Курсовая работа: Усилитель мощности
4.
Расчет усилителя мощности
4.1
Расчет выходного каскада
Принципиальная схема усилителя
мощности представлена на листе 2 графической части
Начальные данные:
выходная мощность РВЫХ=1
ВА;
ток нагрузки IН=1 А;
входное напряжение UВХ=0,1
В;
диапазон частот fН=50 Гц fВ= 500 Гц;
напряжение питания UП=±12 В.
RН = UВЫХ /IВЫХ ; (4.1)
где UВЫХ –выходное
напряжение
UВЫХ = РВЫХ /
IН = 1/1 =1 (В) (4.2)
RН = 1/1=1 (Ом)
Разделительный конденсатор С4 был
пасчитан из условия нижней граничной частоты fН=50 Гц
С4=1/(2*p* fН * RН*Ö(МН-1) ) (4.3)
Где МН – коэффициент
искажений вносимый данным конденсатором в схему, для усиления мощности. Примем
МН=1,3. Тогда, произведя расчет, получим: С4=3832 (мкФ)
Примем С4: К50-6 4000 мкФ´ 15 В
Максимальное значение напряжения
колектор-эммитер на транзисторах:
UКЭ max= ЕПИТ=12
(В)
Максимальный ток коллектора
транзисторов определим по формуле
IК max = UВЫХ / RН =1/1 = 1 (А) (4.4)
По последним двум параметрам выбрали
транзисторы комплиментарной пары:
VT1- КТ815А (п-р-п)
VT- КТ814А (р-п-р)
Их параметры идентичны и равны:
IК max= 3 (А)
bmin = 100
UКЭ max = 30 (В)
UБЭ = 0,6 (В)
Напряжение покоя на эмиттерах
транзисторов равно:
UO = 0.5*ЕПИТ
= 0,5*12=6 (В) (4.5)
Амплитуда базового тока:
IБ max = IК
max / bmin =1/100
= 10 (тА) (4.6)
Базовый ток был выбран по входной
ВАХ транзисторов [5] по началу линейного участка характеристики.
IБо = 10-3
(А) UБэо = 0,7 (В)
Далее был расчитан ток покоя
коллектора по формуле:
IКо = IБо* bmin =10-3 * 100 = 0,1 (А) (4.7)
По [6] были выбраны диоды VD1 и VD2 с прямым падением
напряжения UVD=0.7 (В) и прямым током равным:
IVD = 1.2* IБ max = 1.2*10-2
= 12 (тА) (4.8)
Этим параметрам соответствуют диоды
КД522А
Ток через резистор R5 рассчитан из
условия
IR5 = IБо + IVD = 12*10-3
+ 10-3 = 13*10-3 (А) (4.9)
Напряжение на резисторе R5 :
UR5 = EПИТ – UO – UБэо = 12-6-0,7=5,3 (В) (4.10)
Сопротивление резистора R5 равно:
R5 = UR5 / IR5 = 5.3/13*10-3
= 387 Ом (4.11)
Мощность выделяемая на резисторе R5:
PR5 = IR52 R5 =(13*10-3)2*387
=0.165 (Вт) (4.12)
Исходя из идентичности плеч каскада
приняли сопротивление R6=R5 и выбрали
R5=R6: МЛТ-0,25 390 Ом
Входное сопротивление каскада:
RВХ = R5/2
ll (RH*bmin ) = 66
(Ом) (4.13)
Амплитуда входного тока:
IВХmax= IБМ + IR5 = 10-2+13*10-3
=23*10-3 (А) (4.14)
Амплитуда входного напряжения
каскада
UВХmax = IВХ * RВХ + UВЫХ = 23*10-3*66+1=2,083
(В) (4.15)
Коэффициент усиления выходного
каскада по напряжению
KU = UВЫХ / UВхmax = 1 / 2,083 = 0,48 (4.16)
Емкость конденсатора С3 :
С3=1/(2*p* fН * RВХ*Ö(МН-1) ) (4.17)
МН=1,04 – коэффициент
вносимых искажений для предварительного усилителя
С3=168*10-6 Ф
Выбираем С3: К50-16 200 мкФ ´ 15 В
|
|
Схема выходного каскада усилителя мощности
|
|
4.2
Расчет предварительного усилителя
Изначально необходимо расчитать
коэффициент усиления по напряжению предварительного усилителя по формуле
А = КUобщ / КU (4.18)
Где КUобщ – коэффициент
усиления по напряжению всего усилителя мощности.
КUобщ = UВЫХ / UВХ =1 / 0,1=10 (4.19)
А=10 / 0,48 =20,83
Расчет фильтра производим по
методике [1] согласно которой сначала выбираем конденсатор С1 из условия:
С1= 10-5 / fСР (4.20)
Где fСР=fВ –частота среза
фильтра.
С1=10-5 / 500 = 20*10-9
(Ф)
Выбираем С1: К72П-3 22 (нФ)
Емкость конденсатора С2
расчитывается по формуле:
С2 = (А-1+в2/4с )*С1 (4.21)
Где с и в – коэффициенты для фильтра
Баттерворта второго порядка (из [таблица 3.1:1]). в=1,414 ; с=1
С2=0,4*10-6 (Ф)
Выбираем С2: К 70-8 0,4(мкФ)
Сопротивление R1 рассчитаем из
условия:
R1 = (1/p*fC C1) / (в+Ö(в2 +
4*с*(А-1-С2/С1 )))=12400 (Ом) (4.22)
Выбираем R1: МЛТ –0,125 12
(кОм)
Сопротивление R2 определяется как
R2=1/(c*C1*C2*R1*(2*p*fC)2) = 1021 (Ом) (4.23)
Выбираем R2 : МЛТ –0,125 1
(кОм)
Исходя из значения коэффициента
усиления А рассчитаем значения сопротивлений резисторов R3 и R4.
R3 = А*(R1+R2)/(А-1)= 13655
(Ом) (4.23)
Выбираем R3 : МЛТ - 0,125 13
(кОм)
R4 = А*(R1+R2) = 270790 (Ом) (4.24)
Выбираем R4 : МЛТ – 0,125 270
(кОм)
4.3 Расчет
токов в цепях предварительного усилителя
Для расчета токов выберем ОУ
применяемый в предварительном каскаде К140УД7. И оновременно проверим
возможность его эксплуатации в данной роли. Его характеристики:
UПИТ =± 12 (В)
IВХ = 200 (нА)
RВХ = 3 (МОм)
IПОТ=2,8 (мА)
KУ U =50000 fКР =0,8 (МГц) IВЫХ=30 (мА)
Ввиду того, что входное
сопротивление велико входным током ОУ можно пренебречь.
Расчет токов произведем на частоте fВ и для нее
расчитаем реактивное сопротивление конденсаторов С1 и С2.
ХС1 = 1/(2*p* fВ*С1) = 16000 (Ом) (4.25)
ХС2 =1/(2*p* fВ*С1) = 795 (Ом) (4.26)
Для расчета токов составим схему
замещения рис 4.3.
На схеме:
UВХ = 0,1 (В); UВЫХ ОУ = UВХ * А = 2,083 (В)
R1’= R1=12 (кОм); R2=R2+ХС2 =1000+795=1795
(Ом)
R3’=ХС1=16
(кОм); R4’= R3 + R4 = 283 (кОм)
По законам Кирхгофа составим систему
уравнений
 I1 + I3
– I2 = 0
I1*R1+ I2*R2
= UВХ
I2*R2+ I3*R3=UВЫХ
ОУ
I4*R4= UВЫХ ОУ
решив данную систему получили
следующие значения токов:
I1= 8 (мкА)
I2= -110 (мкА) I3= -118 (мкА)
I4= 7,36 (мкА)
Полученные токи, которые в 40 раз
превосходят входной ток ОУ, но в 7 раз меньше максимального выходного,
позволяют считать расчет верным т.к входной ток ОУ практически не оказывает
влияния на токи в цепях предварительного усилителя-фильтра, а выходной ток не
превышает максимально допустимый.
|
|
|
Эквивалентная схема для расчета токов
|
|
Выводы
Расчитав схему усилителя мощности
убедился, в том, что с применением операционных усилителей можно создавать
малогабаритные устройства с хорошими характеристиками и малым числом дискретных
элементов. Расчитанный усилитель обладает всеми параметрами представленным в
задании и обеспечивает на активной нагрузке сопротивлением 1 Ом выходную мощность
1 Вт, при амплитуде входного напряжения 0,1 В, усилитель работает в частотном
диапазоне 50…500 Гц и обеспечивает спад АЧХ на границах не менее 20 Дб/дек.
Страницы: 1, 2, 3 |
