电气自动化技术.doc

1.课程设计目的1.1、初步掌握电工、电子、电路分析和设计的基本方法，根据设计任务和要求，通过研究，确定电路方案。1.2、培养自学和独立分析问题、解决问题的能力。通过“观察、判断、实验、在判断“的方法解决问题。1.3、在课程设计的过程中，归纳并掌握模拟电路设计的基本技能。1.4、通过设计使自己加强OCL功率放大电路的理解，学会查询资料、方案比较，以及设计计算等环节，进一步提高分析解决实际问题的能力。1.5、锻炼自己分析、解决电子电路实际问题的本领，真正实现知识向技能的转化，通过此综合计划，为以后的毕业设计打下基础。2.课程设计题目描述和要求OCL(Output Capacitorless无输出电容器)电路是采用正负两组对称电源供电,没有输出电容器的直接耦合的单端推挽电路,负载接在两只输出管中点和电源中点. OCL功率放大器是在OTL功率放大器的基础上发展起来的一种全频带直接耦合低功率放大器，它在高保真扩音系统中得到了广泛应用。本次课程设计需要采用全部或部分分立元件设计此OCL音频功率放大器。并设计出此功率放大器所需的直流稳压电源。设计参数如下所示：1. 额定输出功率。2. 负载阻抗。失真度根据本课题要求，我们所设计的低功率放大器应由以下几部分组成：直流稳压电源、前置放大及功率放大。以下逐一加以设计。3.设计报告内容3.1 设计方案的选定与说明。3.1.1直流稳压电源设计本设计的电源通过变压器变为25 V交流电，经整流滤波得到31 V的直流电；同时直流电再经三端集成稳压电路输出15 V，供应前置放大电路和功率放大器使用。220 V市电经变压器输出两组独立的25 V交流电，大电容滤波得到35 V直流电，再加一个0.1F小电容滤除电源中的高频分量。考虑到制作过程中电源空载时的电容放电可在输出电容并上1 k大功率电阻。另外这组直流电还要传给7824、7924来获得 24 V。万一输入端短路，大电容放电会使稳压块由于反电流冲击而损坏，加两个二极管可使反相电流流向输入端起到保护作用。（如图3.1.1所示）图3.1.13.1.2前置放大级设计前端放大功能是完成小信号的电压放大任务、提高信噪比，其失真度和噪声对系统的影响最大，是应该优先考虑的指标。我采用双运放NE5532（如图2-2所示）。实际制作中将它接成同相放大形式，运放反相端串联47 F的电解电容，让交流信号全反馈，信号放大倍数1+Rf/R0,其中Rf为反馈电阻，在其上并联一个小电容抑制自激震荡，R0为负反馈对地电阻。为了更好的实现对信号的放大，我将放大倍数定为30 dB左右，取Rf = 76 k,R0 = 2.5 k，Avf = 1+76/2.5 = 31.4 dB,由于NE5532需要3 V22 V的电源，所以在三端稳压块7815、7915供给的24 V上加入两个电阻分压，电源用10F、0.1F电容去耦合。普通信号经由输入端输入到前置放大电路，电容滤除信号中的直流量，流入双运放NE5532放大。放大信号可经电阻、电容进行负反馈，通过测试后从输出端输出，形成初步放大信号。如图3.1.2所示。图3.1.23.1.3功率放大器的设计此功率放大器由三部分组成：输入级、推动级和输出级。其中VT1和VT2构成差分式输入级电路，VT3管构成推动级，VT4和VT5是推挽式互补对称输出级。初步放大信号流入由VT1、VT2组成的差分放大电路，由于差分放大电路的阻抗非常大，所以电压在此放大，此外它还具有使输出端的直流电压稳定在零电位上的作用。电路中，R4和C2是VT1和VT2的电源滤波电路；R5、R6和C3是负反馈网络；信号经过VT1、VT2后，再通过由R5、R6和C3组成的负反馈网络，其中由于C3的隔直作用，所以R5只有交流负反馈作用，R6具有较强的直流反馈作用和交流负反馈作用。以使VT1至VT7各管工作稳定，使输出端静态电压稳定在0 V。C4是高频负反馈电容（电容超前补偿电路），以防止电路可能出现的高频自激。VD1是VT4和VT5的静态偏置二极管，它可使电路获得更好的温度补偿。C5是高频自励消除电容；R7用于调整复合管的微导通状态；R8、R9和C6构成自举电路；R10和R12构成平衡电阻；R11和R13可减少复合管的穿透电流，提高电路的稳定性；VT4、VT6以及VT5、VT7构成复合管。推动级VT3起到信号放大的作用。当信号正半周输入时，VT4、VT6导通、VT5、VT7截止，VT4、VT6由正电源供电。扬声器放出信号正半周的放大声音；当信号负半周输入时，VT5、VT7导通、VT4、VT6截止，VT5、VT7由负电源供电。扬声器放出信号负半周的放大声音，由于四只功放管上下的电路完全对称，所以输入信号的正、负半周得到了均匀的放大。功放的输出端与扬声器直接耦合，实现了全频带放大。R14与C9为消振网络，可改善扬声器的高频特性；因扬声器呈感性，易引起高频自激，而且产生瞬时过压，有可能损坏晶体管VT6、VT7，此容性网络并入可使等效负载呈阻性。考虑到如果电路出现故障，导致输出端静态不为0 V。由于SP1的直流电阻很小，这样会有很大的直流电流流过SP1和输出管，会使它们烧坏。在加入保险丝之后，如出现这种现象，保险丝熔断，保护了SP1和输出管，同时保护功放管和扬声器。C7与C8能消除直流电源意外产生的交流量；VCC为直流稳压电源产生的24V直流电。（如图3.1.3所示）图3.1.33.2相关的计算； 3.2.1确定电源电压参数：为了达到设计要求，同时使电路安全可靠地工作，电路的最大输出功率Pom应比设计指标大些一般取Pom（1.52）Po。由于Pom=V 2om/2RL,因此，最大输出电压为Vom=(2POMRL)1/2。考虑到输出功率管VT6和VT7的饱和压降，所以电源电压常取VCC=(1.21.5)Vom。设计要求Po10W。所以由以上公式可得 Pom1520 W Vom15.517.9 V VCC18.626.9 V这里我取了LM7824,LM7924这两个运算放大器，它们所输出的电压为24V，其他指标也均达到要求。因此它们可作为前置放大电路与功率放大器的直流稳压电源。 3.2.2.确定功率输出管的参数：1） 输出功率管的参数选择。输出功率管VT6、VT7为同类型的NPN型大功率管，其承受的最大反向电压UCEmax2VCC,每管的最大集电极电流为ICmaxVCC/Rl,每管的最大集电极功耗为PCmax0.2Pom。再选择两管时除了要注意值尽量对称外，其极限参数应满足下列关系：U(BR)CEOUCEmax2VCCICMICmaxPCMPCmax所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO48 VICM3 APCM34 W这里我选择了两个3DD63C的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。2） 复合管的参数选择。VT4、VT5分别与VT6、VT7组成复合管，它们承受的最大电压均为2VCC，在估算VT4、VT5的集电极最大电流和最大管耗时，可近似为 ICmax(1.11.5)ICmax/PCmax(1.11.5)ICmax/所以选择VT4、VT5管时，其极限参数应满足U(BR)CEO2VCCICMICmaxPCmax所以，根据以上分析可得 U(BR)CEO48 VICM0.330.45 APCM0.330.6 W这里VT4我选择了3DG170H的管子,VT5我选择了3CK9D 的管子，它们的参数基本符合以上分析的数据。3.2.3.其他参数确定:部分重要电阻的参数选择：电阻的选择很重要，太小会影响管子的稳定性，太大又会影响输出功率，R11 = R13=（510）RiT5。（RiT5为VT5管的等效输入电阻，其大小为RiT5=rbeT5+（1+T5）。）由于R10、R12为平衡电阻，故R10=R12=R11(R13)RiT5。所以，我将电阻的参数定为R10=R12=15、R11=R13=150。R14与C9串联的消振网络的参数选择：R14与C9的取值视扬声器的频率响应而定，以效果最佳为好。我取R14=30、C9=0.01F。电容及其他部件的参数选择：由于时间及资料的不足，此部分我仅凭自己的经验进行选择。R1=27k、R2=1.5k、R3=15k、R4=3k、R5=1k、R6=27k、R7=1k、R8=12k、R9=510；C1=10F、C2=20F、C3=30F、C4=20pF、C5=51pF、C6=200 pF、C7=1F、C8=1F。静态偏置二极管VD1选择2CP10。推动级三极管VT3选择3CG120B。此功放不仅能放大普通信号，还能放大一些极其微弱的信号。经过计算此功放的输出功率为12.520.8 W，失真度约为2.13，基本符合设计要求。4.元件清单稳压电源部分：元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电桥D1(D1D4)IN54024电容C10.1 F电桥D2(D5D8)IN54024电容C20.1 F电阻R11 K/1W电容C30.33 F电阻R21 K/1W电容C40.33 F二极管D92CP10电解电容C52200 F /35V二极管D102CP10电解电容C62200 F /35V运放U1LM7824电解电容C72200 F /35V运放U2LM7924电解电容C82200 F /35V电解电容C910 F电解电容C1010 F前置放大级部分：元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电阻R02.5 k电容C110 F电阻R1100 电容C20.1 F电阻R3150 电容C30.1 F电阻Rf76 k电解电容C41 F滑动变阻器Rw1 k电解电容C547 F运放U1NE5532电解电容C610 F电阻R424 电解电容C710 F电阻R5220 功率放大器部分：元器件名称元器件参数元器件名称元器件参数电阻R127 k电容C110 F电阻R21.5 k电解电容C2100 F电阻R315 k电解电容C330 F电阻R43 k电容C420 pF电阻R51 k电容C551 pF电阻R627 k电解电容C6200 F滑动变阻器R71 k电解电容C71 F电阻R812 k电解电容C81 F电阻R9510 电容C90.01 F电阻R1015 三极管VT13DG6电阻R11150 三极管VT23DG6电阻R1215 三极管VT33CG120B电阻R13150 三极管VT43DG170H电阻R1430 三极管VT53CK9D二极管VD12CP10三极管VT63DD63C保险丝限流1mA三极管VT73DD63C扬声器8 注：电源部分元器件采用国际半导体命名方法，其他部分均采用国家半导体命名方法。5.设计总结通过本次设计,让我们更进一步的了解到OCL功率放大器的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.，尤其是对与线性直流稳压电源方面的知识有了进一步的研究。同时实物的制作也提升了我的动手能力，实践能力得到了一定的锻炼，加深了我对模拟电路设计方面的兴趣。理论与实践得到了很好的结合。同时我也体会到了探索和创新的重