Розрахунок каскаду однотактного транзисторного підсилювача потужності

Послідовність розрахунку наводиться для транзистора, включеного за схемою з спільним емітером (СЕ). На рисунку подана принципова схема каскаду однотактного підсилювача потужності.

Вихідні дані:

1) потужність на виході каскаду Р _вих;

2) опір навантаження R _н;

3) нижня гранична частота f _н;

4) коефіцієнт частотних викривлень каскаду на нижніх частотах М _н;

5) напруга джерела живлення U _жив.

Зауваження. Приймаючи Т _min= +15°С і Т _max = +25°С, впливом температури на режим роботи транзистора нехтуємо.

Визначити:

1) тип транзистора;

2) режим роботи транзистора;

3) опір в колі емітера R _е;

4) ємність конденсатора С _е;

5) опори дільника R ₁i R ₂;

6) коефіцієнт підсилення каскаду за потужністю К _р;

7) коефіцієнт трансформації трансформатора К;

8) опори первинної і вторинної обмоток трансформатора r _Т1 i r _Т2;

9) індуктивність первинної обмотки трансформатора L ₁,

10) площу поверхні охолоджуючого радіатору, якщо він необхідний, S _ох.

Порядок розрахунку.

1. Для вибору типу транзистора необхідно потужність Р ₀,яка буде виділятись на транзисторі: Р ₀ = Р _≈ / η _к,де η _к – коефіцієнт використання транзистора (η _к = 0,035÷0,45; чим більша напруга живлення U _жив,тим більший η _к); Р _≈ – потужність, що віддається транзистором: Р _≈ = Р _вих / η _Т). К.к.д. трансформатора η _Т приймають рівним 0,7÷0,9.

Орієнтовно визначають падіння напруги на активному опорі первинної обмотки трансформатора r _Т1і на опорі R _е:

Δ U = U _rТ1 + U _Rе = (0,2÷03) U _жив.

Тоді найбільш можливе падіння напруги на транзисторі:

U _ке.max≈(U _жив–Δ U) / η _к.

За знайденими значеннями Р ₀і U _ке.maxпідбирають транзистор.

Зауваження. Для обраного типу транзистора виписати з довідника:

а) допустимий струм колектора I _к.доп;

б) допустиму напругу на колекторі U _ке.доп;

в) найбільшу потужність, що розсіюється на транзисторі Р _доп;

г) найменший коефіцієнт підсилення за струмом β _min;

д) початковий струм колектора I _к.п;

е) тепловий опір r _тт;

ж) найбільшу допустиму температуру колекторного переходу T _т.m.

2. На вихідних статичних характеристиках (для СЕ) знаходять положення точки спокою (робочої) т. 0. Для цього визначають напругу на колекторі при U _вх = 0 і струм спокою колектора:

U _ке0 = U _жив – Δ U; І _ке0 = Р ₀ / U _ке0.

Через т. 0 (U _ке0; І _ке0) і т. 4 (U _ке = U _ке.max; І _к= 0) проводять навантажувальну пряму. Для визначення робочої ділянки навантажувальної прямої задаються величиною залишкової напруги U _ост (часто приймають U _ост= 1 В) і найменшим струмом колектора І _к.min ≥ I _к.п(I _к.п– початковий струм колектора, задається з довідника). За величиною U _ост визначають I _к.max (т. 2); необхідно, щоб I _к.max < I _к.доп. Без суттєвої помилки можна прийняти І _к.min ≈ 0. Отже, робоча ділянка знаходиться між т. 2 і т. 3. Найбільша можлива амплітуда напруги вихідного сигналу U _вих.m = U _кe0– U _ост.

Найбільша амплітуда струму І _к.max визначається т. 0 і т. 3 (або т. 0 і т. 2). Після цього перевіряють, чи забезпечує вибраний режим задану потужність Р _вих.

У відповідності з побудованою навантажувальною лінією знаходять Р _≈ ' = U _к.m· I _к.max /2. При правильно вибраному режимі Р _≈ ' ≥ Р _≈ = Р _вих / η _Т.Якщо ця умова не виконується, збільшують нахил навантажувальної прямої (збільшують значення І _к0).

Необхідно брати до уваги, що навантажувальна пряма не повинна виходити за область, що обмежується гіперболою допустимих потужностей: І _н = Р _к.доп / U _ке, (Р _к.доп – береться з довідника).

Потім розраховують найбільше і найменше значення вхідного струму:

і фіксують їх величину на вхідній статичній характеристиці схеми СЕ.

По т. 1 і т. 2 вхідної характеристики знаходять найбільшу і найменшу напруги U _бе.min і U _бе.max і найбільшу амплітуду напруги вхідного сигналу U _вх.m = (U _бе.max – U _бе.min) / 2.

Далі визначають потужність вхідного сигналу – P _вх=(U _вх.m· І _б.m)/ 2 і вхідний опір транзистора змінному струму R _вх = (2 U _вх.m) / (2 І _б.m).

3. Опір кола емітера R _е визначається за падінням напруги на цьому опорі. Прийнявши U _Rе= (0,3÷0,5)·Δ U,отримаємо R _е = U _Rе / І _к0.

4. Ємність конденсатора, який шунтує R _е, визначається з виразу:

С _е ≥ 1/(2 π · f _н R _е)(при С _е > 100 мкФ шунтуючий конденсатор не ставлять).

5. Опір дільника змінному струму R _1–2 = (R ₁· R ₂)/(R ₁ + R ₂)повинен задовольняти умові R _1–2 ≥ (8÷12)· R _вх^≈, тоді

6. Коефіцкнт підсилення каскаду за потужністю К _Р = Р _вих / Р _вх.

7. Для розрахунку коефіцієнта трансформації трансформатора за нахилом навантажувальної прямої визначають величину опору колекторного навантаження змінному струму R _к^≈ ≈ U _ке.max / I.

Тоді коефіцієнт трансформації трансформатора буде дорівнювати

8. Опори обмоток вихідного трансформатора:

r _T1 = 0,5 R _к^≈·(1 – η _Т); r _T2 = 0,5 R _н·(1 – η _Т) / η _Т.

9. Індуктивність первинної обмотки:

10. При необхідності визначають площу поверхні охолоджуючого радіатора – , де Т _т.m – найбільша допустима температура колекторного переходу (надається в довіднику); Т _серед.m – найбільша можлива температура оточуючого середовища.

При аналізі транзисторних підсилювачів широке розповсюдження отримали h-параметри. Електричний стан транзистора, включеного за схемою з спільним емітером, характеризується чотирма величинами I _б, U _бе, І _к, U _кe.З практичних міркувань зручно вибирати як незалежні величини U _кe і I _б тоді U _бе = f ₁(I _б, U _кe) і І _к = f ₂(I _б, U _кe).

В підсилюючих схемах вхідним і вихідними сигналами є приріст вхідних і вихідних напруг і струмів. В межах лінійної частини характеристик для приростів Δ U _бе і Δ I _к справедливі рівності

Δ U _бе = h _11е·Δ I _б + h _12e·Δ U _ке; Δ I _к = h _21е·Δ I _б + h _22e·Δ U _ке,

де h _ike – відповідні часткові похідні, які легко можуть бути знайдені по сімейству вхідних і вихідних характеристик транзистора, включеного за схемою СЕ:

h _11е = Δ U _бе / Δ I _б при U _ке= const (Δ U _ке = 0);

h _12e = Δ U _бе / Δ U _ке при I _б = const (Δ I _б = 0);

h _21e = Δ I _к / Δ I _б при U _ке = const (Δ U _ке = 0);

h _22e = Δ I _к / Δ U _ке при I _б = const (Δ I _б = 0).

h _11е уявляє собою вхідний опір транзистора. Безрозмірний параметр h _12e є коефіцієнтом зворотного зв’язку за напругою. Як показує аналіз схем на транзисторах, величина h _12e = 0,002÷0,0002, тому при практичних розрахунках його можна покласти рівним нулю. h _21e – безрозмірний коефіцієнт передачі за струмом, що характеризує підсилюючі властивості (за струмом) транзистора при постійній напрузі на колекторі. h _22e має розмірність провідності і характеризує вихідну провідність транзистора при постійному струмі бази.

Приклади виконання розрахункових завдань

Приклад 1. Розрахувати спрямовувач (вентильну частину) за мостовою схемою. Вихідні дані: U ₀= 12 В; I ₀ = 1 А; К _{п 0} = 0,1.

Розрахунок:

1. Визначаються за наближеними формулами (таблиця 1[11]) U _зв≈ 1,5·12 = 18В; І _ср = 1/2 = 0,5А; І _2m ≈ 3,5·1 = 3,5А.

3 довідника вибираються діоди типу КД202Б, для яких І _{пp max} = 3,5 А; U _{зв max} = 50 В; U _пр= 0,9 В (див. табл. 2[12]).

2. Визначається R _н = 12 /1 = 12 Ом; r _тр= 0,08·12 ≈ 1 Ом; r _пр ≈ 0,9/(3·0,5) = 0,6 Ом.

3. Визначається активний опір спрямовувача r = 1 + 2·0,6 = 2,2 Ом; А = 1,6·2,2/12 ≈ 0,3. 3 графіків, наведених на рис. 4 і 5 знаходяться В ≈ 1; D ≈ 2,1; F ≈ 5,5; Н ≈ 470.

4. За формулами (див. табл. 1) визначаються U _2х = 1·12 = 12 В; U _зв= 1,4·12 = 16,8В; І _2m= 0,5·5,5·1 = 2,75 А. Пересвідчувається, що діоди вибрані правильно.

5. Визначаються І ₂= 2,1·1/2 ≈ 1,05 А; С ₀ = 470 / (2,2·0,1) ≈ 2136 мкФ.Приймається номінальне значення С ₀ = 2000 мкФ.

Приклад 2. Розрахувати каскад транзисторного підсилювача напруги для схеми з спільним емітером (див. наведену схему):

U _вих.m = 4 В; R _н = 500 Ом; f _н = 100 Гц; М _н = 1,2; U _жив = 12 В.

Дата добавления: 2015-06-28