Усилители мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Усилители мощности

Задание

Рассчитать усилитель мощности.

В расчет каскада мощного усиления входит:

выбор схемы усилителя;

выбор напряжения источника питания;

выбор транзисторов;

выбор точки покоя на выходных и входных характеристиках транзистора;

построение нагрузочной линии;

определение тока и напряжения смещения входной цепи;

определение сопротивления нагрузки выходной цепи переменному току;

проверка по выходной динамической характеристике (нагрузочной прямой), отдаваемой каскадом мощности;

определение амплитуды тока и напряжения входного сигнала (входной мощности), коэффициента усиления по мощности, коэффициента полезного действия каскада;

расчет сопротивлений, задающих смещение, и входного сопротивления каскада;

расчет реального значения коэффициента гармоник каскада и проверка его с допустимым значением (Кграсч.<Кгзадан.);

расчет емкостей и площади радиатора, охлаждающего транзистор каскада мощного усиления.

Исходные данные для расчета усилителя помещены в таблицах 3.1 и 3.2.

Вариант определяется двумя цифрами шифра. Цифра единиц указывает номер исходных данных в табл. 3.1, цифра десятков в табл. 3.2.

Таблица 3.1.

Таблица 3.2.

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка RH и мощность PH, рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков-сотен ВТ. Поэтому мощные каскады, как правило, бывают выходными - оконечными. В качестве нагрузки могут выступать различные исполнительные устройства систем управления (например, обмотки реле, электродвигатели). мощность транзистор ток

Выберем в качестве схемы усилителя схему двухтактного выходного без трансформаторного каскада с ОК, работающего в режимах В, АВ; с двумя источниками питания;

В рассматриваемом каскаде транзисторы включены по схеме с ОК (эмиттерные повторители) режим работы В или АВ. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении нагрузки Rн практически отсутствует, так как небольшие начальные токи, протекающие через транзисторы VT1 и VT2, взаимно вычитаются. При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК. Следовательно, выходной сигнал Ukm на сопротивлении нагрузки Rн практически равен входному, а усиление мощности достигается за счет усиления тока Ikm. Во время другого полупериода открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

Расчет двухтактного усилителя производят графоаналитическим методом по семействам статических характеристик одного транзистора. При этом рассчитывается одно плечо схемы.

Определим значения мощности, которую должны выделять транзисторы, и составляющие коллекторного тока и напряжения соответственно:

P1,1 PH; P33 Вт;

Выберем напряжение источников питания Ек 1 и Ек 2 :

(Ек 1 = Ек 2 = Ек), Ек Uкm + Uост,

где Uост - напряжение, отсекающее нелинейную часть выходных характеристик транзистора в области малых коллекторных напряжений (Uост(0,31,5)В).

Ек 16,3+0,7 17 В;

Uост = 0,7 В;

Выберем транзисторы

Для этого рассчитаем следующие предельные параметры:

Uкэдоп. (22.5)Ек; Iкдоп. Iкm; Ркдоп. (0.40.7)Р;

Транзисторы должны быть комплементарными, т.е. с противоположными типами проводимости и одинаковыми параметрами.

Uкэдоп. 2Ек 34 В;

Iкдоп. 4,06 А;

Ркдоп. (0,4..0,7)Р 16,5 Вт;

Для выбранной пары транзисторов выпишем необходимые параметры:

Входные и выходные вольтамперные характеристики транзисторов представлены ниже.

На выходных характеристиках отметим допустимые значения тока Iкдоп и напряжения Uкдоп, а также построим кривую допустимой мощности, рассеиваемой транзистором.

Параметры: по графику

Ik = 4,86А

Ikm = 4,06 А

Iok = 0,8 А

Uост = 0,7 В

Uкм = 16,3 В

Ек = 17 В

Определим параметры входной цепи

Определим ток смещения базы Ioб, соответствующий найденной рабочей точке 0, при наихудшем транзисторе, имеющем min:15

и амплитуду переменной составляющей входного тока Iбm:

Значения напряжений Uоб и Uбm найдем по входной характеристике для Iбmin и Iбmax, параметры которых берутся из построений на выходных характеристиках.

Iбmin=0,02 A; Uоб=0,8 В;

Iбmax=0,29 А; Uбmax=2 В;

Uбm= Uбmах - Uоб =2 - 0,8 = 1,2 В.

Входное напряжение для схемы с ОК, не обеспечивающей усиления по напряжению, определяется как:

Uвхm= Uбm+ Uкm =1,2+16,3 = 17,5 В.

Входная мощность сигнала, требуемая для получения заданной мощности в нагрузке, составляет:

Коэффициент усиления по мощности

Потребляемая каскадом номинальная мощность

P0 = 2EкIкср =2172,09=71,06 Вт, где

Iкср = [(Iкm/)+Iок]=4,06/3,14+0,8=2,09(А).

Коэффициент полезного действия каскада

= Р/Р 0=33/71,06=0,46 (46%).

Расчет сопротивлений делителя R1R4, задающих исходное состояние транзисторов

Iдел=(0,52)Iбm=0,271 А

Входное сопротивление каскада с учетом делителя подачи смещения при включении с общим коллектором

Rвх~ R2 + RH = 2,95 + 15 4 = 62,95 (Ом) 68 Ом[E12];

Определение уровня нелинейных искажений

Для оценки уровня нелинейных искажений используют сквозную динамическую характеристику каскада, которая строится с помощью семейства статических выходных и динамической входной ВАХ транзистора.

На графике семейства статических выходных ВАХ устанавливаем зависимость входного тока (тока базы) от выходного (тока коллектора) в точках пересечения семейства статических выходных ВАХ с нагрузочной прямой переменного тока. Затем с помощью динамической входной ВАХ определяем значения входных напряжений по найденным значениям тока базы и вычисляем значения ЭДС генератора, который имеет внутреннее сопротивление Rг=Rвхок (задаемся выходным сопротивлением предыдущего каскада).

Rг = Rвхок = 68 Ом;

Вычислим значения

Ег: Ег = Uбэ + IбRг.

Ег 1 = 2 + 0,29 68 = 21,72 В;

Ег 2 = 1,29 + 0,15 68 = 11,49 В;

Ег 3 = 0,98 + 0,1 68 = 7,78 В;

Ег 4 = 0,87 + 0,05 68 = 4,27 В;

Ег 5 = 0,85 + 0,04 68 = 3,57 В;

Ег 6 = 0,8 + 0,02 68 = 2,16 В;

Выпишем значения выходного тока iк для взятых точек пересечения и построим зависимость iк=f(eг), представляющую собой сквозную динамическую характеристику каскада.

Рисунок 1. Сквозная динамическая характеристика каскада.

По сквозной характеристике найдем номинальные токи I'km, I'1, I'кmin, соответствующие напряжениям Егmax, 0,5(Егmax +Егmin), Егmin .

I'km=4,86 A;

I'1=3,08 А;

I'kmin=0,8 А;

Для расчета коэффициента гармоник двухтактного каскада в режиме АВ с учетом асимметрии плеч находим Ikm, I1, Iоk, I2 Ikmin по формулам

Ikm = (1+b) I'km; I1 = (1+b) I'1; Iok = 2bI'кmin;

I2 = - (1-b) I'1; Ikmin = - (1-b) I'km;

где b - коэффициент асимметрии транзисторов b=0,10,15.

Ikm = (1+0,1)4,86= 5,346 А;

I1 = (1+0,1)3,08= 3,388 А;

Iok=20,10,8= 0,16 А;

I2 = -(1-0,1)3,08 = -2,772 А;

Ikmin = - (1-0,1)4,86= -4,374 А;

Далее определим амплитуду гармоник тока коллектора

Ik1 = 1/3(Ikm - Ikmin + I1 - I2)=1/3(5,346+4,374+3,388+2,772)= 5,293 А;

Ik2 = ј(Ikm - 2Iok + Ikmin)=1/4(5,346-20,16-4,374)= 0,163 А;

Ik3 = 1/6[Ikm - Ikmin -2(I1 - I2)]=1/6(5,346+4,374-2(3,388+2,772))= -0,433 А;

Ik4 = 1/12[Ik +Ikmin-4(I1+I2)+6Iok ]=1/12(5,346-4,374-4(3,388-2,772)+60,16)= -0,044 А;

Iср = 1/6[Iкm + Iкmin +2(I1 + I2)]=1/6(5,346-4,374+2(3,388-2,772))=0,367 А.

Правильность вычисления найденных токов можно проверить по выражению:

Ik1 + Ik2 + Ik3 + Ik4 + Iср = Ikm

5,293+0,163-0,433-0,044+0,367=5,346

Зная эти амплитуды, можно подсчитать коэффициент гармоник, который получился бы при включении транзисторов с общим эмиттером:

при включении с общим коллектором отрицательная обратная связь снизит коэффициент гармоник до величины

Полученный коэффициент гармоник меньше заданного (2<3,5).

Определим значение ёмкости разделительного конденсатора

При расчете параметров элементов схемы значения линейных искажений МН берутся как безразмерные величины (МНдб = 20 lg МН). Полученные значения параметров элементов схемы (R, C) округлим до номинальных ряда Е 12.

Определим площадь дополнительного теплоотвода (радиатора), охлаждающего транзистор

где F' - коэффициент теплоотдачи (F' = (1,21,4)10-3 вт/см 2град);

tперmax- максимальная температура коллекторного перехода ((Ge) = 90100oC, Si = 150200oC);

tсрmax- максимально возможная температура окружающей среды;

RtП.К. - величина теплового сопротивления транзистора (переход-корпус).

RtП.К. 3,0 град/вт при Ркдоп 30вт

Pk - мощность, выделяемая в транзисторе (PkВ 0,5 р; РkАВ 0,7р)

Размещено на Allbest.ru