đồ án kỹ thuật mạch điện tử đề tài thiết kế mạch khuếch đại công suất otl

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.1 MB, 37 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ

Đề tài:THIẾT KẾ

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT OTL

Giảng viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Linh NamSinh viên thực hiện : Dương Anh Huy a

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Khoa Điện – Điện tử Độc lập – Tự do – Hạnh phúc —oo0oo—

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Linh Nam

Họ và tên sinh viênLớpMã sinh viên

2. Các số liệu ban đầu:

3. Nội dung các phần thuyết minh:

Cơ sở lý thuyết: Các nội dung, lý thuyết chính liên quan đến nhiệm vụ

Phần 1:

thiết kế đề tài: linh kiện điện tử, mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, mạch khuếch đại công suất, phương pháp ghép tầng, hồi tiếp, ổn định, bảo vệ quá áp, quá dòng,…

Phần 2: Thiết kế: Tính tốn, thiết kế, chọn lựa linh kiện, giá trị cho các linh kiện

trong mạch. Bao gồm tầng khuếch đại công suất, tầng khuếch đại thúc, tầng khuếch đại phối hợp trở kháng đầu vào, tầng bảo vệ, lọc nhiễu,…

Phần 3: Mô phỏng: Thực hiện mô phỏng, đánh giá dạng sóng, các tham số dịng

điện, điện áp tại các nhánh, các nút, trong sơ đồ thiết kế trên cơ sở đó có những nhận xét và chọn lựa giá trị tối ưu cho mạch.

Phần 4: Thi công: Thiết kế PCB, chuẩn bị linh kiện, thi công, kiểm thử, hiệu chỉnh

và đánh giá sản phẩm.

4. Tài liệu tham khảo: Các tài liệu môn học

Đà Nẵng, ngày……tháng……năm 2022

Giảng viên hướng dẫn

TS. Nguyễn Linh Nam

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

1.1 Khuếch đại tín hiệu nhỏ...1

1.2.4 Tầng khuếch đại đơn (tầng khuếch đại chế độ A)...8

1.2.5 Tầng khuếch đại đẩy kéo...10

1.3 Các biện pháp nâng cao hệ số khuếch đại...16

2.3.5 Tính bộ tản nhiệt cho các transistor cơng suất:...27

PHẦN 3. MƠ PHỎNG VÀ THI CƠNG SẢN PHẨM...28

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

PHẦN 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Khuếch đại tín hiệu nhỏ

1.1.1 Mạch E chung – EC

Sơ đồ mạch:

Sơ đồ tương đương tín hiệu nhỏ:

Chức năng các linh kiện:

R1, R2 : Điện trở phân cực cho transistor RC : Điện trở tải cực C cho transistor

Theo mơ hình tương đương vật lý của transistor, ta có:

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 1

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Vì r rất lớn so với R , R nên bỏ qua r nên R = RceCtcerC//Rt

1.1.1.3 Hệ số khuếch đại dòng điện:

1.1.1.4 Hệ số khuếch đại điện áp:

1.1.1.7 Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào:

Ở bán kỳ dương của tín hiệu vào dịng i tăng i = βi tăng v = V – ib  cb  cCCcRC giảm  tín hiệu ra giảm.

Ở bán kỳ âm của tín hiệu vào dòng i giảm i = βi giảm v = V – ib  cb  cCCcRC tăng  tín hiệu ra tăng.

Như vậy, đối với mạch E chung thì tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào.

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 2

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

1.1.2.3 Hệ số khuếch đại dịng điện:

Mạch khuếch đại B chung khơng khuếch đại điện áp.

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 3

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

1.1.2.4 Hệ số khuếch đại điện áp:

1.1.2.5 Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra:

Ở bán kỳ dương của tín hiệu vào dịng i = – i giảm (i là dịng điện của tín hiệu)e nn

 i = αi giảm ce  v = V – icCCcRC tăng tín hiệu ra tăng.

Ở bán kỳ âm của tín hiệu vào dịng i = – i tăng (i là dịng điện của tín hiệu) i enn  c

= αi tăng v = V – ie  cCCcRC giảm tín hiệu ra giảm.

Như vậy, đối với sơ đồ BC tín hiệu ra cùng pha tín hiệu vào.

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

1.1.3.4 Mối quan hệ giữa tín hiệu vào tín hiệu ra:

Ở bán kỳ dương của tín hiệu vào dịng i tăng i = (1 + β)i tăng = ib  e b  eRE tăng 

Mạch khuếch đại C chung có trở kháng vào lớn và trở kháng ra nhỏ phù hợp cho việc phối hợp trở kháng giữa trở kháng nhỏ của tải và trở kháng lớn của nguồn tín hiệu. Mạch C chung có hệ số khuếch đại dịng lớn và không khuếch đại điện áp. Mạch C chung thường được dùng phối hợp trở kháng ra nhỏ và trở kháng vào lớn của nguồn tín hiệu hoặc dùng làm khuếch đại đệm, khuếch đại công suất đơn chế độ A đầu ra không biến áp.

Mạch khuếch đại B chung có hệ số khuếch đại điện áp lớn, trở kháng vào nhỏ, trở kháng ra lớn, không khuếch đại dòng. Thường được dùng làm tầng ra của bộ khuếch đại.

Mạch khuếch đại E chung có hệ số khuếch đại dòng và khuếch đại điện áp lớn nên thường được dùng làm tầng khuếch đại công suất.

Bảng 1: Bảng tham số của mạch EC, BC, CC

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 5

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Z0 Lớn (1,03M) Trung bình (52,6K) Nhỏ (32)

1.2 Mạch khuếch đại cơng suất

1.2.1 Những vấn đề chung

Tầng khuếch đại cơng suất có nhiệm vụ đưa ra cơng suất lớn để kích thích cho tải cơng suất ra của nó cỡ vài phần mười W đến lớn hơn 100W. Công suất này đưa ra tải dưới dạng điện áp hoặc dịng điện có biên độ lớn. Khi khuếch đại tín hiệu lớn, các transistor khơng làm việc trong miền tuyến tính vì vậy những sơ đồ tín hiệu bé khơng cịn phù hợp.

Tầng khuếch đại cơng suất có thể dùng transistor lưỡng cực hoặc I khuếch đại C

công suất. Tùy theo cách mắc mà ta chia khuếch đại công suất thành hai loại: khuếch đại cơng suất có biến áp và khuếch đại cơng suất khơng có biến áp.

1.2.2 Các thơng số cơ bản

Ngồi những thơng số kỹ thuật đặc trưng như tổng trở kháng vào, tổng trở kháng ra, hệ số khuếch đại dòng điện, khuếch đại điện áp,…cịn có các thơng số đặc trưng như là:

Hệ số khuếch đại công suất K : là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào:p

Với P : Công suất ngõ ra.0

P : Công suất ngõ vào.in

Hiệu suất là tỉ số giữa công suất ra và công suất nguồn cung cấp một chiều P :DC

Hiệu suất vào càng lớn thì tổn hao trên Collector của transistor càng nhỏ. Trở kháng vào: yêu cầu trở kháng vào lớn tương đương với dòng tín hiệu nhỏ. Nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dịng lớn.

Cơng suất tiêu tán cực đại của transistor công suất là công suất cực đại của transistor cơng suất có thể chịu đựng liên tục nếu được giải nhiệt đầy đủ.

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

1.2.3.1 Chế độ A

Chế độ khuếch đại gần như tuyến tính, góc cắt . Khi tín hiệu vào hình sin thì dịng tĩnh ln ln lớn hơn biên độ dịng điện ra. Vì vậy, hiệu suất của bộ khuếch đại chế độ A rất thấp (nhỏ hơn 50%).

1.2.3.2 Chế độ AB

Góc cắt lớn hơn 90º ( nhỏ hơn 180º). Ở chế độ này có thể đạt hiệu suất cao hơn chế độ A vì dịng tĩnh lúc này nhỏ hơn ở chế độ A. Điểm làm việc nằm trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của transistor.

1.2.3.3 Chế độ B

Có góc cắt bằng 90º. Điểm làm việc tĩnh được xác định tại U . Chỉ một nữa chu BE

kỳ âm hoặc dương của điện áp được transistor khuếch đại.

1.2.3.4 Chế độ C

Có góc cắt nhỏ hơn 90º. Hiệu suất chế độ C khá lớn (lớn hơn 78%) nhưng méo lại rất lớn, nó thường được dùng trong các bộ khuếch đại tần số cao và dùng với tải cộng hưởng để có thể lọc được hài bậc nhất như mong muốn.

1.2.4 Tầng khuếch đại đơn (tầng khuếch đại chế độ A)

Trong tầng khuếch đại chế độ A điểm làm việc thay đổi đối xứng xung quanh điểm tĩnh Q. So với khuếch đại tín hiệu bé thì biên độ tín hiệu lớn. Tầng khuếch đại đơn thường dùng sơ đồ chung Emitter hoặc lặp Emitter (trình bày sau) vì sơ đồ này có hệ số khuếch đại dòng điện lớn hoặc méo phi tuyến nhỏ.

1.2.4.1 Sơ đồ Emitter chung

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Dựa vào đồ thị ta có:

Cơng suất P sẽ đạt cực đại khi tức r

Để xác định hiệu suất cần xác định công suất cung cấp DC: Hiệu suất:

Khi ghép biến áp có thể tăng hiệu suất lên 50% vì có thể bỏ qua điện trở DC của một biến áp, nghĩa là giảm nguồn cung cấp DC.

1.2.4.2 Sơ đồ lặp Emitter:

Sơ đồ mạch:

Sơ đồ lặp Emitter rất thích hợp đối với tầng khuếch đại công suất. Sơ đồ này dễ dàng phối hợp trở kháng với tải. Để có tín hiệu ra lớn, ta chọn điểm làm việc tĩnh ở giữa đường tải.

Ta có:

Biên độ cực đại: Cơng suất cực đại:

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 8

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

: để giảm tổn thất tín hiệu

Với , : là điện trở xoay chiều và một chiều từ cực Base Q đến M.1

Từ đặc tuyến vào của Q (2SC5200) ta có:1

IBQ = 0,89mA I = 0,05A V CQ  BEQ = 0,65V IBp = 49,78mA I = 2,7A V = 0,75V Cp  BEp

Khi đó trở kháng trở kháng xuống M lúc này là:

So sánh với tính ở trước là ta thấy khi thêm R , R vào thì sai khác không đáng 34

Như vậy, tải xoay chiều của Q là3

Để tìm được Q , Q ta tìm cơng suất tiêu tán lớn nhất của chúng. Gọi là biên độ 34

dòng AC chạy qua Q , ta có:3

Dịng cung cấp xoay chiều trung bình cho Q :3

Công suất nguồn cung ấp cho Q :3

Công suất cung cấp cho tải của Q :3

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 20

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Công suất tiêu tán xoay chiều trên Q :3

Lấy đạo hàm theo và cho bằng 0 ta được:

Vậy cơng suất tiêu tán lớn nhất do dịng xoay chiều rơi trên Q là:3

Công suất tiêu tán tĩnh trên Q :3

Vậy công suất tiêu tán cực đại trên Q :3

Vậy chọn cặp Q , Q là cặp bổ phụ thỏa mãn điều kiện sau:34

Dựa vào sổ tay tra cứu Transistor cột bổ phụ ta chọn: Q :TIP41, Q :TIP42 34

Để tránh méo tín hiệu xuyên tâm đồng thời ổn định điểm làm việc cho các cặp transistor khuếch đại cơng suất thì các tổ hợp này phải làm việc ở chế dồ AB. Vì vậy, ta dùng D , D , D , VR để tạo ra áp ban đầu cho các transistor để khi có tín hiệu vào 1231

thì các transistor khuếch đại công suất dẫn ngay.

Chọn D , D , D là loại 1N4007 là loại diode thủy tinh.123

Để Q , Q làm việc ở chế độ tĩnh 50mA thì điện áp trên tiếp giáp BE của các tổ 12

hợp transistor ở chế độ tĩnh là 0,6V. Ta có:

Để dịng tĩnh Q ít thay đổi và tránh méo tín hiện ta chọn5

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 21

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

và dùng Diode Zenner để ổn định áp phân cực cho tầng lái.

Như vậy, ba diode D , D , D và VR đảm bảo cho Q , Q và Q , Q làm việc ở 12311324

chế đồ AB, tức là ngay khi có tín hiệu vào.

Lợi dụng tính chất ghim áp ủa diode (dịng qua diode tăng nhưng áp đặt lên diode hầu như không đổi. Muốn được như vậy ta chọn sao cho điểm làm việc nằm trong đoạn tuyến tính nhất (đoạn thẳng)).

Lúc này:

Chọn VR = 200Ω. Sau đó hiệu chỉnh lại.1

2.3.3.2 Tính transistor Q làm nguồn dịng:6

Q6 tạo dịng điện ổn định phân cực cho Q và ổn định làm việc cho hai cặp 5

Dalington ở tầng xoay khuếch đại cơng suất. Chính nội trở nguồn dịng ở chế độ xoay chiều lớn nên tăng hệ số khuếch đại của tầng lái, phối hợp trở kháng vào lớn của 2 cặp Dalington làm nâng cao hiệu suất mạch.

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Ta có:

 Chọn R11=220KΩ

Chọn R = 33KΩ và VR = 10KΩ82

Do Q hoạt động ở chế độ A được dùng làm nguồn dịng nên cơng suất tiêu tán 6

lớn nhất của nó là cơng suất tiêu tán tĩnh. Điện áp DC trên tiếp giáp CE của Q là:8

Vậy ta chọn Q thỏa các điều kiện sau:8

Dựa vào bảng tra cứu ta chọn Q6: 2SC2383

Transistor Q làm nhiệm vụ nâng cao tín hiệu đủ lớn để kích cho tầng thúc làm 5

việc và đảo pha cho tầng công suất. Q được chọn làm việc ở chế độ A. Q có tải lớn 55

nên hệ số khuếch đại lớn. Ta phải chọn điểm làm việc của Q sao cho khi khơng có tín 5

hiệu vào điện thế vào cực E của Q , Q ≈ 0, lúc này sụt áp trên tải ≈ 0.12

Trở kháng tải của Q :5

với 

Điện thế trên cực C, E của Q :5

Công suất tiêu tán tĩnh của Q :5

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 23

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Do ta chọn nên khi có tín hiệu vào thì dịng khơng ảnh hưởng nhiều đến dịng cực đại qua Q 5

Vì Q làm việc ở chế độ A nên 5

Từ những tính tốn trê ta chọn Q phải thỏa những điều kiện sau:5

Theo sách tra cứu 1000 transistor quốc tế ta chọn Q : 2SC2383 có các thơng số sau:7

Hệ số khuếch đại điện áp tầng thúc:

Hệ số khuếch đại điện áp Q , Q , Q , Q : Do Q , Q và Q , Q mắc C – C nên 12341234

Hệ số khuếch vòng hở mạch: Hệ số khuếch đại tồn mạch:

2.3.5 Tính bộ tản nhiệt cho các transistor cơng suất:

Khi chuyển đổi thành cơng có ích, một phần cơng suất sẽ làm nóng các transistor cơng suất. Nếu nhiệt độ tăng lên quá mức thì các transistor dễ bị hỏng.

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 24

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Giả sử nhiệt độ môi trường xung quanh loa là 50ºC Nhiệt độ tồn phần:

Nhiệt trở K khi có cảnh tản nhiệt: K = K + K + Kcmcvtv

Với K : nhiệt trở từ cánh tới môi trườngcm

K : nhiệt trở từ vở đến cánhvc

K : nhiệt trở từ tiếp giáp đến vỏtv

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 25

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

PHẦN 3. MÔ PHỎNG VÀ THI CÔNG SẢN PHẨM

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

Dòng của mạch ở 2 bán kỳ:

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 27

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

3.1.2 Mô phỏng điện áp vào ra của mạch

3.2 Thi công mạch

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 28

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

3.2.2 Sơ đồ mạch in

3.2.3 Sơ đồ mạch 3D

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 29

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

3.2.4 Mạch thực tế

3.3 Tác dụng linh kiện

Q1, Q và Q , Q : Các cặp transistor ghép dalington khuếch đại công suất.324

R1, R : Điện trở ổn định nhiệt và cân bằng dòng ra.2

Q6: Transistor tiền khuếch đại dẫn dịng kích cho tầng thúc. R11, R : Cầu phân áp cho Q .126

C3: Tụ liên lạc ngõ vào. C1: Tụ liên lạc ngõ ra.

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 30

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT MẠCH ĐIỆN TỬ GVHD: TS. NGUYỄN LINH NAM

PHẦN 4. ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN

4.1 Những kết quả đạt được

Thiết kế và chế tạo được mạch khuếch đại công suất âm tầng OTL – 30W có khả năng sử dụng rộng rãi.

Đạt được những mục tiêu và yêu cầu ban đầu.

Vận dụng được nhiều kiến thức về khuếch đại công suất trong q trình thi cơng. Tìm hiểu được nhiều mẫu có thể sử dụng sau này.

Tham khảo được nhiều ý tưởng hay, có nhiều sáng tạo trong thiết kế. Khả năng tìm tài liệu trên mạng.

Khả năng làm việc nhóm.

4.2 Những thuận lợi và khó khăn khi thực hiện đề tài

4.2.1 Thuận lợi

Nhờ những trang thiết bị của trường, đã tạo điều kiện thuận lợi cho hóm trong q trình tìm kiếm tài liệu trên mạng, cũng như trong quá trình thiết kế và thi cơng.

4.2.2 Khó khăn

Thời gian thực hiện đề tài có giới hạn.

Nhóm gặp nhiều khó khăn trong việc tìm tài liệu (khả năng sử dụng tiếng Anh của nhóm cịn hạn chế với những tài liệu nước ngồi).

Mất nhiều thời gian trong q trình thiết kế do phải lựa chọn nhiều phương án nhằm đáp ứng yêu cầu đề ra ban đầu.

4.3 Những ưu điểm và nhược điểm của đề tài

4.3.1 Ưu điểm

Mô phỏng cho thấy mạch hoạt động khá ổn định ở mức cơng suất thấp, sóng đầu ra khơng bị méo hay bị biến dạng, hiệu suất cao, chế độ làm việc ổn định.

4.3.2 Nhược điểm

Mơ phỏng cho thấy sóng đầu ra bị xén ở mức công suất cao. Bị suy giảm biên độ tín hiệu ở tần số thấp do ngõ ra dùng tụ.

4.4 Hướng phát triển

Tối ưu mạch.

Sinh viên thực hiện: Dương Anh Huy – Nguyễn Đức Tiên Trang 31