8809-1 (Усилители: конструкция и эксплуатация)

Усилители: конструкция и эксплуатация

Введение

В настоящее время усилители получили очень широкое распространение практически во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности, в технике, в медицине, в музыке, на транспорте и во многих других. Усилители являются необходимым элементом любых систем связи, радиовещания, акустики, автоматики, измерений и управления. Но прежде, чем усилитель стал таким распространенным ему пришлось пройти очень долгий путь.

Активным элементом первых усилителей была электронная лампа. Такие усилители были громоздки, потребляли много энергии и быстро выходили из строя. Только в середине нашего столетия после долгих упорных поисков и трудов наконец удалось впервые создать усилительный полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Это важное открытие произвело крупный переворот в радиоэлектронике. Габариты транзисторных усилителей стали в несколько раз меньше ламповых, а потребляемая мощность - в десятки раз меньше. К тому же значительно увеличилась надежность.

Но научно-технический прогресс на этом не остановился. Появилась первая микросхема. Сейчас широко применяются усилители, полностью собранные на микросхемах и микросборках. Практически единственная проблема на сегодняшний день - это отвод тепла. Так как мощные усилители рассеивают большое количество тепла, необходимо интенсивно отводить это тепло, что не позволяет миниатюризировать мощные усилители.

Следующим этапом развития является технология поверхностного монтажа кристаллов. Технология поверхностного монтажа кристаллов обеспечивает миниатюризацию радиоэлектронной аппаратуры при росте ее функциональной сложности. Навесные компоненты намного меньше, чем монтируемые в отверстия, что обеспечивает более высокую плотность монтажа и уменьшает массо-габаритные показатели. Наряду с этим для большей миниатюризации применяют микросборки и гибридные интегральные схемы.

В настоящее время многие усилители выполняются на печатных платах. Применение печатных плат дало возможность, по сравнению с объемными конструкциями, увеличить плотность монтажа, надежность, ремонтопригодность, уменьшить массу конструкции, разброс параметров и так далее.

В данном курсовом проекте при изготовлении усилителя звуковой частоты используется двусторонняя печатная плата, изготовленная позитивным комбинированным методом.

1. Назначение и условия эксплуатации

Данный усилитель предназначен для воспроизведения монофонических музыкальных программ и рассчитан на работу с радиоприемником, магнитофоном, электропроигрывающим устройством или проигрывателем компакт дисков, снабженным предварительным корректирующим усилителем.

Особенностью этого усилителя является использование микросхемы, специально предназначенной для сборки бестрансформаторного усилителя низкой частоты звуковоспроизводящей аппаратуры I и II классов. Это позволило упростить усилитель в целом и обеспечить сравнительно высокие характеристики.

Так, полоса пропускания усилителя при номинальной выходной мощности и неравномерности частотной характеристики 1,5 дБ составляет 40-16 000 Гц. При этом уровень шума не превышает -50 дБ. Чувствительность усилителя 50 мВ, входное сопротивление 50 кОм, номинальная мощность на нагрузке 8-10 Ом 8 Вт при коэффициенте гармоник - не более 1%. Усилитель снабжен раздельными регуляторами тембра по низшим и высшим частотам, диапазон регулирования на частотах 100 и 10 000 Гц составляет +20...-18 дБ. При максимальной выходной мощности усилитель потребляет от сети не более 25 Вт.

Данный усилитель предназначен для эксплуатации в районах умеренного климата при температуре воздуха 2510⁰С, относительной влажности воздуха 6015% и атмосферным давлением 630-800 мм рт. ст.

2. Выбор варианта конструкции

Проанализировав электрическую принципиальную схему с точки зрения конструкции радиоэлементов, я обнаружил, что практически все радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, транзисторы, стабилитроны, микросхема) не имеют бескорпусных аналогов.

Сложив мощности рассеивания всех радиоэлементов, получили суммарную мощность рассеивания более 2 Вт. При такой мощности рассеивания изготовление данной схемы на ГИС нецелесообразно, так как потребуется дополнительный отвод тепла. В схеме также присутствуют конденсаторы емкостью до 200 мкФ, а по конструктивным требованиям конденсаторы емкостью более 0,033 мкФ в виде пленочного элемента не выполняются, а бескорпусные навесные конденсаторы изготовляются емкостью только до 1,5 мкФ. Также в схеме присутствует большой разброс параметров, что еще раз подтверждает невозможность изготовления данной схемы на ГИС.

Учитывая все вышеперечисленные моменты, делаем вывод, что изготовление заданного устройства на ГИС не представляется возможным, поэтому принимаем решение изготавливать данное устройство на печатной плате.

В качестве несущей конструкции применяем двухстороннюю печатную плату, при этом компоновка радиоэлементов получится более плотной, соответственно и габаритные размеры печатной платы будут меньше.

В данной схеме присутствуют два мощных выходных транзистора, которым требуются дополнительный отвод тепла. Чтобы не занимать место на печатной плате, устанавливать дополнительные теплоотводы для этих транзисторов не будем. В качестве общего теплоотвода будет использоваться металлический корпус кожуха. Эти транзисторы через слюдяную прокладку устанавливаются на задней стенке кожуха, и затем хомутками и винтами М3 закрепляются на ней. Слюдяная прокладка нужна для того, чтобы не было электрического контакта между коллекторами транзисторов.

Также на задней стенке закрепляются входной и выходной разъемы. На передней панели устанавливаются переменные резисторы регулировки громкости и тембра по высшим и низшим частотам.

Остальные радиоэлементы дополнительного крепления не требуют.

В геометрических размерах печатной платы следует предусмотреть припуск на технологическое поле для отверстий, с помощью которых печатная плата крепится при изготовлении печатных проводников.

3. Выбор материалов

Для изготовления печатной платы нам необходимо выбрать следующие материалы: материал для диэлектрического основания печатной платы, материал для печатных проводников и материал для защитного покрытия от воздействия влаги. Необходимость применения защитного покрытия мы рассмотрим несколько ниже. Сначала мы определим материал для диэлектрического основания печатной платы.

Существует большое разнообразие фольгированных медью слоистых пластиков. Их можно разделить на две группы:

на бумажной основе;

на основе стеклоткани.

Эти материалы в виде жестких листов формируются из нескольких слоев бумаги или стеклоткани, скрепленных между собой связующим веществом путем горячего прессования. Связующим веществом обычно являются фенольная смола для бумаги или эпоксидная для стеклоткани. В отдельных случаях могут также применяться полиэфирные, силиконовые смолы или фторопласт. Слоистые пластики покрываются с одной или обеих сторон медной фольгой стандартной толщины.

Характеристики готовой печатной платы зависят от конкретного сочетания исходных материалов, а также от технологии, включающей и механическую обработку плат.

В зависимости от основы и пропиточного материала различают несколько типов материалов для диэлектрической основы печатной платы.

Фенольный гетинакс - это бумажная основа, пропитанная фенольной смолой. Гетинаксовые платы предназначены для использования в бытовой аппаратуре, поскольку очень дешевы.

Эпоксидный гетинакс - это материал на такой же бумажной основе, но пропитанный эпоксидной смолой.

Эпоксидный стеклотекстолит - это материал на основе стеклоткани, пропитанный эпоксидной смолой. В этом материале сочетаются высокая механическая прочность и хорошие электрические свойства.

Прочность на изгиб и ударная вязкость печатной платы должны быть достаточно высокими, чтобы плата без повреждений могла быть нагружена установленными на ней элементами с большой массой.

Как правило, слоистые пластики на фенольном, а также эпоксидном гетинаксе не используются в платах с металлизированными отверстиями. В таких платах на стенки отверстий наносится тонкий слой меди. Так как температурный коэффициент расширения меди в 6-12 раз меньше, чем у фенольного гетинакса, имеется определенный риск образования трещин в металлизированном слое на стенках отверстий при термоударе, которому подвергается печатная плата в машине для групповой пайки.

Трещина в металлизированном слое на стенках отверстий резко снижает надежность соединения. В случае применения эпоксидного стеклотекстолита отношение температурных коэффициентов расширения примерно равно трем, и риск образования трещин в отверстиях достаточно мал.

Из сопоставления характеристик оснований (см. дальше) следует, что во всех отношениях (за исключением стоимости) основания из эпоксидного стеклотекстолита превосходят основания из гетинакса.

Печатные платы из эпоксидного стеклотекстолита характеризуются меньшей деформацией, чем печатные платы из фенольного и эпоксидного гетинакса; последние имеют степень деформации в десять раз больше, чем стеклотекстолит.

Некоторые характеристики различных типов слоистых пластиков представлены в таблице 1.

Сравнивая эти характеристики, делаем вывод, что для изготовления двусторонней печатной платы следует применять только эпоксидный стеклотекстолит.

В качестве фольги, используемой для фольгирования диэлектрического основания можно использовать медную, алюминиевую или никелевую фольгу. Однако, алюминиевая фольга уступает медной из-за плохой паяемости, а никелевая - из-за высокой стоимости. Поэтому в качестве фольги выбираем медь.

Медная фольга выпускается различной толщины. Стандартные толщины фольги наиболее широкого применения - 17,5; 35; 50; 70; 105 мкм. Во время травления меди по толщине травитель воздействует также на медную фольгу со стороны боковых кромок под фоторезистом, вызывая так называемое подтравливание. Чтобы его уменьшить обычно применяют более тонкую медную фольгу толщиной 35 и 17,5 мкм. Поэтому выбираем медную фольгу толщиной 35 мкм.

Исходя из всех вышеперечисленных сравнений для изготовления двусторонней печатной платы позитивным комбинированным способом выбираем фольгированный стеклотекстолит СФ-2-35.

Теперь рассмотрим необходимость применения защитного покрытия от влаги. В разделе “НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ” мы описали, что данный усилитель предназначен для эксплуатации в нормальных условиях при температуре 2510⁰ С и относительной влажности воздуха 6015%. То есть казалось, что никакого защитного покрытия от влаги не требуется, однако в действительности все обстоит несколько иначе. Многое зависит от помещений, в которых будет эксплуатироваться данный усилитель.

Например, на первом этаже деревянного дома с печным отоплением относительная влажность воздуха может достигать 90% и неделями держаться на этом уровне. На верхних этажах таких домов она иногда превышает 83%, изменяясь в течение суток от максимума в предрассветные часы до минимума в середине дня. В домах с центральным отоплением в зимнее время влажность часто падает ниже 40%. Аналогичные условия могут быть в кирпичных и железо-бетонных зданиях.

Таким образом, нормальные условия при эксплуатации радиоаппаратуры выдерживаются далеко не всегда. Прежде всего, это относится к влажности воздуха. Следует отличать абсолютную влажность, характеризующую количество водяного пара в граммах, содержащегося в 1 м³ воздуха, от относительной влажности, представляющей собой выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к тому количеству водяного пара, при котором воздух насыщен при каждой данной температуре (дальнейшее его насыщение невозможно - избыток влаги выпадает в виде росы). Повышение температуры приводит к уменьшению относительной влажности, а понижение, наоборот,- к увеличению ее вплоть до выпадения росы.

Нередко радиоаппаратуру устанавливают возле окна. При проветривании помещения в теплое время года влажный наружный воздух обдувает ее, попадает через вентиляционные отверстия внутрь футляра, и, если температура вне помещения выше, чем внутри, относительная влажность воздуха в футляре растет, может выпасть роса. Такая же картина наблюдается и зимой, но в этом случае внешний воздух охлаждает блоки радиоаппаратуры, и роса выпадает на них из влажного воздуха помещения. Этим объясняется требование инструкций по эксплуатации выдерживать внесенный с улицы в помещение аппарат не менее двух часов, не извлекая из упаковки (коробка защищает его от влажного воздуха).

Действие влажного воздуха на радиоаппаратуру объясняется малыми размерами молекул воды (до 3·10^-8 см). Это позволяет ей проникать в мельчайшие поры и трещины диэлектриков, а так как она хорошо растворяет соли и щелочи, то происходящий при этом процесс электролитической диссоциации приводит к образованию проводящих электролитов, резко снижающих поверхостное и объемное сопротивление изоляции.