Бестрансформаторный усилитель мощности

ВВЕДЕНИЕ

Тимус

Это железа внутренней секреции, расположенная прямо за вершиной грудины. Она отно-
сительно крупная при рождении и постепенно уменьшается после полового созревания. Только в
последнее время мы начали понимать ее функции. Мы теперь знаем, что тимус играет ключевую
роль в функции т-лимфоцитов. Он служит местом, где эти клетки образуют специализацию. В
опытах на животных, когда тимус удаляют сразу после рождения, животное погибает. Последст-
вия такой же операции менее наглядны при большей отсрочке от рождения. Ситуации, которые
выбивают активность тимуса (высокий уровень кортизола), вероятно, намного вреднее в младен-
честве, чем в дальнейшей жизни. Другими словами, ситуации беспомощности или безнадежности
особенно пагубны в начале жизни.

В настоящем методическом пособии рассмотрены схемы усилителей, генераторов, схем согласования на биполярных и полевых транзисторах, на операционных усилителях и логических элементах. Приведена подробная методика расчёта этих схем с указанием основных расчётных соотношений и ссылок на используемую литературу. После рассмотрения каждой схемы следует подробный практический пример расчёта.

В конце методического пособия приведен список литературных источников, на которые были даны ссылки, а также приложения, содержащие параметры электронных элементов и программы.

Данное методическое пособие призвано облегчить работу студентов специальностей АТ и ТКС над курсовым проектом по курсу электроники.

Исходные данные:

- мощность нагрузки: P_н = 4.5 Вт;

- сопротивление нагрузки: R_н = 25 Ом;

- частота синусоиды: f_н = 2 кГц;

- коэффициент нелинейных искажений: g = 0.22 %;

- диапазон рабочих температур: (+10…+50) ºС;

- нормальная температура: +20 ºС;

- тип мощного транзистора: КТХХХХ.

На рис. 1.1 представлена общая принципиальная схема ДБУМ и ПУН, выполненная на транзисторах: ПУМ – на VT1 и VT2, ДБУМ – на VT3-VT6. Расчет этих усилителей производится в следующей последовательности.

1.1.1 Расчет напряжения питания Е_к

Резисторы R9 и R10 линеаризируют проходную характеристику каскада и величина их сопротивления выбирается равной:

R9 = R10 = 0.05∙R_н = 1.25 1.3 Ом.

Напряжение источника питания определяется из условия:

Из стандартного ряда напряжений принимается: Е_к = 36 В.

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема бестрансформаторного усилителя мощности

1.1.2 Расчет коллекторной цепи транзисторов оконечного каскада (VT5, VT6)

Коэффициент использования напряжения питания принимается равным ξ = 1, тогда приближённые соотношения для выбора оконечных транзисторов имеют вид:

U_кэmax = Е_к/2 = 36/2 = 18 В;

1.1.3 Проверка транзисторов оконечного каскада (VT5, VT6)

Заданный по условию транзистор проверяется на соответствие условиям эксплуатации (см. табл. 1.1).

Из табл. 1.1 следует, что транзистор удовлетворяет требованиям каскада, но необходим радиатор. Возможный внешний вид радиатора приведен на рис. 1.2.

Таблица 1.1 – Сравнение расчетных данных с максимально допустимыми параметрами заданного транзистора (справочными значениями)

Расчетные данные	Условия выбора	Параметры транзистора КTХХХХ
Uкэmax р = 18 В	Uкэmax р Uкэmax спр	Uкэmax = 60 B
Ik max р= 0.72 A	Ik max р Ik max спр	Ik max = 3 A
Pк max р = 1.125 Вт	Pк max р ≤ Pк max спр	Рк max(50ºC) = 4 Вт (с радиатором)
fн = 2 кГц	3∙fн < fгр	fгр = 20 МГц

Рисунок 1.2 – Ребристый радиатор

Требуемая площадь радиатора определяется из выражения:

1.1.4 Построение нагрузочных прямых по постоянному и переменному току. Выбор рабочей точки А по постоянному току

На выходных ВАХ строится нагрузочная прямая по постоянному току (I_), проходящая вертикально вверх через точку Е_к/2 = 36/2 = 18 В (см. рис. 1.3). На этой прямой выбирается положение рабочей точки транзистора А:

Нагрузочная прямая по переменному току (I_~) проходит через рабочую точку А и ее наклон определяется сопротивлением резисторов (R_н+R9). Для построения данной нагрузочной прямой вначале строится вспомогательная линия, проходящая через точки В и С с координатами:

а затем полученная линия параллельным переносом смещается в рабочую точку.

Рисунок 1.3 – Выходные ВАХ транзистора VT5

Рисунок 1.4 – Входные ВАХ транзистора VT5

По входным и выходным ВАХ (см. рис. 1.3 и 1.4) определяются координаты рабочей точки А:

I_кoVT5 = 0.072 А; U_кэoVT5 = 18 В; I_бoVT5 = 0.4 мA; U_бэoVT5 =0.1 B.

Определяются требуемые амплитуды выходных и входных напряжений и токов (U_кэm, I_кm, I_бm, U_бэm) для обеспечения заданной мощности нагрузки (Р_н=0.5∙U_кэm∙I_кm) при минимальных нелинейных искажениях.

Ниже приведены значения амплитуд выходных и входных напряжений и токов, определенные по ВАХ транзистора VT5.

U_кэmVT5 =U_{кэо VT5} - U_{кэ minVT5}=18 - 2.4 = 15.6 В;

I_кmVT5= I_{к max VT5} - I_кoVT5 = 0.66 - 0.072 = 0.588 A;

I_бmVT5= I_{б maxVT5} - I_бoVT5 = 5.5 - 0.4 = 5.1 мA;

U_бэmVT5= U_{бэ maxVT5} - U_бэоVT5 =0.41 - 0.1 = 0.31 В.

Справедливость допущения (ξ=1) принимается, если ξ≥0,85. В данном случае:

,

поэтому характеристики транзистора не пересчитываются.

Рассчитывается мощность, рассеиваемая на резисторах R9, R10, и выбирается тип резисторов.

Коэффициент усиления по току транзистора VT5:

h

1.1.5 Расчет базовой цепи составного транзистора VT3, VT5

Сопротивления резисторов R11, R12 определяются из выражения:

R11 = R12 = Ом (R11 = R12 = 56 Ом).

(коэффициент k выбран таким образом, чтобы рабочая точка VT3 находилась в активной области ВАХ – рис. 1.5).

Рассчитывается мощность, рассеиваемая на резисторах R11, R12, и выбирается тип резисторов.

Условия для выбора транзисторов VT3, VT4:

I_{к max VT3} = I_{б max VT5} +U_{бэ max VT5} /R11 = 5.5·10^-3 + 0.41/56 = 0.0128 A;

U_{кэ maxVT3}= U_кэоVT5 - U_{кэ minVT5} = 18 - 0.41 = 17.59 B;

;

По этим параметрам выбираем транзисторы VT3, VT4 (справочные данные пересчитываются для t_{окр. ср.} = 50 ºС).

Таблица 1.2 – Справочные параметры для выбранных транзисторов VT3, VT4

VT3: KTХХХХ	VT4: KTХХХХ

По соотношениям I_кVT3 = I_бVT5 + U_бэVT5/R11; U_кэVT3 = U_кэVT5 - U_бэVT5 строим нагрузочную характеристику для транзистора VT3 и определяем её параметры.

Таблица 1.3 – Данные для построения нагрузочной характеристики VT3

IкVT5, А	IбVT5, мА	UбэVT5, В	UкэVT5, В	IкVT3, мА	UкэVT3, В
		0.05	19.9	0.9	19.85
	0.4	0.1		2.2	17.9
	1.9	0.28		6.9	11.72
	3.1	0.31		8.65	7.69
		0.37	3.15	11.6	2.78
	5.5	0.41	2.4	12.8	2.02

По входным и выходным ВАХ (см. рис. 1.5 и 1.6) определяются координаты рабочей точки А:

I_кoVT3 = 2.2 мА; U_кэoVT3 = 17.9 В; I_бoVT3 = 0.013 мA; U_бэoVT3 =0.675 B.

Определяются требуемые амплитуды выходных и входных напряжений и токов:

U_{кэ mVT3}= U_кэоVT3 –U_{кэ minVT3} = 17.9 – 2.02 = 15.88 В;

I_{к mVT3}= I_{к maxVT3} - I_кoVT3 = 12.8 - 2.2 = 10.6 мA;

I_{б mVT3}= I_{б maxVT3} - I_бoVT3 = 0.186 – 0.013=0.173 мA;

U_{бэ mVT3}=U_{бэ maxVT3} - U_бэоVT3=0.8-0.675=0.125 В.

Коэффициент усиления по току транзистора VT3:

.

Рисунок 1.5 – Выходные ВАХ транзистора VT3

Рисунок 1.6 – Входные ВАХ транзистора VT3

1.1.6 Расчет коллекторной цепи транзистора VT2

Транзистор VT2 работает в режиме А. Положим:

I_кoVT2 = (1.1÷1.2)·I_бmVT3 = 1.2·0.173 = 0.208 мА.

Это меньше 1 мА, поэтому выбираем: I_кoVT2 = 1 мА.

Условия для выбора транзистора VT2:

I_{к mахVT2} = 2·I_кoVT2 = 2·1 = 2 мА; U_{кэ max VT2} = Е_к = 36 В;

f_гр > 10·f_н = 10·2 = 20 кГц.

По этим параметрам из справочника [10] выбирается транзистор КТХХХХ с максимально допустимыми параметрами:

U_кэmах = 40 В; I_{k max} = 300 мA; P_{к max} =500 мВт; f_гр = 5 МГц.

Сопротивление резистора R8 равно:

.

Выбирается тип резистора R8.

По входным и выходным ВАХ (см. рис. 1.7 и 1.8) определяются координаты рабочей точки А:

I_кoVT2 = 1 мА; U_кэoVT2 = 18 В; I_бoVT2 = 30.3 мкA; U_бэoVT2 =0.594 B.

Определяются требуемые амплитуды выходных и входных напряжений и токов:

U_{кэ mVT2}= U_кэоVT2 –U_{кэ minVT2} = 18 – 14 = 4 В;

I_{к mVT2}= I_{к maxVT2} - I_кoVT2 = 1.208 - 1 = 0.208 мA;

I_{б mVT2}= I_{б maxVT2} - I_бoVT2 = 41.1 – 30.3=10.8 мкA;

U_{бэ mVT2}=U_{бэ maxVT2} - U_бэоVT2 = 0.607-0.594=0.013 В.

Через рабочую точку А и точку на оси ординат проводится нагрузочная прямая по постоянному току.

Коэффициент усиления по току транзистора VT2:

По найденным параметрам определяются:

Выбирается тип резистора R4.

Рисунок 1.7 – Выходные ВАХ транзистора VT2

Рисунок 1.8 – Входные ВАХ транзистора VT2

1.1.7 Расчет коллекторной и базовой цепей транзистора VT1

Транзистор VT1 работает в режиме А.

Р_кVT1 = 1.2·Р_бVT2 = 1.2·70.2 = 84.2 нВт;

I_кmVT1 = 1.2·I_бmVT2 =1.2·10.8 = 12.96 мкА;

I_кoVT1 = 1.2·I_кmVT1 = 1.2·12.96 = 15.55 мкА.

Так как I_кoVT1 < 1 мА, то принимаем I_кoVT1 = 1 мА.

Условия для выбора транзистора VT1:

I_{к mахVT1} = 2·I_кoVT1 = 2·1 = 2 мА;

U_{кэ maxVT1} = Е_к/2 = 18 В; ;

f_гр > 10·f_н = 10·2 = 20 кГц.

По рассчитанным параметрам выбираем транзистор KTХХХХ с максимально допустимыми параметрами:

U_кэmах = 30 В; I_{k max} = 10 мA; P_{к max} =150 мВт; f_гр = 3 МГц;

Резисторы R6 и R4 обеспечивают необходимый ток покоя коллектора транзистора VT1:

, отсюда

Выбирается тип резистора R6.

C учетом этого фактор отрицательной обратной связи:

Так как в данном случае усиливаемый сигнал занимает очень узкую полосу в области 2 кГц, то динамические искажения усилительного каскада, возникающие при столь глубокой ООС, не влияют на этот сигнал.

По входным и выходным ВАХ (см. рис. 1.9 и 1.10) определяются координаты рабочей точки А:

I_коVT1 = 1 мА; U_кэоVT1 = 9 В; I_боVT1 = 26.6 мкA; U_бэоVT1 =0.548 B.

Рисунок 1.9 – Выходные ВАХ транзистора VT1

Рисунок 1.10 – Входные ВАХ транзистора VT1

Через рабочую точку А и точку на оси ординат

проводится нагрузочная прямая по постоянному току.

Определяются требуемые амплитуды выходных и входных токов и напряжений:

U_{кэ mVT1}= U_кэоVT1 - U_{кэ minVT1} = 9 - 8.75 = 0.25 В;

I_{к mVT1}= I_{к maxVT1} - I_кoVT1 = 1.013 - 1 = 0.013 мA;

I_{б mVT1}= I_{б maxVT1} - I_бoVT1 = 27.4 - 26.6 = 0.8 мкA;

U_{бэ mVT1}=U_{бэ maxVT1} - U_бэоVT1= 0.5505 - 0.548=0.0025 В.

Коэффициент усиления по току транзистора VT1:

1.1.8 Расчет цепи ООС (R5, R6)

Глубина ООС F = 5360. Задаемся значением (типовое) отсюда: = Выбирается тип резистора R5.

Проверяем условие

Условие выполняется.

1.1.9 Расчет делителя в цепи базы транзистора VT1

Пусть ток делителя

Напряжение в точке В1 (см рис. 1.1):

Тогда сопротивления резисторов R1 и R2 равны:

; .

Выбираются типы резисторов R1 и R2.

Рассчитывается коэффициент температурной нестабильности каскада:

, т.е. каскад обеспечивает требуемую температурную стабильность.

1.1.10 Расчет цепи термостабилизации тока покоя оконечного каскада

Напряжение на цепи термостабилизации равно:

.

Общее сопротивление цепочки равно:

Требуемое значение напряжения смещения обеспечивается для двух значений температуры t΄ и t˝. Погрешности для других значений температуры получаются наименьшими, если:

,

где t_max и t_min – предельные значения температуры окружающей среды.

Примем В=2500 К. Т΄=t΄+273 = 15.86+273 = 288.86 К; T˝=t˝+273 = = 44.14+273 = 317.14 К. Пусть t_o=+20^oC и с=2.2·10^-3 В/1 ^оС. Рассчитаем величины:

Номинальное значение термосопротивления для t=t_o=+20 ^oC:

По справочнику [5] выбираем тип терморезистора: ММТ-4 - 33 к 20%, ТКС = 3%/ , t = -60…+125 .

Проверяем правильность расчета: – – значение практически совпадает с первоначальным, значит цепь рассчитана верно.

1.1.11 Расчет конденсаторов C1, C3, C4

Значения емкостей выбирается по ГОСТу и производится выбор типа конденсаторов.

1.1.12 Требования к мощности источника питания

Ток, потребляемый от источника питания:

Потребляемая мощность: .

1.1.13 Уточнение результирующих характеристик усилителя

1.1.14 Расчет нелинейных искажений

1.1.14.1 Нелинейные искажения, вносимые оконечным каскадом.

Строится сквозная динамическая характеристика оконечного каскада I_кVT5 = f(Е_ист). Напряжение источника равно:

Е_ист =U_бэVT3 + U_бэVT5 + I_кVT5·(R_н + R₉).

Таблица 1.4 – Данные для построения сквозной динамической характеристики оконечного каскада

UбэVT3, В	UбэVT5, В	IкVT5, А	R9+Rн, В	Еист, В
0.675	0.1		26.3	2.67
0.76	0.28		26.3	8.93
0.776	0.31		26.3	12.9
0.794	0.37		26.3	17.9
0.8	0.41		26.3	18.6

На сквозной характеристике (см. рис. 1.11) выбираются три значения тока коллектора: I_o' = 0.072 А; I₁' = 0.362 А; I_max' = 0.66 А.

Рисунок 1.11 – Сквозная динамическая характеристика оконечного каскада

Для расчета коэффициента нелинейных искажений оконечного каскада методом пяти ординат необходимо учесть асимметрию плеч (b=0.1÷0.15). Тогда:

Амплитуды гармонических составляющих тока коллектора VT5:

Коэффициент нелинейных искажений оконечного каскада равен:

1.1.14.2 Нелинейные искажения, вносимые транзистором VT2.

Определяется входное сопротивление каскада на транзисторе VT2:

.

Принимается:

Строится сквозная динамическая характеристика каскада на транзисторе VT2 (см табл.1.5 и рис.1.12).

По сквозной характеристике определяется пять значений тока коллектора:

I_max=1.2 мА, I₁=1.103 мА, I₀=1 мА, I₂=0.896 мА, I_min=0.792 мА.

Таблица 1.5 – Данные для построения сквозной динамической характеристики каскада на транзисторе VT2

IкVT2, мА	0.792		1.195	1.208
IбVT2, мкА	20.8	30.3		41.1
UбэVT2, В	0.581	0.594	0.605	0.607
Uг = Uбэ + Iб·Rист, В	0.631	0.667	0.701	0.706

Рисунок 1.12 – Сквозная динамическая характеристика каскада на транзисторе VT2

1.1.14.3 Нелинейные искажения, вносимые транзистором VT1.

Определяется входное сопротивление каскада на транзисторе VT1:

Принимается .

Строится сквозная динамическая характеристика каскада на транзисторе VT1 (см табл.1.6 и рис.1.13).

Таблица 1.6 – Данные для построения сквозной динамической характеристики каскада на транзисторе VT1

IкVT1, мА	0.9		1.1
IбVT1, мкА	21.7	26.6	31.7
UбэVT1, В	0.539	0.548	0.557
Uг = Uбэ + Iб·Rист, В	0.6746	0.7142	0.7551

Рисунок 1.13 – Сквозная динамическая характеристика каскада на транзисторе VT1

По сквозной характеристике определяется пять значений тока коллектора:

I_max=1.013 мА, I₁=1.0065 мА, I₀=1 мА, I₂=0.9935 мА, I_min=0.9868 мА.

1.1.14.4 Общий коэффициент нелинейных искажений БУМ.

С учётом ООС: γ_{БУМ ОС} = γ_БУМ/F = 5.13/5360 = 0.001 %.

Поскольку γ_ТЗ=0.22%, то на генератор синусоиды остаётся:

γ _Гsin= .

2. ДВУХТАКТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Исходные данные для расчёта:

1) мощность, потребляемая нагрузкой Р_н= 12,5 Вт;

2) сопротивление нагрузки R_н=25 Ом;

3) частота сигнала f_н=5,5 кГц;

4) коэффициент нелинейных искажений γ=0,37%;

5) диапазон рабочих температур: +10...+50 ^oC;

6) мощный транзистор КТ819Б.

Дата добавления: 2015-05-06