THIẾT KẾ MẠCH OTL NGÕ VÀO ĐƠN (chi tiết)

Bước sang thế kỷ 21 , khoa học kỹ thuật - mà Điện Tử Viện Thông lại là một ngành mũi nhọn luôn đi tiên phong trong mọi lĩnh vực đã và đang ngày càng phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc . Sự ra đời của những con Chíp , những Vi mạch với mức độ tích đến vài chục triệu Transistor/Chíp . Tuy nhiên , với chúng ta - Những sinh viên điện tử , đang chỉ mới bắt đầu trong ngành thì việc thiết kế một mạch điện từ những linh kiện rời mới thật sự bổ ích .

PHẦN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH OTL NGÕ

VÀO ĐƠN

Trở kháng vào: Z i = 200 (kΩ) Trở kháng loa: P L = 8 (Ω) Điện áp vào: V i = 0,5 (V) Méo phi tuyến: γ ≤ 0,30 % Băng thông: 30 Hz ÷ 15 kHz

Tác dụng cuả các linh kiện:

Q1, Q3 và Q2, Q4: các cặp BJT ghép Dalington khếch đại công suất

Q5: BJT khuếch đại thúc

Q7: BJT khuếch đại đầu vào

Q6, VR2, D4, D5, D6: tạo thành nguồn dòng

Q8, Q9: Các BJT bảo vệ quá tải, ngắn mạch

R1, R2: Điện trở ổn định nhiệt và cân bằng dòng ra

R3, R4: Điện trở rẽ dòng nhiệt

R15, R16, R17, R18,: Điện trở phân cực cho Q8, Q9

D1, D2, D3, VR1: Định thiên áp để các BJT công suất Q1, Q2 làm việc ở chế độ AB

R8: Điện trở ổn định nhiệt cho Q5

VR3, R9, C3: Thành phần hồi tiếp âm để mạch ổn định

R10, R11: Cầu phân áp cho Q5

R13, R14: Cầu phân áp cho Q7.

R12, CL: Mạch lọc nguồn loại bỏ các thành phần tần số cao, chống hiện

tượng dao động tự kích trong mạch

C1: Tụ liên lac ngõ vào

C2: Tụ liên lac ngõ ra

R20, C4: Thành phần cân bằng trở kháng loa ở tần số cao

1 Tính toán tầng nguồn

1.1 Biên độ tín hiệu ra loa:

Tín hiệu vào mạch khuếch đại có dạng: v= V.sinωt

Nếu hệ thống là tuyến tính thì tín hiệu trên tải là:

vL = VLP.sinωt + VLo

iL = ILP sinωt + ILoTrong đó: VLP, ILP là biên độ điện áp và dòng ra trên tải

VLo, ILo là điện áp và dòng DC trên tải

Do tầng công suất làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh và điện áp tĩnh trên tải là không đáng kể nên:

vL = VLP sinωt

iL = ILP sinωt Gọi VL, IL là điện áp và dòng hiệu dụng trên tải Khi đó ta có:

R

V

=

L L 2

R

V

=

L LP 2

R2V

1.2 Điện áp nguồn cung cấp:

Do Q1, Q2 làm việc ở chế độ AB nên chọn hệ số sử dụng nguồn ξ = 0,8 Để tránh méo tín hiệu ra chọn Vcc ≥ 2VLP

→ 2.VLP = ξ.VCC → VCC =

ξ

LP

V2

=

8,0

31.2

= 77,5 (V) Chọn nguồn cung cấp 80 (V)

2 Tính toán tầng công suất

Để tránh méo xuyên tâm, đồng thời đảm bảo hiệu suất Chọn Q1, Q2 làm việc ở chế độ AB Vì mạch làm việc ở chế độ AB nên dòng tĩnh collector nằm trong khoảng 20÷50mA Ở đây, chọn IEQ1 = IEQ2 = 50 (mA)

Dòng đỉnh qua Q1, Q2 là:

IE1p = IE2p = ILp + IEQ1 = 3,87(A) + 0,05(mA) = 3,92(A)

2.1 Tính toán R1, R2:

R1, R2 có tác dụng ổn định nhiệt và cân bằng dòng cho Q1, Q2 và tín hiệu trên

R1, R2 cũng là tín hiệu qua loa:

ie1 = ie2 = ILP.sinωt ( trong khoảng 0 → π )

R1 = R2 =

P 1 E

P 1 R

I

V

= 0,40( )92

,3

55,1

π 0

2 0

2 2

2

42

2cos12

1sin

2

LP LP

I t d

t I

t td I

( Vì dòng qua R1 chỉ một nữa chu kỳ )

⇒ PR1 = PR2 = R1 1,49( )

4

)87,3(.40,04

2 2

π

LP LP

I t td

) 2 (

2

* Nếu bỏ qua công suất tiêu tán trên R1, R2 thì công suất tiêu tán trên tiếp xúc Jc phân cực ngược của 02 BJT Q1, Q2 là:

= Thay vào (2.1) ta có công suất tiêu tán cực đại trên mỗi BJT là:

)W(26,208 4

80

4

1)2

1(

2

1

2

2 2

2 2

2 2

2

ππ

π

CC L

CC L

CC AC

V R

V R

V P

* Nếu không bỏ qua công suất tiêu tán trên R1, R2 thì:

) W ( 49 , 1 ) 87 , 3 (

4 , 0 4

1 4

1 ) 2 (

1

2 1

2 1 2

L R

P

Công suất tiêu tán trên 2 BJT Q1, Q2 là:

2 1

2

1.222

L

LP cc R L cc

1 2 2

2 2

−

−

= cc L LP LP LP

ttAC

I R I

R

V dI

V I

R

) ( 1

max

R R

V I

2

1 ) (

2

)

(

( 2

1

2 1 2

2 1 2

1 2

2 1

2

2 max

R R

V R R

R

V R R

R

V P

L

cc L

cc L L

cc

= 19 , 29 ( W )

) 4 , 0 8 (

80 4

1 ) (

4

1

2 2 1

2

2

= +

= + π

π R R

V L

Công suất tiêu tán trên mỗi BJT do dòng tĩnh:

) W ( 2 ) ( 50 2

) ( 80

Vậy công suất tiêu tán trên 1 BJT là:

W)(29,21229,

19 + =

=+

Dải tần cho phép của 2SA1943 là:

)(5,187160

50)1

fe

Q E Q

+

=+

=

)(70)(07,0551

92,3)1

fe

P E P

+

=+

=

* Theo đặc tuyến vào của BJT 2SC5200

) ( 05 , 0 ) ( 50

I C Q = = → V B1E1Q = 0 , 6 (V)

)(92,3

I C P = → V B1E1P =0,78(V)

Ta có R3, R4 là điện trở rẽ dòng nhiệt: Vừa ổn định điểm làm việc tĩnh cho Q3,

Q4 vừa làm tăng tốc độ chuyển mạch cho Q1, Q2 trong miền tần số thấp

Đối với tín hiệu 1 chiều: R3, R4 cho đi qua dễ dàng, còn đối với tín hiệu xoay chiều thì R3, R4 cho đi qua rất ít để không bị tổn hao tín hiệu xoay chiều trên R3, R4

Do đó, chọn R3, R4 phải thoả mãn các điều kiện sau:

- Nhỏ hơn trở kháng vào DC của Q1, Q2 để rẽ dòng nhiệt, xả điện tích dư khi các transistor chuyển từ dẫn sang tắt

- Lớn hơn trở kháng vào AC của Q1, Q2 để giảm tổn thất tín hiệu Nghĩa là:

02,06,0

1

1 1

Q B

Q R Q E

I

V V

(KΩ) = 696 (Ω)

ZinACQ1 =

Q B P B

Q R Q E B P P E B

I I

V V

V V

1 1

1 1 1 1

−

+

−+

= 0,024( ) 24( )

89,070

)02,06,0(56,178,0

Ω

=Ω

=

−

+

−+

2.4 Tính chọn Q3, Q4:

220

02,06,0

3

1 1 1

R

V V

220

56,178,0

3

1 1 1

R

V V

Dòng tĩnh qua Q3:

7 , 3 89 , 0 81 , 2

1 3

Công suất tiêu tán của Q3 do tín hiệu xoay chiều tạo ra:

3 max 2

2

4 tQ

CC ttAC

R

V P

24

220 = Ω +

Nên R tQ3 = 21 , 6 + ( 1 + 55 ) 8 = 469 , 6 ( Ω )

Thay vào (2.3) ta có công suất tiêu tán của Q3 do tín hiệu xoay chiều tạo ra:

)(345)(345,06,469.4

Q E CE ttDC V 3 I 3

→ Chọn Q 3 là, 2SC2344 Q4 là 2SA1011

Loại BJT

0 CE

V I C PCmax (W) hfe fT ( MHz) Tj(oC)

f

P E P

+

=+

Từ đặc tuyến của diode với ID = 13,1(mA) → VD = 0,72 (V)

Để thay đổi áp phân cực cho các BJT công suất, người ta dùng VR1thay cho D4

1 2,44 - 3.0,72 = 0,28 (V)

1,13

28,0

Do Q5 làm việc ở chế độ A nên công suất tiêu tán được tính ở chế độ tĩnh tức là công suất tiêu tán một chiều

Để Q5 làm nhiệm vụ khuếch đại điện áp tín hiệu cho tầng công suất thì phải lớn

5

Q / L

Z

Trở kháng tải của Q5:

L fe fe

1 be 3 fe ie

1 3

3

7,3

25.60

3 3

Q E

T be

ie

I

V r

50

25.55

1 1 1

Q E

T fe be ie

I

V h r

40

80 40

1 10

8 2

2

)(1,13

)(80

5

0

mW P

P P

P

mA I

I

V V

V

ttDC ttDC

CQ C

CC CE

Sau khi tra cưu ta chọn được đó là

* Chọn , D

2

R

V 4, D5

Nguồn dòng có nội trở lớn có tác dụng ổn định dòng điện cho Q5 và tăng tải cho

Q5 Muốn nội trở nguồn dòng lớn thì chọn Q6 là BJT có β lớn và dòng tĩnh

84,0

Chọn V R2 là biến trở 220 (Ω) rồi hiệu chỉnh lại cho thích hợp

- Do Q6 làm việc ở chế độ A nên công suất tiêu tán chủ yếu là công suất 1 chiều

2

)(1,13

)(80

5

0

mW P

P P

P

mA I

I

V V

V

ttDC ttDC

CQ C

CC CE

→ R6 = 6( )

1,13

56,

1 CC

= 4(V)

IR9 = ICQ7 ⇒ R9 = 4,44( )

9,0

6 , 2

11

11 =

R

R I

V R = − − − =

9 7

) ( 3 , 35 7 , 0 36

7 / 7 /

) ( 9 , 0

14

13

R R

R R

+ = 200 (KΩ)

700

180000 180000

75 , 35

13 12

= R

R

R I I

5 Tính hệ số khuếch đại điện áp, trở kháng vào

5.1 Hệ số khuếch đại điện áp của Q5:

25 150

8

5 1

R r

R h be

+

2 6 6

2 6

//

2

1

R be d

R fe

V r R r

V h

1325 ≈ (Ω) ; ( = =1,9Ω)

D

T d

I

V r

+

64286)(7,5//

8,3

64.1501

+

642868,3

64.150

* ZinB3B4 = ZL/Q5=30,87(kΩ)

→ Zr/Q5 = ZinB3B4 // rco5 // rco6 ≈ 30,87 (kΩ)

Vậy hệ số khuếch đại điện áp của Q5

Av5 = hfe5 190,5

15,24

87,30.150

Z

β

5.2 Hệ số khuếch đại điện áp của Q7:

rbe7 = hfe7 6,94( )

9,0

25.250

Zin = R13 // R14 = 213,5

900280

900

12,18.250

* Hệ số khuếch đại điện áp của Q1, Q2, Q3, Q4

Do hai cặp Q1, Q2 và Q3, Q4 mắc theo kiểu C - C

3

R V

31 2

.

1 = = = = + v V vht in L LP V in

V V

V A A A

9

022 , 0 022 , 0 022

V

R R

→ VR

3 = 99 (Ω)

→ chọn V R3

* Trở kháng vào của mạch:

Khi chưa có hồi tiếp, trở kháng vào của mạch chính là trở kháng vào của Q7:

99

9 3

→ Z’v = 6,94 (1 + 2736,71) = 18,99(MΩ) >> rbe7

6 Mạch bảo vệ quá tải

6.1 Trường hợp quá tải: Mạch quá tải khi Vin > 500(mV)

402

2

2 2

LP

R

V R

V

= 100 (W) Công suất nguồn cung cấp:

PCC = VCC .Itb = 60

ππ

5 80

=12,4(W) < 150(W)

→ Q1,Q2 hoạt động bình thường

6.2 Trường hợp ngắn mạch tải:

Khi ngắn mạch tải: R1, R2 là tải của mạch

Trường hợp nặng nhất là khi máy đang làm việc bình thường thì ngắn mạch tải,

áp xoay chiều cực đại lần lượt đặt lên R1, R2 Dòng qua R1, R2 là:

IR1 = IR2 =

4,0.2

31.80

2

)(1

)(84,5)(92,2.2

2

8 8

mW P

P P

P

mA I

I

V V

V V

ttDC ttDC

CQ C

CE CE

7,0)(

17

17 15

R

R R

V BE

= 2,69 (V)

IR1= 6,72( )

4,0

69,2

12

1)

(10.67,102

3 1

1 3

1

fX

C f

X

C C

ππ

- Tụ C2 và R12 tạo thành mạch lọc nguồn, khử ghép kí sinh giữa tầng ra, tầng lái

và tầng vào đơn, ổn định chế độ làm việc của mạch, chống dao động tự kích

Chọn Xc2 = 953( ) 95,3( )

10

110

12

1

3 2

2

F C

12

12

3

3 3

mF F

fX

C

ππ

π

* Chọn C3 = 510(μF)

- Tụ CL là tụ liên lạc Để tín hiệu không bị giữ lại trên CL ở tần số thấp

→ Chọn XCL= 8 2( )

4

14

1R L = = Ω

2.30.2

1

2

1

2

F X

f

C C

Ở tần số cao, XL tăng nhưng XC4 giảm nên RL không đổi

ZL= (R20+ )

Cj

1R

R

C

LCj

RR

.LjRR

LjRCj

1R

)LjR)(

Cj

1R

(

4 L

20

4 4

L 20 L

20

L 4 20

4

ω+ω++

+ω+ω

+

=ω++ω+

ω+ω

+

Để ZL không phụ thuộc vào tần số → ZL= RL

L L

c j

R R R R C

L c j

R

4

2 20

4 4

ωω

2 L 4 2 L

LCRC

Do ở tần số cao, tụ ngắn mạch, nên người ta thường chọn R20 lớn hơn RL một ít

→ trở kháng tải không đổi, chọn R20 = 8,4 (Ω)

9 Kiểm tra độ méo phi tuyến

Trong mạch các BJT làm việc ở chế độ A, chỉ có Q1, Q2 làm việc ở chế độ AB nên méo phi tuyến trong mạch chủ yếu do Q1, Q2 quyết định

Khi tín hiệu vào hình sin và Vin= 500(mV) Lúc này áp đặt lên tiếp giáp BE của Q1:

vBE1(t) = VBE1Q + VBE1m Sim ωt

!3

!21

3 2

+++

e x

)

2

sinsin

1( 1 + 1 + 21 22 +

=

⇒

T

m BE T

m BE T

Q BE Co

t V

V

t V

V

V I

1− ωt

)4

2cos.4

sin1

(

2 1 2

2 1

1 1

T

m BE T

m BE T

m E B T

Q BE Co C

V

t V

V

V V

t V

V

V I

−+

I

I

1 1 2

T T

m BE m

m

V

V V

V V

V I

I

.4

.4

1

1

1

2 2 1 2

→γ

* Khi chưa có hồi tiếp:

4 10 25 4

4 , 0

V

γγ

* Khi có hồi tiếp:

K R

g L)1

,44

124396)

.1

′

=+

=

V

V ht V

A

A A A K

T

Q E

Q E

T fe

fe be

fe

V I I

V h

h r

h

1 1

1 1

=

0

075,02808)

8.21(

42

10 Tính toán bộ tản nhiệt cho các BJT công suất

Khi chuyển thành công có ích, một phần công suất sẽ làm nóng các BJT công suất Nếu nhiệt độ tăng lên quá nhiệt độ cho phép thì các BJT dễ bị hỏng

Giả sử nhiệt độ môi trường xung quanh (bình thường ở loa) là 500C

Nhiệt độ toàn phần: K=

1

max

Q tt

mt j

P

T T

Σ

−

=

W) ( 25

K K

T T

vc tv tt

mt tg cm cm

vc tv

mm L

L =130mm