Расчет усилительного устройства на транзисторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

усилитель трансформаторный частота питание

Введение

1. Выбор и обоснование структурной схемы усилителя

2. Расчет принципиальной схемы усилителя

2.1 Расчет двухтактного трансформаторного усилителя мощности

2.2 Расчет однотактного трансформаторного усилителя мощности (ОТУМ)

2.3 Расчёт усилительного каскада с общим коллектором

3. Расчет усилителя в области низких частот

4. Расчет цепей питания

Список использованных источников

Приложение

Введение

При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, приеме радиосигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители - устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности без изменения их формы или частотного спектра. Структурная схема усилителя приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема усилителя

В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время - интегральные микросхемы. Усилители на микросхемах обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые размеры и массу, высокую чувствительность. Они позволяют усиливать очень слабые электрические сигналы (напряжение порядка 10^-13 В, токи до 10^-17 А, мощность порядка 10^-24 Вт).

Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электрической энергии Е. Структурная схема усилителя приведена на рисунке 2.



Рисунок 2 - Структурная схема усилительного каскада

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Е в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом.Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению K_U=K_вых/K_вх, коэффициент усиления по току K_I=I_вых/I_вх и коэффициент усиления по мощности K_P=K_UK_I.

К усилителям с линейным режимом работы (или усилителям мгновенных значений) предъявляются требования получения выходного сигнала, близкого по форме к входному. Искажения формы сигнала, вносимые усилителем, должны быть минимальными. Это достигается благодаря пропорциональной передаче усилителем мгновенных значений напряжения (тока), составляющих во временной области сигнал. Коэффициенты усиления здесь рассчитывают по амплитудным или действующим значениям (в случае синусоидального сигнала) напряжения и тока.

Важнейшим показателем усилителей с линейным режимом работы является амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), отражающая зависимость модуля коэффициента усиления K_U, определенного для синусоидального входного сигнала, от частоты. В зависимости от вида АЧХ усилители с линейным режимом работы подразделяют на усилители медленно изменяющегося сигнала (усилители постоянного тока - УПТ), усилители звуковых частот (УЗЧ), усилители высокой частоты (УВЧ), широкополосные усилители (ШПУ) и узкополосные усилители (УПУ).

Характерная особенность УПТ - способность усиливать сигнал с нижней частотой, приближающейся к нулю (f_н0). Верхняя граница частоты f_в в УПТ может составлять в зависимости от назначения 10³-10⁸ Гц. УЗЧ характеризуются частотным диапазоном от десятков герц (f_н) до 15-20 кГц (f_в). УВЧ имеют полосу пропускания от десятков килогерц до десятков и сотен мегагерц. ШПУ имеют нижнюю границу частоты примерно такую же, как УЗЧ, и верхнюю - как УВЧ. На основе ШПУ выполняются линейные импульсные усилители.

Разработку структурной схемы усилителя производят на основе анализа технического задания и начинают с выбора типа каскада усилителя мощности.

Так как по заданию требуется рассчитать трансформаторный выходной каскад, то в качестве усилителя мощности была выбрана схема трансформаторного двухтактного усилителя мощности(рисунок 4), т.к. заданная мощность, отдаваемая в нагрузку, велика для применения схемы однотактного трансформаторного УМ (рисунок 3). При использовании ОТУМ мы не сможем подобрать достаточно мощный транзистор для обеспечения работы схемы.

Рисунок 3 - структурная схема усилителя с ДТУМ.

2.1 Расчет двухтактного трансформаторного усилителя мощности

Рисунок 4 - Принципиальная схема ДТУМ

Исходными для расчета данными являются:

мощность, отдаваемая в нагрузку = 45 Вт;

сопротивление нагрузки = 6 Ом.

По значению задаем КПД трансформатора. Для (10…100) Вт составляет от 0,83 до 0,93.

Примем = 0,93.

Определим требуемую мощность переменного сигнала в выходной цепи транзистора ДТУМ

,

Вт.

Выбираем из стандартного ряда напряжение питания

Определим с некоторым запасом

,

В

Выберем транзистор из условий:

;

;

;

Этим условиям удовлетворяет транзистор КТ818Г.

Параметры транзистора:

=90 В.

=60 Вт.

Зададимся падением напряжения на первичной обмотке трансформатора

,

В.

Тогда напряжение между коллектором и эмиттером в режиме покоя будет равно

,

В.

Дальнейший расчет будем производить по входным и выходным ВАХ транзистора.

Для входной характеристики (рисунок 5), снятой при =, проводится касательная к ее линейной части, находится точка пересечения касательной с осью .

Рисунок 5

Из этой точки восстанавливается перпендикуляр к графику и далее к оси токов I_б. Получим точку покоя П с координатами , .

Точка покоя выходной цепи П лежит на ВАХ (рисунок 6), соответствующей и имеет координату 135 В.

Рисунок 6

Линия нагрузки по постоянному току проходит через две точки (точку П и точку, лежащую на оси напряжений ).

Особенностью ДТУМ является то, что нагрузочная прямая по переменному току не проходит через точку покоя. Магнитный поток, создаваемый в магнитопроводе выходного трансформатора от протекания тока , компенсируется магнитным потоком, создаваемым от протекания другого плеча, поэтому при переходе через нуль магнитный поток в магнитопроводе трансформатора отсутствует, сопротивление коллекторной цепи по переменному току бесконечно большое, изменение переменной составляющей коллекторного тока происходит от 0 до .

Нагрузочная прямая по переменному току строится также по двум точкам - одна лежит на оси напряжений Uкэ = Eк, другая на оси токов, которую можно вычислить по формуле

,

Требуемое сопротивление нагрузки переменного сигнала выходной цепи транзистора определяется по формуле

,

где ДU_кэ - участок напряжения нелинейной части характеристики.

Ом.

А.

На нагрузочной прямой находится точка А, как точка пересечения с началом линейного участка выходной ВАХ, определяется ее координата по току .

Произведем проверку отдаваемой плечом мощности

,

Вт.

Эта величина должна быть больше или равна требуемой Вт. Данное условие выполняется.

Произведем проверку мощности, рассеиваемой на коллекторе

,

Вт.

Эта величина должна удовлетворять условию .

Данное условие выполняется.

Определяем по входным ВАХ ток , соответствующий ВАХ, проходящей через точку А.

На входной ВАХ находим соответствующее этой точке значение

Определим R_вх каскада относительно зажимов вторичной обмотки входного трансформатора и требуемая для управления каскадом мощность P_вх. Для ДТУМ входное сопротивление усилителя рассчитывается по формуле

,

где h_11э- входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

,

Ом.

Зададимся током делителя

,

Находим сопротивление R₂ по формуле

,

Ом.

Ом.

Находим сопротивление R₁ по формуле

,

.

Найдем мощность сигнала на входе

,

Вт.

Определим требуемое для управления каскадом напряжение входного сигнала

;

В.

Рассчитаем КПД усилителя мощности

,

.

2.2 Расчет однотактного трансформаторного усилителя мощности

Рисунок 7- Принципиальная схема ОТУМ

Исходными для расчета данными являются:

мощность, отдаваемая в нагрузку Вт;

сопротивление нагрузки = 10,032Ом;

напряжение питания = 18 В.

По значению P_н задаем КПД трансформатора. Для ( ? 1 ) Вт з_тр составляет от 0,60 до 0,75.

Примем з_тр = 0,6.

Определим требуемую мощность переменного сигнала в

выходной цепи транзистора ОТУМ:

,

Вт.

Определим мощность рассеивания на коллекторе транзистора

,

Вт.

Зададим падение напряжения на первичной обмотке трансформатора ДU_щ1

,

В.

Определим напряжение

,

В.

Определим с некоторым запасом

,

В.

Выберем транзистор из условий:

;

Этим условиям удовлетворяет транзистор КТ914А:

Параметры транзистора:

Дальнейший расчет будем производить по входным (рисунок 8)

и выходным (рисунок 9) ВАХ транзистора.

На семействе выходных ВАХ строится нагрузочная прямая по переменному току. Для ее построения определяется требуемое R_н~:

,

Ом.

Рисунок 8

Рисунок 9

Нагрузочная прямая проходит через точку покоя П с координатами

U_кэп,

А

Нагрузочная прямая пересекает ось напряжений в точке:

,

В.

На нагрузочной прямой найдем точку А с координатой , определяем ее координату по току .

Далее на нагрузочной прямой находим точку В с координатой по току:

,

А.

Произведем проверку отдаваемой транзистором мощности:

,

Вт.

Эта величина должна быть больше или равна требуемой Вт. Данное условие выполняется.

Определяем по выходным ВАХ токи проходящие через точки А, П, и В, и соответствующие им значения по входным ВАХ.

Зададим ток делителя

,

А.

Находим сопротивления R_э, R₁ и R₂

,

Ом.

,

Ом.

,

Ом.

Определим каскада

,

где h_11э - входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

,

Ом.

Ом.

Определим требуемое для управления каскадом напряжение входного сигнала

,

В.

Рассчитаем КПД усилителя мощности

,

.

Определим параметры выходного трансформатора:

Коэффициент трансформации

,

где щ₁ и щ₂ - число витков вторичной и первичной обмоток трансформатора соответственно.

.

Активное сопротивление первичной обмотки

,

Ом.

2.3 Расчет усилительного каскада с общим коллектором

Рисунок 10 - Принципиальная схема усилительного каскада с ОК

Исходными для расчета данными являются:

сопротивление нагрузки = 6,686Ом;

амплитудное значение напряжения, требуемого для управления следующим каскадом U_Нm = 0,07В.

Выберем сопротивление R_э из условия

,

Ом.

Определим амплитуду переменной составляющей тока эмиттера:

Ом,

А.

Зададим координаты точки покоя:

, где = 2В.

В.

Примем = 2,5 В.

Определим напряжение питания каскада

,

В.

Выберем транзистор из условий:

; ;

;

; Вт;

Этим условиям удовлетворяет транзистор КТ502Б:

Рисунок 11 Рисунок 12

Определим ток :

,где

А.

По входной ВАХ (рисунок 11) определим соответствующее напряжение

В.

Зададим ток делителя:

,

А.

Рассчитаем сопротивления ,

,

Ом.

,

Ом.

Произведем расчет каскада по переменному току

По входной и выходной ВАХ найдем:

Определим входное и выходное сопротивления каскада

,

Ом;

Ом

Ом

,

Ом

Определим сопротивление входной цепи транзистора:

Определим коэффициенты усиления каскада по току и напряжению:

,

.

,

.

Определим необходимое для управления каскадом амплитудное значение входного напряжения

,

В.

< ; <

,

< ; <

Ограничивающее сопротивление:

3. Расчет усилителя в области низких

Зададим допустимый коэффициент частотных искажений, выделяемый на каждый фильтр в цепях питания КПУ, =1,02.

Определим общий коэффициент частотных искажений, отводимый на все фильтрующие цепи по формуле:

,

где m = 1 - число фильтров.

Определим общий коэффициент частотных искажений, отводимый на остальные элементы схемы:

,

где M_н - коэффициент частотных искажений, вносимых усилителем на нижней рабочей частоте, который выбирается из условия .

Определяется коэффициент частотных искажений М_Нi, выделяемый на каждый элемент:

Найдем емкость входного разделительного конденсатора (С₁):

,

где = 15 Гц.

мкФ

Найдем емкость конденсатора междукаскадной связи ОК-ОТУМ (С₄)

,

мФ .

Найдем емкость конденсатора междукаскадной связи ОТУМ-ДТУМ (С₇)

,

мФ.

Найдем емкость конденсатора C1 и C2 во входной цепи ДТУМ (С₈)

,

Найдем индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора Т₁

,

Гн.

Найдем индуктивность первичной обмотки выходного трансформатора Т₂

,

Гн.

Определим допустимые напряжения для конденсаторов:

для входного разделительного конденсатора (С₁):

,

,

В,

В.

для конденсатора междукаскадной связи ОК-ОТУМ (С₂):

,

,

В,

,

В,

В.

для конденсатора междукаскадной связи ОТУМ-ДТУМ (С₃):

,

,

В,

,

В,

В.

для конденсатора в цепи эмиттера каскада по схеме ДТУМ (С_4,5)

,

В.

4. Расчёт цепей питания

Рассчитаем сопротивления фильтров:

,

Для схемы с ОК

,

А.

Для схемы с ОТУМ

,

А.

Для схемы с ДТУМ

,

А.

Ом,

Рассчитаем конденсаторы фильтров

Рассчитаем конденсаторы на сглаживание пульсаций:

определим напряжение фона допустимое для всех каскадов, имеющих независимое питание:

для УМ

,

где= 1000,

,

Ом.

В.

что не превышает .

Для всех КПУ определим напряжение фона, действующее на входе каскадов при отсутствии фильтрующих цепей.

.

Для входного каскада

,

где ,

= 300 Ом,

=4706,76 Ом.

Ом,

Ом,

.

Искомое напряжение определяется по формуле:

,

мкВ,

Определим допустимую величину исходного напряжения

,

мкВ,

Определим коэффициенты сглаживания по формуле:

,

,

Так как то дополнительного сглаживания пульсаций для i-го каскада не требуется.

Произведем расчет емкостей фильтра на развязку.

Определим напряжение паразитной обратной связи

,

где .

Определим требуемые коэффициенты передачи

,

где .

Так как , то рассчитывается с точки зрения развязки от действия ПОС.

Расчитаем КПУ коэффициент передачи для каскада ОК

,

.

Рассчитаем для конденсатора допустимое напряжение

,

Рассчитаем потребляемый от ИП ток при работе схемы

для схемы с ОК

,

А.

Для схемы с ОТУМ

,

А.

Для схемы с ДТУМ

,

А.

Таким образом, для питания усилителя требуется источник питания, рассчитанный на 3,3 А.

Список использованных источников

Забродин Ю.С., Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1982. - 496 с.

Перельман Б.Л., Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. - М.: Радио и связь, 1981. - 660 с.

Терещук Р.М., Справочник радиолюбителя /Р.М. Терещук, Р.М. Домбругов, Н.Д. Босый - Киев - Государственное издательство технической литературы УССР, 1961. - 650 с.

Приложение

Перечень элементов принципиальной схемы

Обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
Конденсаторы
С1	К50-37 1 мкФ 63 В 10 %	1
С2	К50-37 1 мкФ 63 В 10 %	1
С3	К50-12 1мкФ 50В 10 %	1
С4	К50-20 20 мкФ 5,3 В 10 %	1
С5	К50-15 10 мкФ 6,3 В 10 %	1
Резисторы
R1	МЛТ-0,125 4,7 МОм 5 %	1
R2	Сп4-1б 1,5 МОм 5 %	1
R3	Сп4-1б 3 МОм 5 %	1
R4	МЛТ-0,125 10 кОм 5 %	1
R5	МЛТ-0,125 150 кОм 5 %	1
R6	МЛТ-0,125 150 кОм 5 %	1
R7	МЛТ-0,125 2,1,5 кОм 5 %	1
R8	С5-5В-5 1,2 кОм 5 %	1
R9	С5-35В-15 43 Ом 5 %
Транзисторы
VT1	КТ502Б	1
VT2	КТ914А	1
VT3	КТ818Г	1
VT4	КТ818Г	1

Размещено на Allbest.ru

...