Расчет однотактного каскада мощного усиления в режиме А

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема работы «Расчет однотактного каскада мощного усиления в режиме А»



Исходные данные

1. Полоса частот 90ч5000 Гц;

2. Коэффициент частотных искажений Мн 1,5 дБ;

3. Выходная мощность 1,8 Вт;

4. Коэффициент гармоник Kг 6 %;

5. Коэффициент нагрузки Rн 4 Ом;

6. Температура окружающей среды:

• минимальная температура Тмин +10 °С;

• максимальная температура Тмакс +30 °С;

7. Напряжение источника питания Ек 20 В.



Содержание

Введение

1. Выбор транзистора

1.1 Определение способа включения транзистора, выбор схемы и режима работы мощного усиления

1.2 Выбор транзистора по справочнику

1.3 Определение точки покоя по семейству выходных характеристик транзистора

1.4 Расчёт входных параметров транзистора

1.5 Расчёт коэффициента гармоник

1.5.1 Составление свободной таблицы выходных и входных токов и напряжений

1.5.2 Построение сквозной динамической характеристики каскада

2. Расчёт характеристик

2.1 Расчёт коэффициента трансформации, активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток выходного трансформатора

2.2 Расчёт коэффициента частотных искажений на высшей рабочей частоте

2.3 Расчёт сквозной крутизны

3. Графическая часть

3.1 Принципиальная схема усилителя

3.2 Выходная характеристика и нагрузочная прямая

3.3 Входная характеристика транзистора

3.4 Сквозная динамическая характеристика

Заключение

Список используемой литературы

транзистор обмотка трансформатор усиление



Введение

Электронным усилителем называется устройство, в котором входной сигнал управляет более мощным потоком энергии, поступающей от источника питания к нагрузке.

Усилители применяют в измерительной технике, в системах автоматического управления, в бытовых приборах и научно исследовательской аппаратуре. Сейчас невозможно представить электронный прибор без усилителя.

Источниками усиливаемых сигналов могут быть микрофоны, считывающие головки магнитных накопителей информации, различные преобразователи неэлектрических параметров в электричестве.

Нагрузкой являются громкоговорители, электрические двигатели, сигнальные лампы, нагреватели и т.д. источники питания вырабатывают энергию с заданными параметрами-номинальных значениями напряжений, токов и мощности.

В данной курсовой работе мы произведем расчет однотактного каскада мощного усиления в режиме А. Исходя из определения работы «режима А» следует, что рабочая точка усилительного каскада для конкретного транзистора. Последовательность действий будет такова:

-Расчет основных параметров транзистора.

-Расчет схемы стабилизации.

-Графическая часть.



1. Выбор т ранзистора

1.1 Определение способа включения транзистора, выбор схемы и режима работы каскада мощного усиления

транзистор обмотка трансформатор усиление

Расчет однотактного транзисторного каскада мощного усиления в режиме А для рабочей полосы частот 90 Г_цч5000 Г_ц, имеющий М_н ? 1,5 Дб, отдаваемую в нагрузку мощность Р_вых=1,8 Вт и коэффициент гармоник К_г ? 6%. Каскад работает на нагрузку R_н=4 Ом через выходной трансформатор и предназначается для работы в комнатных условиях (T_{oкр мин}=+10^оС и Т_{окр макс}=30^оС). Напряжение источника питания задано и составляет Е_к=20 В

Так как допустимый коэффициент гармоник велик, берем включение транзистора с общим эмиттером; ввиду того что каскад трансформаторный, применяем эмиттерную схему стабилизации точки покоя. Для дополнительного сглаживания пульсаций источника питания в цепь делителя включаем фильтр С_фR_ф (Рис.1).

Определим мощность, которую должен отдавать транзистор, выбрав КПД выходного трансформатора равным _т=0,75:

Р_~= ==2,4 В

При КПД каскада в режиме А порядка 0,45 подводимая к транзистору oт источника питания мощность составит примерно

Р₀= = = 5,33 Вт

Полагая падение напряжения на сопротивлении первичной обмотки

Трансформатора r₁ порядка

0,1Е_к = 0,1 х 20В =2В

и задавшись падением напряжения на сопротивлении эмиттерной стабилизации R_э равным

0,09Е_к = 0,09 х 20В=1,8 В

Получим напряжения питания цепи коллектор-эмиттер

U_кэ0 = 20 В -- (2 В + 1,8 В) = 16,2 В

Отсюда максимальное напряжение, которое должен выдержать транзистор, составит:

U_{кэ макс} ? = = 40,5

1.2 Выбор транзистора по справочнику

Подходящим для каскада является германиевый транзистор типа П202, имеющий максимальную мощность рассеяния с дополнительным внешним радиатором Р_макс =10 Вт, допустимое напряжение коллектор-эмиттер при повышенной температуре U_{кэ доп} =30 В, в =20, максимальное значение обратного тока коллектора I_кнс =2 мА при U_кб <20 В и температуре коллекторного перехода Tн =+70°С, тепловое сопротивление Rтт ~3,5°С/Вт, f_{гp мин} =200кГц



1.3 Определение точки покоя по семейству выходных статических характеристик транзистора

Необходимое значение тока покоя цепи коллектора 1_к0 составит:

1_к0 = = 0,33 А

На семействе выходных статистических характеристик транзистора для включения с общим эмиттером (Рис. 2) отмечаем точку покоя 0 с координатами U_кэ0=16,2 В; I_к0 = =0,33 А и для сопротивления нагрузки коллекторной цепи переменному току:

R_к= = = =54,675 Ом

Проводим через нее нагрузочную прямую

Полагая остаточное напряжение коллектор-эмиттер U_{кэ ост} 0_,5 В, минимальный ток коллектора 1_{к мин} =0,01 А, отметим крайние положения рабочей точки 1 и 6 на нагрузочной прямой и определим мощность сигнала, отдаваемую транзистором в выбранном режиме:

Р_~ = 0,125(1_кмакс - 1_кмин)² х R_K = 0,125(0,72 А - 0,01 А)² х54,675Ом =3,74Вт,

что достаточно.

Ток смещения базы 1_б0, соответствующий найденной рабочей точке, при наихудшем транзисторе П202, имеющем в =20, составит

I_б0 = = = 16,5 мА

Амплитуда переменной составляющей входного тока I_{вх т}, которую должен обеспечить предыдущий каскад, при наихудшем транзисторе будет равна:

I_вхm=I_бm===17,75мА

1.4 Расчет входных параметров транзистора

Находить амплитуду переменной составляющей входного тока по семейству выходных характеристик как разность значений i₆ для крайних положений рабочей точки 1 и 6 нельзя, так как приводимые в справочниках семейства выходных статистических характеристик обычно не соответствуют транзистору, имеющему минимальное значение в.

Так как в справочниках для транзистора П 202 дана лишь статистическая входная характеристика для U_кэ =5 В, значения U_бэ0, U_{вx m,} Р_вх- и R_ах найдем приближенно по этой характеристике, перенеся на нее точки 1,0 и 6 нагрузочной прямой (Рис. 3, точки Г,0' и 6'). Это даст

U_бэ0= 0,395 В, 2U_{вх m} = 2U_{бэ m} | = 0,345 В

Следовательно, предыдущий каскад должен отдавать мощность сигнала:

P_вх~= = ?0,0015 Вт=1,5мВт

Входное сопротивление транзистора переменному току за период сигнала равно

R_вх0э= = = ? 9,72 Ом

Коэффициенты усиления мощности и напряжения каскада при этом составят:

К_м= = = 1200

К= = = = 112,5

1.5 Расчет коэффициента гармоник

1.5.1 Составление сводной таблицы входных и выходных токов и напряжений

Расчет коэффициента гармоник к_г можно производить только после выбора схемы и транзистора предыдущего каскада; сделаем это. Так как амплитуду тока входного сигнала 1_бт =12,9 мА можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора П15А, - предыдущий каскад возьмем реостатным. Предположим, что его расчет дал значение R_K =270 Ом.

При замене транзистора в каскаде вследствие большого разброса значений р у отдельных экземпляров даже при эмиттерной стабилизации ток покоя цепи коллектора может сильно возрасти, что ухудшит КПД каскада, увеличит потребляемую усилителей мощность и размеры охлаждающего транзистор радиатора. Поэтому для повышения экономичности рассчитаем стабилизацию, источник питания и радиатор не на замену транзистора, а лишь на изменение температуры, но для наиболее неблагоприятного случая в_макс =200, что встречается у транзисторов П202.

Расчет коэффициента гармоник к_г можно производить только после выбора схемы и транзистора предыдущего каскада; сделаем это. Так как амплитуду тока входного сигнала 1_бт =12,9 мА можно снять непосредственно с коллекторной цепи транзистора П15А, - предыдущий каскад возьмем реостатным. Предположим, что его расчет дал значение R_K =270 Ом.

При замене транзистора в каскаде вследствие большого разброса значений J3 у отдельных экземпляров даже при эмиттерной стабилизации ток покоя цепи коллектора может сильно возрасти, что ухудшит КПД каскада, увеличит потребляемую усилителей мощность и размеры охлаждающего транзистор радиатора. Поэтому для повышения экономичности рассчитаем стабилизацию, источник питания и радиатор не на замену транзистора, а лишь на изменение температуры, но для наиболее неблагоприятного случая |З_макс =200, что встречается у транзисторов П202.

При установке в каскад транзистора с меньшим значением в (до в_мин =20) сопротивление R₁ берут меньшее, обеспечивающее 1_к0 =0,39 А.

При падении напряжения Е, на сопротивлении R_o, равном 1,2 В, величина R, cоставит

R_э=? = = ? 3,1 Ом

Значение R₂ возьмем равным:

R₂ = (5 ч15) Ч R_{вх 0э} = 7 Ч 9,72 Ом = 68,04 Ом

Берем стандартное сопротивление в 68 Ом.

Зададимся максимальной температурой коллекторного перехода на 15°С ниже максимально допустимой для выбранного транзистора (+85°С), т.е. равной +30°С; тогда при U_бэ0 =0,395 В, минимальной температуре перехода Тп_мин =Т_{окр мин} =10°С, максимальной температуре перехода Тп _макс =+30°С максимальное и минимальное напряжения смещения составят:

R₂ = (5 ч15) Ч R_{BX 0Э} = 7 Ч 9,72 Ом = 68,04 Ом

Берем стандартное сопротивление в 68 Ом.

Зададимся максимальной температурой коллекторного перехода на 15°С ниже максимально допустимой для выбранного транзистора (+85°С), т.е. равной +30°С; тогда при U_бэ0 =0,395 В, минимальной температуре перехода Т_Пмин =Т_{окр мин} =10°С, максимальной температуре перехода Тп_макс =+30°С максимальное и минимальное напряжения смещения составят:

U_{бэ макс} = U_бэ0 + 0,0022(20°С -- Т_Пмин) = 0,395 В + 0,0022(20°С -- 10°С) = = 0,417 В

U_{бэ мин} = U_бэ0 -- 0,0022(Т_Пмакс -- 20°С) =0,395 В -- 0,0022(30°С -- 20°С) = 0,373 В

Максимальное значение начального тока коллектора в условиях эксплуатации:

I_{кп макс}? I_кнсх2 = 0,002Ах2^30-30)/10=0,002А=2мА

Взяв падение напряжения на R_ф, равным 2 В, получим напряжение, подводимое к делителю смещения Е'_к =Е_к--Еф=15В--2В =13 В, которое и используем для расчета R₁ и I_{к0 макс}.

Необходимое значение R₁ для транзистора с в _макс=200 равно

R₁== =502,67

Берем стандартное сопротивление 430 Ом. При этом максимальное значение тока покоя коллектора при _Тпмакс =+30°С составит:

I_{ко макс}= =

=0,47А

Сопротивление источника сигнала R_ист определим из выражения:

R_ист ? = = 48,22 Ом, где

R_дел= = =58,7 Ом

Для точек 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 нагрузочной прямой (Рис.2) и соответствующих им точек 1', 2', 3', 4', 5', 6', 7' входной характеристики (Рис. 3) значения токов коллектора i_к, токов базы i_б, напряжений база-эмиттер и ЭДС источника сигнала u_ист для R_ист = 48,22 Ом сведем в таблицу 1.

Таблица 1

Номер	1	2	3	4	5	6	7
iк, мА	72	62	51	40	27	14	10
iб, мА	15	12,5	10	7,5	5	2,5	0,2
uбэ, В	0,545	0,5	0,45	0,4	0,35	0,3	0,2
Uист= uбэ+Rист, В	1,27	1,1	0,93	0,76	0,59	0,42	0,21

u_ист7 =(0,2 B+0,0002 AЧ48,22 Ом) 0,21 В

u_ист6 =(0,3 В+0,0025 АЧ48,22 Ом) 0,42 В

u_ист5 =(0,35 В+0,005 АЧ48,22 Ом) 0,59 В

u_ист4 =(0,4 В+0,0075 АЧ48,22 Ом)0,76 В

u_ист3=(0,45 В+48,22 ОмЧ0,01 А) 0,93 В

u_ист2=(0,5 В+48,22 ОмЧ0,0125 А) 1,1 В

u_ист1=(0,545 B+48,22 Ом Ч 0.015А) 1,27 В

1.5.2 Построение сквозной динамической характеристики каскада

Построим по этим данным сквозную динамическую характеристику, изображенную на Рис. 4. Отметив на ней 1_{к мин} =0,01 А, 1_{к макс} =0,72 А и найдя I₂=0,185 А, 1_ко) =0,365 A, l₁ =0,54 А. Найдем гармонические составляющие коллекторного тока:

I_1m= = = 0,355 А

I_2m = = = -0.005 A

I_{3m =} = = 0 A

I_4m = = = 0.002A

I_cp = = = 0.365 A

I_1m+I_2m+I_3m+I_4m+I_cp=I_{к макс}= 0,355А-0,005А+0,002А+0,365А=0,717А

Найдем значение К_r:

К_r= = ?0.015= 1.5%

по условию это допустимо.

Определим теперь наибольшую мощность, выделяемую в транзисторе в режиме покоя,

P=Рк+Рэ=Iк₀ максЧUкэ₀ + I_боЧUбэомин=

16,2ВЧ0,33А+0,0195АЧ0,395 В5,35 Вт

По найденному значению Р определим необходимую поверхность охлаждения радиатора, обеспечивающую Т_{п макс}=+70^оС:

S_охл= = = 401 см²



2. Расчет характеристик

2.1 Расчет коэффициента трансформации, активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток выходного трансформатора

Коэффициент трансформации и активные сопротивления первичной и вторичной обмоток выходного трансформатора найдем по формулам:

n= = = 0,31

r₁= R_к~(1-n_т) = 54.675(1-0.75)=5.12Ом

r₂ =R_н = х4Oм = 0.5 Oм

Значение с берем равным 0,6. Допустимое значение М_н?1,5 Дб распределим между цепями, вносящими искажения на низких частотах: выходным трансформаторам и блокировочным конденсатором С, цепи стабилизации, взяв для трансформатора М_нт(д_б) (М_нт=1,12) и для конденсатора М_нэ (д_б)=0,5Дб (М_нт =1,06). Тогда необходимая индуктивность первичной обмотки трансформатора будет равна:

L₁? = 0,17 Гн

2.2 Расчет коэффициента частотных искажений на высшей рабочей частоте

Ввиду того, что выходное сопротивление транзистора П202 R_вых о_э много больше R_K, допустимое значение индуктивности рассеяния трансформатора L_s получится много больше действительного и его можно не рассчитывать; найдем коэффициент частотных искажений на высшей рабочей частоте, положив действительную индуктивность рассеяния трансформатора порядка 0,01 oт L₁ т.е. 0,01Ч0,17Гн=1,7Ч10^-3 гн;

М_н= ? 1,039

Здесь R_выx 0э определено из наклона выходных статистических характеристик Рис. 2 в рабочей точке и составляет примерно 600 Ом; следовательно каскад практически не будет вносить частотных искажений на верхних частотах. Однако вследствие большой динамической входной емкости транзистора П202, значительные искажения на верхних частотах даст предыдущий каскад.

Для того чтобы коэффициент дополнительных частотных искажений М_нэ от влияния С, не превысил 1,06 на низшей рабочей частоте f_н =90 Гц, конденсатор С, должен иметь емкость не ниже:

С_э= = = 18981мкФ

Что практически не может быть выполнено; S_эс здесь определенно для транзистора с в_макс =200:

S_эс? = = 3,469

Рассчитаем теперь значение С_э наиболее часто встречающегося значения в транзистора П202, равном 50:

С_э = = 6100 мкФ,

Где

S_эс? = 0,88

Как видно из расчета, значение С_э уменьшается с уменьшением статического коэффициента усиления транзистора по току. Конденсатор С_э следует взять на напряжение не ниже падения напряжения на R_э т.е. 1,2 В. Конденсатор большой емкости даже при малом рабочем напряжении имеет большие и сильно увеличит размеры, вес и стоимость усилителя.

Для уменьшения размеров и удешевления усилителя С_э можно исключить из схемы, но это уменьшит коэффициент усиления каскада и потребует предыдущего каскада. В двухтактных схемах оконечных каскадов отсутствие С₀ не снижает усиления, а поэтому транзисторные каскады даже малой мощности часто делают двухтактными увеличения амплитуды входного сигнала и повышения мощности

2.3 Расчет сквозной крутизны

Несмотря на синусоидальную ЭДС источника сигнала из-за нелинейности входной характеристики транзистора, напряжение сигнала на его входе оказывается несинусоидальным. Поэтому для того чтобы крайние точки остались бы на месте, точку покоя необходимо сместить. Уточненное значение тока покоя цепи коллектора по сквозной динамической характеристике (Рис. 4) получилось равным 365 мА. По нагрузочной прямой Рис. 2 этот ток соответствует напряжению питания цепи коллектор-эмиттер U_ку0 =13 В.

При напряжении источника питания Е_к =15 В и максимальном токе покоя коллектора 1_{к0 макс} =470 мА напряжение питания цепи коллектор-эмиттер составит: U_кэ0 = Е_к -- (I_{к0 макс}Ч r₁ + I_{э0 макс} ЧR_э) Е_к -- (I_{к0 макс}Ч r₁ + I_{э0 макс} ЧR_э) = 15 В -- (0,47 А Ч 3,25 Ом + 0,47 А х 3,1 Ом) = 12,02 В, что меньше найденного выше уточненного значения 13 В. Поэтому для получения расчетной выходной мощности сопротивление нагрузки цепи коллектора R_K~ необходимо уменьшить до

R_к~= 54.675 х ()= 46,74 Ом,

что нетрудно сделать, изменив коэффициент трансформации выходного трансформатора n до

n= = = 0,474

При этом окончательное значение тока покоя цепи коллектора будет равно

I_ко= 0.365A х = 394мА

т.е. окончательно точка покоя цепи коллектора будет иметь координаты:

I_к0 =394 мА; U_кэ0 =12 В. Ввиду малого расхождения напряжений остальной расчет в данном случае можно оставить без изменений. При значительном же расхождении напряжений следует пересчитать другие величины, исходя из нового (уточненного) значения R_K~

После уточнения режима

К= = = = 65,9

Заключение

При расчете транзисторных каскадов были построены следующие динамические характеристики: выходная, входная и сквозная динамические характеристики.

Выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию, построенную на семействе статических характеристик транзистора, и ее называют нагрузочной прямой. По нагрузочной прямой были определены отдаваемая каскадом мощность, амплитуда переменной составляющей выходного тока и напряжения. Также на основе нагрузочной прямой строится входная и сквозная динамическая характеристика.

Входная характеристика была построена путем переноса точек пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками транзистора на семейство входных статических характеристик. По ней были определены амплитуды переменной составляющей тока и напряжения входного сигнала, входная мощность.

Сквозная динамическая характеристика переменного тока представляет собой зависимость выходного тока от ЭДС источника сигнала. Ее используют для расчета коэффициента гармоник транзисторного каскада.

Выходная динамическая характеристика представляет собой прямую лшш построенную на семействе статических характеристик транзистора, и ее называют нагрузочной прямой. По нагрузочной прямой были определены каскадом мощность, амплитуда переменной составляющей выходного тока и напряжения. Также на основе нагрузочной прямой строится входная и сквозная динамическая характеристика.

Входная характеристика была построена путем переноса точек пересечения нагрузочной прямой со статическими выходными характеристиками транзистора на семейство входных статических характеристик. По ней были определены амплитуды переменной составляющей тока и напряжения входного сигнала, входная мощность.

Сквозная динамическая характеристика переменного тока представляет собой зависимость выходного тока от ЭДС источника сигнала. Ее используют для расчета коэффициента гармоник транзисторного каскада.



Список используемой литературы

1. Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей низкой частоты М. 2008.

2. Попов В.С., Николаев А.М. Общая электротехника с основами электроники М. 2011.

1. Справочник под общей редакцией Николаевского И.Ф. Транзисторы и полупроводниковые приборы М., 2010.

Размещено на Allbest.ru

...