Phần tính toán thiết kế mạch otl ngõ vào Đơn

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn 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.. R12, CL: Mạch lọc nguồn loại bỏ c

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

PHẦN

Công suất: 60(W) Trở kháng vào: Z i = 200 (kΩ) Trở kháng loa: P L = 8 (Ω)

Điện áp vào: V i = 0,5 (V) Méo phi tuyế n: γ 0,30 % ≤

Băng thông: 30 Hz ÷ 15 kHz

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

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 đạ đầi u vào

Q6, V , D , DR2 4 5, 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, D , D2 3, 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

C2: Tụ liên lac ngõ ra

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

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

1 Tính toán tầng nguồn

1.1 Biên độ tín hiệu ra loa:

Tín hiệu vào mạch khu ch đại có d ng: v= V.sinωt ế ạ

Nếu h th ng là tuy n tính thì tín hi u trên t i là: ệ ố ế ệ ả

vL = VLP.sinωt + VLo

iL = ILP sinωt + ILo

Trong 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 su t làm viấ ệc ở chế độ AB nên dòng tĩnh và điện áp tĩnh trên tải là không đáng kể nên:

PL = IL 2.R L = R L 2

L

2 L

R

V

= L L 2R

L LP 2R2V

1.2 Điện áp nguồn cung cấp:

Do Q1, Q2 làm việc ở chế độ AB nên chọn hệ ố ử ụng nguồn ξ = 0,8 Để s s dtránh méo tín hiệu ra chọn Vcc ≥ 2VLP

→ 2.VLP = ξ.VCC → VCC =

ξLPV

8,031

2 = 77,5 (V) Chọn nguồn cung c p 80 (V) ấ

2 Tính toán tầng công suất

Để tránh méo xuyên tâm, đồng thời m bảđả o hi u su t Ch n Qệ ấ ọ 1, 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, R có tác dụ2 ng n định nhi t và cân b ng dòng cho Qổ ệ ằ 1, Q2 và tín hiệu trên

R1, R2 cũng là tín hiệu qua loa:

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

ie1 = i = Ie2 LP.sinωt ( trong khoảng 0 → π )

R1 = R2 =

P 1

E

P 1

R

I

92,355,

ωω

π0

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 = P = RR2 1 1,49( )

4)87,3(.40,04

2 2

π

LP LP

I t td

Công suất tiêu tán trên tải: PL = IL2RL= LP L

L

I

2.)2(

2

2 =

* N u bế ỏ qua công suất tiêu tán trên R1, R2 thì công suất tiêu tán trên ti p xúc J phân ế ccực ngược của 02 BJT Q1, Q2 là:

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

2PttAC = PCC - PL = VCC .ICC - I2

R I I

.π

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

πππ

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

14

1)2(

1 2 1 2 1

4

1.222

L LP cc R L

1.2222

R V

V I

L

cc LP

.2

1)(.2

.)((

2

1

2 2

2 1 2 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

)4,08(

804

1)

(

4

1

2 2

1

2

2

=+

=+

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

Dải tần cho phép của 2SA1943 là:

)(5,187160

30

KHZ f

50)1

=

)(70)(07,055192,3)1

=

* Theo đặc tuyến vào của BJT 2SC5200

)(05,0)

Ta có R3, R4 là điện trở rẽ dòng nhi t: Vừa ổn định đi m làm vi c t nh cho Qệ ể ệ ĩ 3,

Q4 vừa làm tăng tốc độ chuyển mạch cho Q1, Q2 trong miề ần t n số th p ấ

Đối với tín hiệu 1 chi u: Rề 3, R4 cho đi qua dễ dàng, còn đối với tín hi u xoay ệchiều thì R3, R4 cho đi qua rất ít để không bị ổn hao tín hiệu xoay chiều trên R t 3, R 4

Do đó, chọn R3, R4 phải thoả mãn các điều ki n sau: ệ

- Nhỏ hơn trở kháng vào DC của Q1, Q2 để ẽ dòng nhiệ r t, 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:

1 1

Q B Q R Q E

I V V

(KΩ) = 696 (Ω)

Q B P

Q R Q E P P B

I I

V V V V

1 1

1 1 1

−+

−+

= 0,024( ) 24( )

89,070

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

Ω

=Ω

=

−+

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn 2.4 Tính chọn Q3, Q4:

22002,06,03

1 1

R V V

1 1

R V V

Dòng tĩnh qua Q3:

7,389,081,21

24.220

Ω

=+

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

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

Để thay đổi áp phân cực cho các BJT công su t, người ta dùng ấ thay cho D

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 khu ch đại đi n áp tín hi u cho t ng công su t thì ế ệ ệ ầ ấ ph i ảlớn

5

Q / L

Z

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

Trở kháng tải của Q5:

L fe fe 1 be 3 fe ie

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

⇒ ZL/Q5= 405,4 + (1 + 60)(220//(27,5 + 0,4)) + (1+60)(1+55).8

= 15,57 (KΩ)

Do Q5 có tải lớn nên dễ rơi vào vùng bão hoà gây méo tín hiệu nên phải có R8 là

điện trở h i tiếp để ổn định điểm làm việc Rồ 8 là điện trở ổn định nhiệt cho Q5, R8 càng lớn thì ổn định nhiệt càng tốt nhưng tổn hao công suất DC của nó lớn nên ảnh hưởng đến nguồn cung cấp

40

8040

110

)(80

5

0

mW P

P

P

P

mA I

I

V V

V

ttDC ttDC

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

* Chọn VR2, D4, 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

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

)(80

5

0

mW P

P

P

P

mA I

I

V V

V

ttDC ttDC

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

1 CC

= 4(V)

IR9 = ICQ7 ⇒ R9 = 4,44( )

9,0

4

40

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

)(4

9 7

V E Q = A− R = − =

)(3,357,036

7 / 7

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn 5.1 Hệ số khuếch đại điện áp của Q5:

25150

5.1

R r

R h be

fe Chọn r ce5 = 104ở 250C

rco

5= 104 ) 52,80.10 530( )

153290

153.150

//

2

.1

R be d R fe V r R r

V h

25≈ (Ω) ; ( = =1,9Ω)

D

T d

I

V r

→ r co6= 104 ⎜⎜⎛ ⎟⎟⎞

++Ω+

64286)(7,58,

3

64.1501

642868

,

3

64.150

Z→ r/Q5 = ZinB3B4 // r // rco5 co6 ≈ 30,87 (kΩ)

Vậy hệ số khuếch đại điện áp của Q5

Av5 = hfe

15,2487,30.1505 5

be r

r Q Z

β

5.2 Hệ số khuếch đại điện áp của Q7:

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

rbe7 = hfe7 6,94( )

9,0

25.250

* Hệ số khuếch đại điện áp của Q1, Q , Q , Q2 3 4

Do hai cặp Q1, Q2 và Q3, Q m4 ắc theo kiểu C - C

312

LP in L vht

v

V

V

V V

V A

3

R V

V

R R

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

3 = 99 (Ω

→ chọn V R3

* Trở kháng vào của mạch:

là biến trở 470 (ΩΩΩ),Rồi hi u chệ ỉnh lại cho thích hợp

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

R R

→ 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)

8

40

=

L LP

4022

2 2 2

2

=

=

L LP L LP

R

V R

V

= 100 (W) Công suất nguồn cung cấp:

PCC = VCC .Itb = 60

ππ

5.80'2

=

LP I

Khi ngắn mạch tải: R1, R2 là t i cả ủa mạch

Trường hợp nặng nhất là khi máy đang làm việc bình thường thì ng n m ch t i, ắ ạ ả

áp xoay chiều cực đại lầ ượt đặt lên Rn l 1, R2 Dòng qua R1, R2 là:

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

IR1 = I = R2

4,0.2

1

)(84,5)(92,2.2

V

ttDC ttDC

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

17 17 15

=+

R

R R

12

1)

(10

1 3 1

fX C f

X

C C

ππ

→ Chọn C 1 = 0,5 μμμμF

- T Cụ 2 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 c a mủ ạch, chống dao động tự kích Chọn Xc2 = 953( ) 95,3( )

10

110

12

1

3 2

2

F C

μπ

12

12

3 3

3

mF F

fX C

* Ch n Cọ 3 = 510(μF)

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

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

→ Chọn XCL= 8 2( )

4

14

1

2

1

2

X f C C

* Ch n Cọ L=2600(μF)

8 Mạch cân bằng trở kháng loa

Loa có cấu tạo là một cuộn dây đồng mảnh nên trở kháng loa là ZL=R +jL ωL Trở kháng loa phụ thuộc tần số tỞ ần số cao, trở kháng loa lớn nên dể phát sinh dao động Để khắc phục, ta mắc thêm m ch Zobel gồm Rạ 20 và C4 song song với loa Thành phần tín hiệu có tần số cao sẽ thoát qua tụ C4 xuống mass

Ở tần số cao, XL tăng nhưng X giC4 ảm nên RL không đổi

ZL= (R20+ )

Cj14

ω // (RL+jωL)

=

LjCj

1RR

CLCj

RR.LjRRLjRCj

1R

)LjRCj

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

LCR

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

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

Với VBE1Q = 0,4 (V)

VBE1m= VBE1P - VBE1Q = 0,8 - 0,4 = 0,4 (V)

Dòng IC của Q1, Q2: IC = ICo T

BE V v

!2

1+ 2+ 3+

)

2sinsin

1(

2 2 1

=

⇒

T m BE T m BE T

Q BE

Co

C

V t V V t V V

1− ωt

)42cos.4

sin1(

2 2

2

1 1

T m BE T m BE T m E T

Q BE

Co

C

V t V V

V V t V V

V

I

−++

m

V

V V

V V

V

I

I

.4.4

1

1 1

2 2 1

1

(

/+

Trong đó: K độ sâu hồi tiếp

28083,44124396)

.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

=

0075,02808)

.21(42

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

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 ăng lên quá nhiệt độ cho phép thì các BJT dễ bị ỏng t h

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)(2550

01150

K

T T

vc tv tt mt tg cm cm vc

tv

mt

2550

n =15 cánh

Mạch Khuếch Đạ i OTL Ngõ Vào Đơn

L =130mm