Garsinio dažnio stiprintuvo ir jo schemos projektavimas

1. Įvadas Stiprintuvas, tai toks analoginis įtaisas kuris sustiprina: įtampą, galią, srovę, bet nepakeičia signalo (neskaitant iškraipymų). Signalo stiprinimas vyksta dėka maitinimo šaltinio energijos. Maitinimo šaltinio energijos srautas nukreiptas į apkrovą. Pagrindinis stiprinimo elementas yra stiprinimo, kurio pagalba valdomas šis energijos srautas. Kiekviena norima signalą perduoti ar jį kažkaip panaudoti dažniausia reikia sustiprinti. Tam ir naudojama stiprintuvai. Stiprintuvai plačiai naudojami visur. Nuo paprasčiausio namų apyvokos prietaiso iki galingo siųstuvo. Sritis kurio nagrinėsiu, tai galios garsinio dažnio stiprintuvai. Garsinio dažnio stiprintuvas-(GDS) stiprina elektroninius virpesius, kurių dažnis yra nuo 20 iki 20 000 Hz. Pirmuosiuose galios GDS buvo naudojamos elektroninės lempos. Vėliau buvo naudojama tranzistoriai, ir perversmas buvo integrinės mikroschemos. Bet pagal parametrus ir garso atkūrimą vis dar naudojamos elektroninės lempos. Tranzistoriniai galios GDS dabar naudojami plačiausiai. Jų išėjimo galia siekia nuo dalių vato iki šimtų vatų. Tačiau pastaruoju metu juos pakeičia specializuoti integriniai grandynai (šių schemos paprastesnės nors galingumai ir nėra labai dideli). Stiprintuvai dar skirstomi pagal: leistinąjį netiesinių iškraipymų koeficientą, darbo dažnių diapazoną, paskirtį ir kitokius požymius, kurie paprastai nenulemia schemos struktūros ir tėra kiekybinio pobūdžio rodikliai. Svarbiausios stiprintuvų savybės: • Jautrumas. Šiuolaikiniai silpnų signalų stiprintuvai reaguoja į 10-17 A sroves ir 10-10 V įtampas. • Mažas inertiškumas. Greitaveikių elektroninių stiprintuvų reakcijos laikas — vos 10-10 s. Kitokių, elektroninių, įtaisų reakcijos laikas yra gerokai ilgesnis. • Lengvai keičiami parametrai ir charakteristikos. Tam dažnai pakanka pakeisti vieną ar kelis stiprintuvo elementus. • Maži matmenys ir palyginti nedidelė kaina. Šiuolaikiniai integriniai stiprintuvai, kurių stiprinimo koeficientas siekia šimtus tūkstančių ir daugiau, tėra kelių mm3 tūrio, o jų kaina maždaug prilygsta atskirame korpuse sumontuoto tranzistoriaus kainai. Pagrindiniai rodikliai, apibūdinantys GDS darbą: • Stiprinimo koeficientas • Vardinę išėjimo galia • Dažnių diapazoną, arba praleidžiamųjų dažnių juosta • Naudingumo koeficientas • Stiprintuvo sukeliami iškraipymai Mano pasirinktas nagrinėti galios GDS, tai tranzistorinis stiprintuvas su operaciniu stiprintuvu. 2. Darbo tikslai ir užduoties analizė Šio kursinio projekto tikslas man yra: įgyti įgūdžių projektuojant garsinio dažnio stiprintuvo elektrinę schemą, pradinių pakopų elementų parametrus parinkti, o galinės pakopos elementų parametrus apskaičiuoti, išmokti tirti GDS kompiuterine programa (kuri pasirenkama laisvai tinkanti modeliuoti schemoms), gauti GDS pagrindinius parametrus ir charakteristikas. Mano GDS suprojektuotas turi atitikti šiuos parametrus: 1. išėjimo galia būtų Piš =3 W; 2. stiprinamų dažnių juosta ∆F=50 ÷ 10000 hz; 3. dažnių iškraipymo koeficientas M ≤ 3 dB; 4. netiesinių iškraipymo koeficientas (harmonikų) γ ≤ 5%; 5. įėjimo įtampa Uin = 100mV; 6. stiprintuvo įėjimo varža Rin = 1kΩ; 7. signalo šaltinio vidaus varža Rsš = 2kΩ; 8. apkrovos varža Ra = 8Ω. Pagal pagrindinius parametrus GDS nebus labai sudėtingas, nėra keliami aukšti reikalavimai. Projektuojamai schemai jokių apribojimu nėra, todėl pasirenkamų pakopų gali būti neribotai ir įvairių. Kadangi reikės pateikti galios pakopos elementų parametrų skaičiavimus, schemą pasirinksiu standartišką, kad galėčiau pritaikyti literatūroje randamą metodiką. Kitų pakopų elementų parametrų pasirinkimui nebūtina pateikti skaičiavimų, todėl visų ir nepateiksiu gal tik būtiniausius. Pakopas pasirinksiu atsižvelgiant į įėjimos ir išėjimo parametrus. Pirmai pakopai naudosiu operacinį stiprintuvą, kuris užtikrins didelį stiprinimo koeficientą. Antrajai pakopai naudosiu emiterinį kartotuvą, kuris leis suderinti OS pakopos didelę išėjimo varža su maža galios stiprintuvo įėjimo varža. Trečioji bus galios pakopa, kuri užtikrins reikiamą srovės stiprinimo koeficientą, kitaip tariant galią. Norėdamas palyginti stiprintuvo parametrus pasirinkau kitą pilnai sukomplektuoto stiprintuvo schemą. Pateikiau pagrindinius stiprintuvo parametrus: Netiesinių iškraipymo koeficientas (harmonikų) 20...20 000 Hz diapazone ne daugiau kaip γ = 0,003 % Išėjimo įtampos užaugimo greitis ne mažiau kaip 40 V/μs stiprinamų dažnių juosta ∆F=20 ÷ 20000 hz Pagal pateiktus parametrus galima sakyti, kad šis stiprintuvas pasižymi aukštais parametrais. Netiesinių iškraipymo koeficientas dešimt kartų mažesnis už standartiniuose stiprintuvuose naudojamo yra γ = 0,003 %. Pralaidumo juosta platesnė už girdimo dažnio. Didelis išėjimo užaugimo greitis 40V/μs. Plačiau paanalizuosiu pavyzdžio stiprintuvo schema kuri pateikta 2.1pav. Pavyzdžio principinė elektrinė stiprintuvo schema 2.1pav. Nagrinėjant schema nepateiksiu viso aprašymo tik pateiksiu mano manymu svarbiausių grandinių veikimą ir naudą stiprintuvui. Pakopos su operaciniais stiprintuvais DA1 ir DA2 maitinami identiškais maitinimo šaltiniais sudarytais iš VD1, VD2, R6, R7, C6, C7 ir VD3, VD4, R14, R15, C13, C14. Šių maitinimo šaltinių vidurio taškai sujungti su žemaomiu įtampos dalikliu R5, R12, R20, pajungti į galios stiprintuvo pakopos išėjimą, kuo užtiktina atsekančių potencialų padavimą į įtampos stiprintuvo pakopą. Amplitudinės dažnių charakteristikos korekcija aukštų dažnių srityje R17, R18, R26 palaiko reikiama lygi stiprinimo koeficientą. Ir dar pateikiau galinės pakopos tranzistorių jungimo schemą, kuri užtikrina stabilų galinių tranzistorių darbo rėžimą. Stiprintuvuose dar yra naudojama įvairios apsaugų grandinės, kurios saugo nuo stiprintuvo schemos perkaitimo ar paduodant per didelę galią apkrovai, jos apsaugojimui dėl išėjimo trumpo jungimo ir daug kitų. Bet šios grandinės labiau paplitusios profesionalioje technikoje, mažiau buitinėje, nes grandinės yra labai sudėtingos. Kadangi šio projekto metu nėra keliami aukšti reikalavimai aš šių grandinių atsisakysiu. Taigi, lyginant projektuojamo stiprintuvo parametrus su kitų stiprintuvų parametrais, projektuojamas stiprintuvas nėra sudėtingas, bet lengvai galėtų būti naudojamas buitinių stiprintuvų srityje. 3. Sandaros schemos sudarymas Pagal įėjimo ir išėjimo parametrus sudaroma stiprintuvo apytikrė sandaros schema, ir atliekama pakopų grandinių analizė. Parinkus kiekvienos pakopos konkrečias elektrines schemas, sudaroma viso stiprintuvo sandaros schemą, pavaizduotą 3.1pav. Iš signalo šaltinio garsiniai dažniui patekus į operacinio stiprintuvo pakopa ten šis signalas sustiprinamas. Operacinis stiprintuvas nustato reikiamas stiprinimo koeficientą KU. Signalui perėjus skiriamąjį filtrą patenka i emiterini kartotuvą, palaiko tokį pat lygį įtampos, bet sumažina išėjimo varžą, kuria reikia suderinti su sekančia pakopa. Galinė (galios) stiprintuvo pakopa yra dvitaktė joje stiprina srovę. Galinės stiprintuvo pakopos taip pat yra suderinta su apkrova, norint gauti reikia galią be daug didesnių nuostolių. 4. Pakopų schemų parinkimas, pagrindimas ir principinės schemos sudarymas Remiantis kursinio projekto užduotimi stiprintumas turi būti garsinio dažnio ∆F = (50-10000)Hz. Išėjimo galia turi būti 3W jungiant Ra = 8Ω apkrovą. Kadangi nagrinėjamu atveju Piš = 3W, o fž  50Hz, tai pasirenku dvitaktę galinę pakopa „B“ (tiksliau „AB“) klasės rėžimu schemą. Galinė pakopa turi stiprinti iki reikiamo galingumo Piš. Kokią schemą parinkti galinei pakopai, priklauso ne tik nuo techninių reikalavimų stiprintuvo, bet ir nuo stiprintuvo paskirties. Parenkant galinės pakopos schemą, galinę pakopą reikia skaičiuoti didesniam galingumui, nei nurodyta užduotyje, nes skaičiuojant galima nepastebėti arba neatsižvelgti į esamus svarbius veiksnius. Tranzistoriai galinei pakopai parenkami atsižvelgiant į leistiną kolektoriaus nuostolių galingumą PC, leistiną didžiausią kolektoriaus įtampą UCmax ir ribinį tranzistoriaus dažnį farib. Remiantis duotais parametrais ir anksčiau suformuluotomis išvadomis sudariau garsinio dažnio stiprintuvo principinė elektros schema, kuri pateikta 4.1pav. Garsinio dažnio stiprintuvo principinė schema sudaryta iš invertuojančio operacinio stiprintuvo pakopos, kolektorinė pakopa su VT1 ir galinės dvitakčio galios pakopos su tranzistoriais VT2, VT3, VT4. Iš signalo šaltinio žemo dažno signalas perėjas per R1 rezistori patenka į invertuojantį operacinio stiprintuvo įėjimą kur jis yra sustiprinamas iki reikiamo įtampos stiprinimo koeficiento KU kuris yra nustatomas R1 ir R2 rezistorių pagalba. Iš invertuojančio operacinio stiprintuvo sustiprintas signalas toliau per skiriamąjį kondensatorių C1 patenka į emiterinio kartotuvo tranzistoriaus VT1 bazę. Bazės darbo režimą pastoviai srovei formuoja rezistoriai R3, R4. Rezistorius RE, tai elementų ir temperatūros pokyčių stabilizavimui (dar šis rezistorius vadinamas termostabilizacijos rezistoriumi). Išėjas signalas iš emiterinio kartotuvo signalas nepasikeičia tik su mažesne išėjimo varža lyginat su įėjimo perėjas skiriamąjį kondensatorių C2 į galinę stiprintuvo pakopą su tranzistoriais VT3, VT4. galinės pakopos tranzistoriai dirba dvitakčiame režime ir stiprina sinusoidę priklausomai nuo signalo poliškumo. VT3 – stiprina teigiamą pusperiodį, VT4 – neigiamą. Rezistorius R5 ir R6 nustato poslinkio įtampą ir taip pat darbo tašką pastoviai srovei tarp VT3, VT4 bazių, kas ir apsprendžia galinės pakopos darbo režimą (šio atveju B). Maitinimo šaltinio parametrus pasirinksime pakopų skaičiavimo metu. 4.1pav 5. Elektrinės schemos pakopų skaičiavimas Pradiniai duomenys: Naudinga išėjimo galia 3W Apkrovos varža 8 Darbo dažnių diapazonas Leistini dažniniai iškraipymai Galios stiprinimo pakopoje tranzistorius VT2 veikia A klasės režimu, o srovės stiprinimo pakopa si tranzistoriais VT3 ir VT4 B klasėje. Galinėje pakopoje naudojami tranzistoriai VT3 ir VT4 yra komplimentarinė tranzistorių pora, todėl galima imti skaičiavimus vienam tranzistoriui, kuris stiprina signalą iki reikiamos galios, tik skaičiavimas atliekamas vienam sinusoidės pusperiodžiui. Emiteriniam kartotuvui tranzistorius VT1 veikia klasės rėžimu. Ši pakopa reikiama tam, kad galėtu suderinti OS išėjimo varža su galios stiprintuvo pakopos įėjimo varža. Operacinio stiprintuvo pakopa reikalinga tam, kad būtų pasiektas reikiamas įtampos stiprinimo koeficientas. 5.1 Galinė pakopa Parenkami galiniai tranzistoriai: 3W ; 8,1V;  0,87A; 10kHz. Parenkama komplimentari tranzistorių pora VT2 KT814A (p-n-p) ir VT3 KT815A (n-p-n) kurių elektriniai parametrai: Maksimali kolektoriaus srovė Ic max 1,5A Maksimali įtampa CE Uce max 40V Kolektoriaus sklaidoma galia su aušinimu Pc max 10W Darbo dažnis fh21e 3 Mhz; Srovės stiprinimo koeficientas h21e 40… 150 Priešgalinio tranzistoriau elektriniai parametrai VT1 KT603B (n-p-n). Maksimali kolektoriaus srovė Ic max 0,3 A Maksimali įtampa CE Uce max 15V Kolektoriaus sklaidoma galia su aušinimu Pc max 2,8W Darbo dažnis fh21e 200 Mhz; Srovės stiprinimo koeficientas h21e 10… 80 Garsinio dažnio stiprintuvo elementu parametru skaičiavimas 1. Iš struktūrinės schemos ir žinom parametrų, kad stiprintuve naudojami tranzistoriai: V1 tipo KT603B, dirbantys A klasės rėžime, V2 tipo KT815A ir V3 tipo Kt814A dirbantis B klasės rėžime (tiksliau AB). Parametrai ir charakteristikos tranzistorių laikome artimais. Apskaičiuojame vieną petį paskutinis stiprintuvo pakopos, kuris turi užtikrinti galią Piš=3W, bet už puse signalo periodo. 2. Iš 1pav. matome, kad perdavimo koeficientas stiprintuvo išėjimo grandinės ηiš =1. Todėl vieno peties tranzistorius galinės pakopos turi atiduoti galia P~=Piš. 3. Todėl kad skaičiavimas naudojamos statinės išėjimo charakteristika tranzistoriaus KT814A, esant įjungtam BE tranzistoriui, tai rasime amplitudę kolektoriaus srovės Imk tranzistoriaus VT3, taikome 4. Išėjimo įtampos amplitudė 5. Pagal statine išėjimo charakteristika VT3, pateikta 5.3pav. Ikmax = 0,87A, randame Ulik= 1.125V. Kaip matome iš 5.3pav. Šitai įtampai ir srovei atitinka iBmax= 23mA. 6. Įtampa kolektoriaus – emiterio ramybės taške 7. Maitinimo šaltinio įtampa E = 2UKE0 = 16,2V 8. Tikriname ar tinkami naudojimui VT3 ir VT4 pagal leistina srovę ir įtampą IK max = 0,87A≤ IKmax= 1,5A. E = 16,2B ≤ UKEmax = 25V. Reikiamos salygos išpildytos. 9. Galia išsklaidoma vieno peties tranzistorio kolektoriuje per pilną signalo periodą ; Tokiu būdu tranzistorius VT3 ir VT4 galima naudoti beveik be radiatoriaus ar su nedideliu radiatoriumi. 10. Išsirenkame ramybės tašką tranzistoriams VT3 ir VT4 pagal įėjimo ir išėjimo tranzistoriaus charakteristikas (pav. 5.2 ir 5.3) ir rekombinuojamas vertes išrenkame srovę IB0 = 1mA ir ją atitinkančią srovę IK0 = 170mA 11. Pagal statinės įėjimo (tiksliau dinamines) charakteristikas srovei IB0= 1mA randame UBE0 = 0,6V randame srovę iBmax = 23mA, UBemax = 0,95V. 12. Įtampos amplitudė tarp bazės ir emiterio tranzistoriaus VT4 UmBE = UBEmax – UBE0 = 0,95 – 0,6 = 0,35V 13. Srovės amplitudę tranzistorių bazėse VT4 ir VT3 ImB = iBmax – IB0 = 22mA. 14. Įtampos amplitudė išėjime galinės pakopos UmišOK = UmBE + Umiš = 0,35 +6,96 = =7,31V. Pereisime prie srovių ir įtampų nustatymo pakopoje tranzistoriuje VT2. 15. Laikysime, kad pradžioje įtampa kolektorije-emiteryje tranzistorių VT3 ir VT4 lygį 8,1V 16. Sudarysime lygtį kolektoriaus srovei amplitudei VT2 ir kolektoriaus srovei VT2 ramybės taške. Pagal 5.1pav. Pastovios įtampos kritimo rezistoriuje R3 17. Įstate R2 į lygti (1) ir (3), randame 18. Maksimali kolektoriaus srovės reikšmė tranzistoriuje VT2 19. Pagal išėjimo charakteriška VT2, esančioje 5.5pav. Srovę ikmax = 53,4mA, randame ulik = 0,6V 20. Pagal galinės pakopos schemą 5.1pav. Naudojama taip vadinama „įtampos – pridėjimas“, todėl dėl tam tikro simetrijos gerinimo išėjimo įtampos, išrenkame įtampa kolektoriaus-emiterio VT2 ramybės taške išsekančios tapatybės: 21. Patiksliname, su „įtampos – pridėjimu“ įtampa kolektoriuje-emiteryje ramybės taške VT3 ir VT4. Pagal 1pav. ; 22. Patiksliname pagal formules (1), (2), (3) sroves ImK1, IK01 ir varžas . R2 ≈ 300Ω pagal standartą; . Iš gautos srovės reikšmės gauname, kad Ulik praktiškai nepakito. 23. Galia išsklaidoma kolektoriuje VT2, 24. Tikriname ar galima naudoti tranzistorių KT604Б pagal srovę, įtampą ir sklaidomąją galią: IK01 = 56,5mA

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!