Курсовая работа (т): Підсилювач потужності звукової частоти

Ізоляція деталей, яка знаходиться під небезпечною напругою не може бути виготовлена з гігроскопічних матеріалів.

Конструкція приладу має виключати можливість ураження струмом в процесі регулювання.

Конструкція має виключати можливість ураження струмом з боку доступних деталей і тих деталей, які стають доступними після зняття кришки і включенні живлення.

Захист від ураження електричним струмом повинен забезпечуватись і в умовах несправності - при цьому допустиме значення небезпечного струму збільшується в два рази.

2. Функціональне проектування

.1 Розробка та коригування електричної схеми

.1.1 Принцип роботи пристрою

Структурна схема пристрою показана на рисунку 2.1

Рисунок 2.1 - Схема електрична структурна ППЗЧ

Підсилювач потужності звукової частоти складається з таких каскадів: вхідне коло, підсилювач напруги, коло початкового зміщення та кінцевий каскад.

Вихідна потужність підсилювача складає не менше 75 Вт при навантаженні 4 Ом. Смуга відтворюємих частот - від 3 Гц до 100 кГц.

Вхідний каскад підсилювача потужності виконаний на операційному підсилювачі типу КР140УД1101. Цей операційний підсилювач відноситься до швидкодіючих. Частота одиночного підсилення складає 15 МГц, швидкість наростання вихідної напруги 50 В/мкс. Це дуже непоганий операційний підсилювач, а головне не дорогий. Операційний підсилювач виконаний в інверсному включенні. Коло негативного зворотнього зв’язку, охоплюючого весь підсилювач та визначаюче його коефіцієнт підсилення, створюється за допомогою резисторів R1, R4. Конденсатор C10 слугує для формування необхідної АЧХ підсилювача. Для зменшення статичних помилок необхідно підтримувати рівність сумарних опорів, вмикаємих в колах інверсуючого та неінверсуючого входів. Для цього коло неінверсуючого входу операційного підсилювача потрапляє на землю через резистор R2. Для точного встановлення нуля на виході підсилювача потужності використовується коло, створене резисторами R6, R8. Для усунення високочастотних наводок на вхід підсилювача конденсатор C1 разом з резистором R1 створюють ФНЧ. При інверсуючому включенні операційного підсилювача рекомендується використовувати в колі R3, C7, яке збільшує швидкість нарощування вихідної напруги до 150 В/мкс. Через обмежену швидкість відгуку великого сигналу із збільшенням частоти зменшується амплітуда неспотвореного вихідного сигналу. Це коло дозволяє практично збільшити її в три рази. Живлення операційного підсилювача здійснюється стабілізованою напругою 15В, яка стабілізується за допомогою стабілітронів VD1, VD2. Напруга джерела живлення подається на стабілітрони через резистори R14, R15, які слугують для обмеження струму через стабілітрон. Так як максимальна амплітуда вихідного сигналу операційного підсилювача обмежена напругою цього живлення, а кінцевий каскад підсилювача потужності, як відомо не підсилює по напрузі, то максимальна амплітуда на виході такого підсилювача буде обмеженою навіть, якщо на кінцевий каскад буде подаватись в два рази більша напруга. Для усунення цього недоліку перед кінцевим каскадом використовується абсолютно симетричний підсилювач напруги, верхнє плече якого створене транзисторами VT4, VT3, VT5, а нижнє - транзисторами VT1, VT2, VT7. Цей підсилювач напруги володіє високою лінійністю за рахунок симетричності структури. Критерій відбору даних транзисторів - максимальна частота одиничного підсилення. Додатково до транзисторів VT1, VT2… VT4 - малий коефіцієнт шуму. Ланцюги R12, C13 та R10, C12 призначені для усунення збудження підсилювача напруги на високих частотах. Діоди VD3, VD4, VD5 - для прискорення перехідних процесів при виході підсилювача з перенавантаження. Стабілітрон VD6 затримує включення транзисторів VT5, VT7 на час заряду накопичуючи конденсаторів, щоб до моменту їх включення напруги живлення операційного підсилювача досягало режиму його роботи і вони ввійшли в нормальний режим. Вхідний каскад та підсилювач напруги розділені через резистор R5. Коло початкового зміщення на бази транзисторів кінцевого каскаду використана на транзисторі VT6.

Енергетична ефективність підсилювача в основному залежить від економічності кінцевого каскаду, так як каскади попереднього підсилення споживають від джерела живлення незначну енергію. Кінцевий каскад виконаний на транзисторах: верхнє плече - VT8, VT10, VT12 та нижнє - на VT9, VT11, VT13. Для зменшення падіння напруги на p-n переходах транзисторів кінцевого каскаду при протіканні великих струмів транзистори VT10 та VT12, VT11 та VT13 з’єднані паралельно. При цьому струм колектору кожного транзистору зменшується вдвічі. Кожний транзистор кінцевого каскаду охоплений негативними місцевими зв’язками, образованими резисторами R29, R30, R32. Так як весь кінцевий каскад охоплений загальним негативним зворотнім зв’язком за допомогою R25,С25.

Конденсатори С18, С20 попереджають появлення динамічної асиметрії вихідного каскаду. На виході встановлений дросель L1 для виключення будь-яких паразитних дій на вихідний каскад.

Даний підсилювач володіє чудовою перехідною характеристикою, Він здатний працювати на назькоомне навантаження порядку 2 Ом, чудово відпрацьовує скачок у вигляді ступні завдяки широкій полосі пропускання.

Потрібно відзначити що на шляху проходження НЧ сигналу в підсилювачі немає розділюючих конденсаторів нерахуючи вхідного С3, який можливо також виключити, що дозволить без послаблення та внесення фазових спотворень підсилювати НЧ сигнал. Таким чином, даний підсилювач володіє ідеальною фазочастотною характеристикою.

2.1.2 Електричні розрахунки

Завдання:

) розрахувати розмір магнітопроводу, діаметри та кількість витків обмоток, вибрати марку проводу для обмоток;

) перевірити розміщення обмоток у вікні магнітопроводу;

) перевірити температурний режим трансформатора.

Вихідні дані:

) напруга мережі живлення U1 =220В;

) частота мережі живлення f =50Гц;

) напруга та струми вторинної обмотки: U2 =80В, I2 =1 A;

) трансформатор призначений для експлуатації при температурі навколишнього середовища від плюс 45 до мінус 10 оС;

) вага та габарити трансформатора мінімальні.

Розрахунки

1 Потужність, яка знімається з вторинних обмоток трансформатора

= I2U2; (2.1)

=1 ·80=80 [ВА].

Обирається для трансформатора магнітопровід ШЛМ 25×40, виготовлений із сталі 3413 товщиною 0,35мм.

Для цього магнітопроводу Sc=9,3cм2, Gс=1130г, lc=15,9cм.

Індукція в магнітопроводі Вт=1.55Тл.

ЕРС, яка наводиться в одному витку

е=4.44×Вm×f×Sc; (2.2)

е=4,44·1,55·50·9,3·10-4=0,32 [В].

5 Очікуване падіння напруги в обмотках трансформатора для первинної обмотки ∆U01=6,1% для вторинної обмотки ∆U02=7,8%.

Попереднє число витків для обмоток трансформатора

Для первинної обмотки

 ; (2.3)

де U - напруга в обмотці;

∆U - очікування падіння напруги в обмотці;

е - ЕРС, яка наводиться в одному витку.

 [витків].

Для вторинної обмотки

 (2.4)

 [витків].

7 Індукція в магнітопроводі при роботі трансформатора на холостому ході

= Bm (1+∆U01/100); (2.5)

=1,55(1+6,1/100)=1,64 [Тл].

Питомі втрати потужності в сталі магнітопроводу

Рс.пит. = 4 при Bт =1,55 Тл

Рс.пит. = 5 при Bom =1,57 Тл

9 Складова частина струму первинної обмотки, яка залежить від струмів вторинної обмотки

І′1a=I2U2/U1; (2.6)

І′1a=1·80/220=0.36 [А].

10 Значення коефіцієнта k=1,27.

Орієнтоване значення струму первинної обмотки

I= k×І′1a; (2.7)

=1,27·0,36=0,45 [А].

Втрати в сталі

Рс=Рс.пит.Gс; (2.8)

Рс=4·1,13=4,52 [Вт] при Вт = 1,55Тл;

Рс=5·1,13=5,65 [Вт] при Bom =1,64Тл.

11 Попереднє значення втрат в міді всіх обмоток

 (2.9)

Рм=0,45·220·0,061+1·80·0,078=13,27 [Вт].

12 Складова частина струму первинної обмотки, яка залежить від втрат в трансформаторі

І′′1a=(Pc+Pм)/U1; (2.10)

І′′1a=(1,156+1,04)/220=0,00998 [А].

І′′1a=(4,52+122,8)/220=0,08 [А].

13 Повна активна складова струму первинної обмотки

І1a=І′1a+І′′1a; (2.11)

І1a=0,36+0,08=0,44 [А].

14 Напруженість магнітного поля, необхідна для створення в магнітопроводі індукції

=5,2aw при Вm=1,55 [Тл];=9 aw при Вm=1,64 [Тл].

Реактивна складова частина струму первинної обмотки при роботі під навантаженням Ip і на холостому ході Iор

=awlc/w1; (2.12)

Ip =5,2·15,9/646≈0,127 [А];ор =9·15,9/646≈0,22 [А].

16 Повний струм первинної обмотки

 (2.13)

[А].

Оскільки отримане в п.16 значення I1=0,457А майже не відрізняється від орієнтованого значення в п.10 I1=0,45А приймаємо I1=0,457А.

18 Активна складова частина струму холостого ходу

оа=Рс/U1; (2.14)

Iоа=5,65/220=0,025 [А].

19 Струм холостого ходу

 (2.15)

 [А].

20 Щільність струму

В первинній обмотці

j=5,5 .

В вторинній обмотці=6,8 .

Діаметр проводів обмоток

 (2.16)

 [мм];

 [мм].

Обирається для первинної обмотки провід марки ПЭМ-2 діаметром 0,415мм (в ізоляції dіз=0,355мм). Для вторинної обмотки обирається провід марки ПЭМ-2 діаметром 0,51мм (в ізоляції dіз=0,45мм.).

23       Довжина шару обмотки

l=42мм.

Кількість витків в шарі обмотки

ш=lky/dіз , (2.17)

де ky - коефіціент укладки.

Для первинної обмотки

ky1=0,93;

wш1=420,93/0,355=95 [витків]

Для вторинної обмотки

ky2=0,93;ш2=42·0,93/0,45=77 [витків].

24 Кількість шарів кожної обмотки

ш=w/wш; (2.18)

nш1=646/95=6,8;ш2 =270/77=3,15.

Приймаємо: nш1=7; nш2=4.

25 Перевіряється можливість укладання необхідної кількості витків в розраховану кількість шарів з укладанням зменшення φ кількості витків в шарах (у кожного наступного ряда ширина обмоток зменшена по відношеню до попередньго на один виток, щоб запобігти “сповзанню” крайніх витків); значення φ береться із довідника.

Для першої обмотки: 95·7-21=644<646. φ=21.

Для другої обмотки: 77·4-6=302>270. φ=6.

Витки у вказаній кількості шарів укласти можливо тільки для вторинної обмотки. Для первинної приймається nш1=8, φ=8.

Перевірка: 95·8-28=732>646.

Витки у вказаній кількості укласти можливо.

26 Товщина ізоляційних матеріалів в котушці трансформатора.

Товщина гільзи ∆2=1,5 мм.

Міжшарова ізоляція для всіх обмоток - папір електроізоляційний обгортковий ЭН-50 товщиною 0,05мм, ∆р=0,05мм.

Зовнішня та міжобмоточна ізоляція - по два шари кабельного паперу К-120 загальною товщиною 0,24мм, ∆з=0,24мм; ∆м=0,24мм.

Товщина обмоток

α=nш×dіз+(nш-1)∆р; (2.19)

α1=8×0,355+(8-1)0,05=3,19 [мм];

α2=4×0,45+(4-1)0,05=1,95 [мм].

Товщина котушки

 (2.20)

Sk=(3,19+1,95×0,24)×1,1+1.5+0,24=10,4 [мм].

Перевіряється зазор між котушкою і магнітопроводом

β=с-Sk , (2.21)

де с - ширина вікна магнітопроводу.

β=15-10,4=4,6 [мм].

Значення зазору складає 30%, що знаходиться поза межами рекомендованих значень 10-20% із-за неекономічності магнітопроводу.

Відстань від гільзи до середини обмоток

Первинної

δ1=α1/2; (2.22)

δ1=0,99/2=0,495 [мм].

Вторинної

 (2.23)

δ2=0,99+0,24+0,27/2=1,36 [мм].

Середня довжина витка обмотки

lcрі=М+2πδі , (2.24)

де М - зовнішній периметр гільзи обмотки.

М=142 [мм];рі1=142+6,28×0,495=145,1 [мм];рі2=142+6,28×1,36=150,5 [мм].

Довжина проводів обмоток

lі=lcрі×wі; (2.25)

11=145,1×646=93734мм =93,8 [м];

12=150,5×270=40635мм =40,64 [м].

Опір обмоток при температурі плюс 20оС

R=ρ(4li/πd2); (2.26)

R1=0,0175×(4×93,8/3,14×0,4152) =12,1 [Ом];

R2=0,0175×(4×40,6/3,14×0,512) =3,5 [Ом].

Задаються максимальна температура обмотки плюс 115оС; перевищення температури над нормою складає

∆t=115-20=95 [оС].

Опір обмоток при температурі 115оС

=R(1+0,004∆t); (2.27)=R(1+0,004×95)=1,38R; (2.28)=1,38×12,1=16,7 [Ом];=1,38×3,5=4.83 [Ом].

Падіння напруги на обмотках

∆U=I×R; (2.29)

∆U1=0,457×16,7=7,63 [В]; (∆U1/U1)%=(7,63/220)×100% =3,47 [%];

∆U2=1×4.83=4.83 [В]; (∆U1/U1)%=(4.83/80)×100%=6 [%];

[витків].

 [витків].

Отримані падіння напруги та кількість витків трансформатора мало відрізняються від тих величин, які були вибрані в пунктах 5 та 6.

Потужність, яка розсіюється на обмотках

м=I×∆U; (2.30)

м1=0,457×7,63=3,5 [Вт];м2=1×4.83=4.83 [Вт].

Сумарні втрати в міді

Р∑=∑Рі; (2.31)

Р∑ =3,5+4.83=8,33 [Вт].

Температура перегрівання трансформатора

, (2.32)

де RTMВ - тепловий опір мережі магніпровід - повітря;

РТ - тепловий опір трансформатора;

 [оС].

Температура нагрівання трансформатора при максимальній температурі навколишнього середовища плюс 45оС

tmp=tнав.+Θ; (2.33)

=45+39,9=84,9 [оС].

Температура нагрівання обмоток трансформатора не перевищує допустиму для вибраної марки проводу ПЭМ-2.

Результати розрахунків

Типорозмір магнітопроводу ШЛМ 25×40;

Провід для обмоток ПЭМ-2 діаметром ізоляції 0,355мм для первинної обмотки і 0,45 мм для вторинної;

Температура перегрівання трансформатора 39,9 оС;

Максимальна температура нагрівання 84,9 оС.

3. Конструкторське проектування

.1 Концепція побудови конструкції

Інформативною базою конструкторського проектування є розроблені схеми, а нормативною базою - вимоги ТЗ.

Основними задачами конструювання є:

) вибір проектування оптимальних до ТЗ видів, типів, номіналів та інших елементів;

) вибір методу проектування;

) вибір марок матеріалів конструкції, видів та параметрів покрить;

) вибір чи розрахунок форми, виду та розмірів конструкції, яка забезпечує електромагнітну сумісність складових частин, допустимий рівень теплового поля;

) визначення просторового розміщення складових частин всередині та назовні РЕА та їх механічного закріплення (компоновка РЕА);

) визначення виду захисту РЕА від зовнішніх факторів навколишнього середовища (механічні навантаження, волога, пил, загазованість та ін. в залежності від умов експлуатації);

) естетичне оформлення зовнішнього вигляду згідно з вимогами ергономіки та технічної естетики (зовнішня компоновка).

Конструкція повинна забезпечувати виконання заданих функцій з необхідною ефективністю та надійністю на протязі встановленого часу в заданих умовах експлуатації, транспортування чи зберігання і бути технологічною при виготовленні в заданих умовах виробництва.

Висока складність сучасної РЕА вимагає від її проектувальника паралельності схемотехнічного, конструкторського та технологічного проектування, тобто одночасного врахування функціональних, конструкторських та виробничих вимог. Такий підхід до проектування називається системним ( РЕА представляють як цільну систему з підсистемами різних вимог і факторів, а метою проектування є оптимальність системи вцілому, а не окремих підсистем - Схеми, конструкції і т.д. )

Останнім часом темпи розвитку конструкцій РЕА випереджають темпи розвитку схемотехніки, тому саме конструкція і її удосконалення є основною задачею проектування РЕА.

Проектування починають з аналізу розроблених схем та вимог технічного завдання. Як і при розробці схем, доцільно також спочатку проаналізувати конструкції аналогів, щоб запозичити в них вже випробувані рішення. Це дає змогу проектувальнику сформувати для себе найзагальніше уявлення про можливу будову конструкції, тобто намітити концепцію - основні моменти конструкції. В процесі конструювання РЕА ця концепція буде уточнюватись, деталізуватись, можливо змінюватись.