвхт1)=400 Ом
3.3.Расчет входного каскада.
Входные параметры рассчитанных каскадов не удовлетворяют техническому заданию. Во-первых, входное сопротивление
RВХУМ =400 Ом меньше минимально допустимого (50 Ом). Во-
вторых, необходимо дополнительно усилить входной сигнал по
напряжению.
Для этих цепей рассчитаем предварительный каскад, выполненный на ОУ (см. рис.3):
Необходимый коэффициент усиления по напряжению:
Кu=Uбмт2/Uвх=20
Входное сопротивление предварительного каскада равно R5. По
условию:
Rвх=R5+Rвхум≥90 кОм
R5≥90-0,4=89.6 кОм
Выберем значение R5 равным 91 кОм.
В качестве R5 выберем резистор МЛТ-0,5-100к  10%.
Ku=R6/R5 ,отсюда
R6= KuR5=91*20=1820 МОм
Примем значение R6, равным 1.8 МОм.
В качестве R6 выберем резистор МЛТ-0,5-1.8М  5%.
В качестве DA1 выберем операционный усилитель K553УД2 с параметрами:
I BXMAX  1,5 мкА,
R6
R5
DA1
U BX
I ВЫХ  20 мА,
U BXMAX  12 В
Рис.3
3.4.Проектирование теплоотводящего радиатора.
Подводимая к усилителю электрическая мощность рассеивается в основном помимо нагрузки, на транзисторах оконечного
каскада. Вследствие этого температура внутренних областей и
корпуса прибора превышает температуру окружающей среды.
Температура p – n – переходов является важнейшим фактором, от
которого зависят не только величины основных параметров, но и
общая работоспособность приборов.
С целью удержать температуру на допустимом уровне используют теплоотводящие радиаторы.
Спроектируем ребристый радиатор для теплоотвода транзисторов VT3 и VT4.
Конструкция радиатора изображена на рис.4:
B
d
Определим требуемое тепловое сопротивление радиатора:
RРС 
TП  Т С
 RПК ,
Р1
RPC  44,7C / Bт ,
где:
Т П =105 С - максимальная температура переходов для
транзисторов VT3 и VT4 с радиатором (что ниже максимально
допустимой температуры для этих транзисторов, равной 150
С ),
Т С =25 С - температура окружающей среды,
Р Л =2 Р К - суммарная мощность рассеивания на переходах
транзисторов VT3 и VT4,
RПК = 2 С /Вт – тепловое сопротивление «переход –
корпус» транзисторов VT3 и VT4.
Необходимая поверхность охлаждения S P приближенно равна:
SP 
K
 1,08см 2 ,
RPC
где:
К – коэффициент, обратный теплопроводности металла радиатора (в данном случае это алюминий с К = 0,0048 (М С )/Вт ).
Исходя из конструктивных соображений и размеров транзисторов VT3 и VT4 примем:
В = 2,4 см;
L = 1,2 см;
n = 5 (число ребер).
Толщина пластин для мощности рассеивания порядка нескольких ватт составляет 1,5 – 2 мм:
 = 0,2 см.
Тогда,
d = 0,2 см;
t = 0,35 см.
Примем Н = 0,5 см. Рассчитаем величину площади радиатора
(поверхностью торцов пренебрегаем):
S  2nL  H  6см 2 ,
что удовлетворяет условию S P  S .
Транзисторы VT3 и VT4 должны крепиться со стороны радиатора, не имеющей ребер. Радиатор следует устанавливать таким
образом, чтобы поток воздуха при своем движении омывал поверхность радиатора, то есть направление потока воздуха должно
быть перпендикулярно оси ребра или штыря.
4.Оценка КПД усилителя.
В основном мощность рассеивается на коллекторах транзисторов VT3 и VT4 оконечного каскада. Тогда КПД усилителя
приближенно равен:
=Pн/P0=0.7,
что удовлетворяет условию   50% .
5.Определение коэффициентов частотных искажений.
Данная схема трехкаскадного усилителя не содержит явных емкостных элементов, типа конденсаторов, что определяет малые частотные искажения в области низких частот.
Поэтому для этой схемы M H  1 .
Коэффициент M B определяется в основном емкостями коллекторного и эмиттерного переходов транзисторов схемы. Однако, они
проявляются лишь на высоких частотах ( f  1МГц ).
M B  1 (
fB 2
)
f ГР
f B  20кГц
f ГР  1МГц
М В  1,0002 .
Итак, коэффициенты частотных искажений незначительны
6.Заключение
Рассчитанный трехкаскадный двухтактный усилитель осуществляет усиление по мощности в области низких частот (1520кГц). Усилитель работает в режиме класса АВ. Предварительный каскад осуществляет предварительное усиление сигнала по
напряжению. Предоконечный и оконечный каскады осуществляют
усиление по мощности.
Для охлаждения транзисторов оконечного каскада разработан алюминиевый ребристый теплоотводный радиатор.
Все требования, предъявляемые к устройству, выполнены.