Підсилювачі: конструкція та експлуатація

Вступ

В даний час підсилювачі одержали дуже широке поширення практично у всіх сферах людської діяльності: в промисловості, в техніки, в медицині, в музиці, на транспорті і в багатьох інших. Підсилювачі є необхідним елементом будь-яких систем зв'язку, радіомовлення, акустики, автоматики, вимірювань і управління. Але перш, ніж підсилювач став таким поширеним йому довелося пройти дуже довгий шлях.

Активним елементом першого підсилювачів була електронна лампа. Такі підсилювачі були громіздкі, споживали багато енергії і швидко виходили з ладу. Тільки в середині нашого століття після довгих наполегливих пошуків і праць нарешті вдалося вперше створити підсилювальний напівпровідниковий прилад, що замінює електронну лампу. Це важливе відкриття справило великий переворот у радіоелектроніці. Габарити транзисторних підсилювачів стали в кілька разів менше лампових, а споживана потужність - в десятки разів менше. До того ж значно збільшилася надійність.

Але науково-технічний прогрес на цьому не зупинився. З'явилася перша мікросхема. Зараз широко застосовуються підсилювачі, повністю зібрані на мікросхемах і мікроскладаннях. Практично єдина проблема на сьогоднішній день - це відведення тепла. Так як потужні підсилювачі розсіюють велику кількість тепла, необхідно інтенсивно відводити це тепло, що не дозволяє мініатюрізіровать потужні підсилювачі.

Наступним етапом розвитку є технологія поверхневого монтажу кристалів. Технологія поверхневого монтажу кристалів забезпечує мініатюризацію радіоелектронної апаратури при зростанні її функціональної складності. Навісні компоненти набагато менше, ніж монтовані в отвори, що забезпечує більш високу щільність монтажу і зменшує масо-габаритні показники. Поряд з цим для більшої мініатюризації застосовують мікроскладені і гібридні інтегральні схеми.

В даний час багато підсилювачі виконуються на друкованих платах. Застосування друкованих плат дало можливість, в порівнянні з об'ємними конструкціями, збільшити щільність монтажу, надійність, ремонтопридатність, зменшити масу конструкції, розкид параметрів і так далі.

В даному курсовому проекті при виготовленні підсилювача звукової частоти використовується двостороння друкована плата, виготовлена позитивним комбінованим методом.

1. Призначення та умови експлуатації

Даний підсилювач призначений для відтворення монофонических музичних програм і розрахований на роботу з радіоприймачем, магнітофоном, електропроігривающім пристроєм або програвачем компакт-дисків, забезпеченим попередніми коригувальним підсилювачем.

Особливістю цього підсилювача є використання мікросхеми, спеціально призначеної для збирання бестрансформаторним підсилювача низької частоти звуковідтворювальної апаратури I і II класів. Це дозволило спростити підсилювач в цілому і забезпечити порівняно високі характеристики.

Так, смуга пропускання підсилювача при номінальній вихідній потужності та нерівномірності частотної характеристики 1,5 дБ становить 40-16 000 Гц. При цьому рівень шуму не перевищує -50 дБ. Чутливість підсилювача 50 мв, вхідний опір 50 кОм, номінальна потужність на навантаженні 8-10 Ом 8 Вт при коефіцієнті гармонік - не більше 1%. Підсилювач забезпечений окремими регуляторами тембру за нижчими і вищим частот, діапазон регулювання на частотах 100 і 10 000 Гц складає 20 ...- 18 дБ. За максимальної вихідний підсилювач потужності споживає від мережі не більше 25 Вт

Даний підсилювач призначений для експлуатації в районах помірного клімату при температурі повітря 25 ± 100С, відносній вологості повітря 60 ± 15% і атмосферним тиском 630-800 мм рт. ст.

2. Вибір варіанта конструкції

Проаналізувавши електричну принципову схему з точки зору конструкції радіоелементів, я виявив, що практично всі радіоелементи (резистори, конденсатори, транзистори, стабілітрони, мікросхема) не мають безкорпусних аналогів.

Склавши потужності розсіювання всіх радіоелементів, отримали сумарну потужність розсіювання понад 2 Вт При такій потужності розсіювання виготовлення даної схеми на ГВС недоцільно, оскільки буде потрібно додатковий відвід тепла. У схемі також присутні конденсатори ємністю до 200 мкФ, а по конструктивним вимогам конденсатори ємністю понад 0,033 мкФ у вигляді плівкового елемента не виконуються, а безкорпусні навісні конденсатори виготовляються тільки ємністю до 1,5 мкФ. Також у схемі присутній великий розкид параметрів, що ще раз підтверджує неможливість виготовлення даної схеми на ГІС.

З огляду на всі перераховані вище моменти, робимо висновок, що виготовлення заданого пристрої на ГВС не представляється можливим, тому приймаємо рішення виготовляти даний пристрій на друкованій платі.

Як несучої конструкції застосовуємо двосторонню друковану плату, при цьому компонування радіоелементів вийде більш щільною, відповідно і габаритні розміри друкованої плати будуть менше.

У даній схемі присутні два потужних вихідних транзистора, яким потрібні додатковий відвід тепла. Щоб не займати місце на друкованої плати, встановлювати додаткові тепловідвід для цих транзисторів не будемо. Як загальне тепловідводу буде використовуватися металевий корпус кожуха. Ці транзистори через слюдяні прокладку встановлюються на задній стінці кожуха, і потім хомуткамі і гвинтами М3 закріплюються на ній. Слюдяні прокладка потрібна для того, щоб не було електричного контакту між колекторами транзисторів.

Також на задній стінці закріплюються вхідний і вихідний роз'єми. На передній панелі встановлюються змінні резистори регулювання гучності і тембру по вищих і нижчих частотах.

Решта радіоелементи додаткового кріплення не вимагають.

У геометричних розмірах друкованої плати слід передбачити припуск на технологічне поле для отворів, за допомогою яких друкована плата кріпиться при виготовленні друкованих провідників.

3. Вибір матеріалів

Для виготовлення друкованої плати нам необхідно вибрати наступні матеріали: матеріал для діелектричного підстави друкованої плати, матеріал для друкованих провідників і матеріал для захисного покриття від дії вологи. Необхідність застосування захисного покриття ми розглянемо трохи нижче. Спочатку ми визначимо матеріал для діелектричного підстави друкованої плати.

Існує велика різноманітність фольгованих міддю шаруватих пластиків. Їх можна розділити на дві групи:

на паперовій основі;

на основі склотканини.

Ці матеріали у вигляді жорстких листів формуються з декількох шарів паперу або склотканини, скріплених між собою сполучною речовиною шляхом гарячого пресування. Сполучною речовиною звичайно є фенольна смола для паперу або епоксидна для склотканини. В окремих випадках можуть також застосовуватися поліефірні, силіконові смоли або фторопласт. Шаруваті пластики покриваються з одного або обох сторін мідною фольгою стандартної товщини.

Характеристики готової друкованої плати залежать від конкретного поєднання вихідних матеріалів, а також від технології, що включає і механічну обробку плат.

Залежно від основи і просочувальний матеріалу розрізняють кілька типів матеріалів для діелектричної основи друкованої плати.

Фенольний гетинакс - це паперова основа, просочена фенольною смолою. Гетінаксовие плати призначені для використання у побутовій апаратурі, оскільки дуже дешеві.

Епоксидний гетинакс - це матеріал на такий же паперовій основі, але просочений епоксидної смолою.

Епоксидний склотекстоліт - це матеріал на основі склотканини, просочений епоксидної смолою. У цьому матеріалі поєднуються висока механічна міцність і хороші електричні властивості.

Міцність на вигин і ударна в'язкість друкованої плати повинні бути достатньо високими, щоб плата без ушкоджень могла бути навантажена встановленими на ній елементами з великою масою.

Як правило, шаруваті пластики на Фенольному, а також епоксидної гетинакс не використовуються в платах з металізованими отворами. У таких платах на стінки отворів наноситься тонкий шар міді. Так як температурний коефіцієнт розширення міді в 6-12 разів менше, ніж у фенольного гетинакс, є певний ризик утворення тріщин в металізованому шарі на стінках отворів при термоудар, якому піддається друкована плата в машині для групової пайки.

Тріщина в металізованому шарі на стінках отворів різко знижує надійність з'єднання. У разі застосування епоксидного склотекстоліту ставлення температурних коефіцієнтів розширення приблизно дорівнює трьом, і ризик утворення тріщин в отворах досить малий.

Із зіставлення характеристик підстав (див. далі) випливає, що в усіх відношеннях (за винятком вартості) підстави з епоксидного склотекстоліту перевершують підстави з гетинакс.

Друковані плати з епоксидного склотекстоліту характеризуються меншою деформацією, ніж друковані плати з фенольного і епоксидного гетинакс; останні мають ступінь деформації в десять разів більше, ніж склотекстоліт.

Деякі характеристики різних типів шаруватих пластиків представлені в таблиці 1.           

Тип         

Максимальна   робоча температура, 0C         

Час   пайки при 2600 С, сек         

Опір   ізоляції, МОм         

Об'ємное   опір, МОм         

Діелектрична   постійна, e             

Фенольний   гетинакс         

110-120         

5         

1 000         

1.104         

5,3             

Епоксидний   гетинакс         

110-120         

10         

1 000         

1.105         

4,8             

Епоксидний   склотекстоліт            

130-150            

20            

10 000            

1.106            

5,4     

Порівнюючи ці характеристики, робимо висновок, що для виготовлення двосторонньої друкованої плати слід застосовувати тільки епоксидний склотекстоліт.

Як фольги, яка використовується для фольгування діелектричного небезпідставно можна використовувати мідну, алюмінієву або нікелеву фольгу. Однак, алюмінієва фольга поступається мідної через погану паяемості, а нікелева - через високу вартість. Тому як фольги вибираємо мідь.

Мідна фольга випускається різної товщини. Стандартні товщини фольги найбільш широкого застосування - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Під час травлення міді по товщині травітель впливає також на мідну фольгу з боку бічних крайок під фоторезистом, викликаючи так зване подтравліваніе. Щоб його зменшити зазвичай застосовують більш тонку мідну фольгу товщиною 35 і 17,5 мкм. Тому вибираємо мідну фольгу товщиною 35 мкм.

Виходячи з усіх перерахованих вище порівнянь для виготовлення двосторонньої друкованої плати позитивним комбінованим способом вибираємо фольгований склотекстоліт СФ-2-35.

Тепер розглянемо необхідність застосування захисного покриття від вологи. У розділі "ПРИЗНАЧЕННЯ ТА УМОВИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ" ми описали, що даний підсилювач призначений для експлуатації в нормальних умовах при температурі 25 ± 100 С і відносній вологості повітря 60 ± 15%. Тобто здавалося, що ніякого захисного покриття від вологи не потрібно, однак насправді все трохи інакше. Багато чого залежить від приміщень, у яких буде експлуатуватися даний підсилювач.

Наприклад, на першому поверсі дерев'яного будинку з пічним опаленням відносна вологість повітря може досягати 90% і тижнями триматися на цьому рівні. На верхніх поверхах таких будинків вона іноді перевищує 83%, змінюючись протягом доби від максимуму в передсвітанкові години до мінімуму в середині дня. У будинках з центральним опаленням у зимовий час вологість часто падає нижче 40%. Аналогічні умови можуть бути в цегляних і залізо-бетонних будівлях.

Таким чином, нормальні умови при експлуатації радіоапаратури витримуються далеко не завжди. Перш за все, це відноситься до вологості повітря. Слід відрізняти абсолютну вологість, що характеризує кількість водяної пари в грамах, що міститься в 1 м3 повітря, від відносній вологості, що представляє собою виражене у відсотках відношення абсолютної вологості до тієї кількості водяної пари, при якому повітря насичений при кожній даній температурі (подальше його насичення неможливо -- надлишок вологи випадає у вигляді роси). Підвищення температури призводить до зменшення відносної вологості, а зменшення, навпаки, - до збільшення її аж до випадання роси.

Нерідко радіоапаратуру встановлюють біля вікна. При провітрюванні приміщення в теплу пору року вологий зовнішнє повітря обдуває її, потрапляє через вентиляційні отвори всередину футляра, і, якщо температура поза приміщенням вище, ніж усередині, відносна вологість повітря у футлярі зростає, може випасти роса. Така ж картина спостерігається і взимку, але в цьому випадку зовнішнє повітря охолоджує блоки радіоапаратури, і роса випадає на них з вологого повітря приміщення. Цим пояснюється вимога інструкцій з експлуатації витримувати внесений з вулиці в приміщення апарат не менше двох годин, не витягуючи з упаковки (коробка захищає його від вологого повітря).

Дія вологого повітря на радіоапаратуру пояснюється малими розмірами молекул води (до 3.10 -8 см). Це дозволяє їй проникати в дрібні пори і тріщини діелектриків, а так як вона добре розчиняє солі і лугу, то що відбувається при цьому процес електролітичної дисоціації приводить до освіти проводять електролітів, різко знижують поверхових і об'ємне опір ізоляції.

Навіть при нормальній відносній вологості повітря (65%) всі тіла покриті найтоншої (0,001 ... 0,01 мкм) плівкою вологи, яка може бути безперервної (на гідрофільній поверхні) або переривчастою (на гідрофобною). З зростанням відносної вологості товщина плівки зростає і при 93 ... 96% сягає сотні мікрон, різко знижуючи поверхових опір ізолятора.

Зменшення поверхових і об'ємного опорів призводить до шунтуванню елементів, появі гальванічних зв'язків між ними, зростанню втрат у конденсаторах і трансформаторах, падіння добротності котушок і так далі. Все це викликає погіршення роботи апарату та в ряді випадком вихід його з ладу через електричних пробоїв.

Вельми небезпечна, особливо для срібла і олова, електрохімічна корозія, що призводить до порушення паяних сполук у друкованому монтажі, зростанням перехідного опору контактів реле і перемикачів (аж до повного розриву ланцюга). Велику небезпеку висока відносна вологість представляє для самих друкованих плат: з-зи невеликих відстаней між провідниками поява плівки і крапель вологи призводить до пробою між ними.

Отже, повітря з високою (понад 80%) відносній вологістю, що діє тривалий час на радіоапаратуру, - фактор, який необхідно враховувати при її конструюванні та експлуатації. Щоденна робота в протягом чотирьох-п'яти годин у якійсь мірі оберігає радіоапаратуру від пошкодження в цих умовах.

Способи захисту радіоелектронної апаратури від дії вологого повітря бувають пасивними й активними. Пасивна безпека заснована на створенні бар'єру, або сповільнює проникнення вологи, або повністю ізолюючого його від вологого повітря. У першому випадку це досягається просоченням або покриттям об'єкта різними речовинами (смолами, лаками, компаундами), у другому -- приміщенням його в герметичний корпус (металевий корпус, скляний або керамічний балон). Активний захист полягає в поглинанні вологи адсорбентами, знижують відносну вологість повітря в кожусі апарату до безпечного рівня.

Пасивні способи в даний час - основні при захисті радіоапаратури. Слід, однак, відзначити, що повна герметизація побутових апаратів зазвичай не застосовується через велику вартість, значною матеріалоємності, збільшення маси та обсягу апарату, складності ущільнення осей ручок керування, поганий ремонтопридатності і так далі.

Найпоширеніший і дешевий спосіб захисту гетінаксових і стеклотекстолітових друкованих плат - покриття їх бакелітовими, епоксидними і іншими лакуми або епоксидної смолою. Найбільш стійке до дії вологи покриття з епоксидної смоли, що забезпечує найвищу поверхових опір. Дещо гірше захисні властивості перхлорвінілові, фенольних та епоксидних лаків. Погано захищає покриття з полістиролу, але на відміну від інших, при приміщенні вироби в нормальні умови воно швидко відновлює свої властивості.

Далі наведені найбільш поширені матеріали, які застосовуються для захисних покриттів.

Лак СБ-1с, на основі фенолформальдегідних смоли, нанесений на поверхню сохне при температурі 600 С протягом 4 год, наносять його до п'яти шарів з сушкою після кожного шару, виходить щільна еластична плівка товщиною до 140 мкм.

Лак УР-231 відрізняється підвищеною еластичністю, вологостійкістю і температуростойкостью, тому може застосовуватися для гнучких основ. Лак готують перед нанесенням відповідно до інструкції і наносять на поверхню пульверизації, зануренням або пензликом. Наносять чотири шару з сушкою після кожного шару при температурі 18-230 С протягом 1,5 год

Для апаратури, що працює в тропічних умовах, як захисного покриття застосовують лак на основі епоксидної смоли Е-4100. Перед покриттям в лак додають 3,5% затверджувача № 1, змішують і розводять сумішшю, що складається з ацетону, етілцеллозольва і ксилолу до в'язкості 18-20 сек по віскозиметрі ВЗ-4. Після змішування рідину фільтрують через марлю, складену в кілька шарів. В отриману суміш занурюють чистий висушену апаратуру. Після кожного занурення струшують надлишки суміші і ставлять сушити на 10 хв, таким чином наносять шість шарів. Це покриття має малу усадкою і щільною структурою.

Виходячи з перерахованих вище порівнянь вибираємо для захисного покриття від дії вологи лак УР-231.

4. Розрахункова частина

4.1. Визначення орієнтовної площі друкованої плати

Спочатку розрахуємо сумарну площу резисторів МЛТ-0, 125

S1 = n1