Усилитель на транзисторах: виды, схемы, простые и сложные. Простейшие усилители низкой частоты на транзисторах Усилитель на 3 х транзисторах расчет
А. Бепьский
РМ. КВ-УКВ. 1/2002
При конструировании транзисторных усилителей мощности радиолюбители зачастую не выполняют полный расчет схемы ввиду сложности и большого объема вычислений. Компьютерные методы моделирования радиотехнических устройств несомненно облегчают процесс конструирования, но приобретение и освоение таких программ также вызывает определенные проблемы, поэтому графические методы расчета для некоторых радиолюбителей могут оказаться наиболее приемлемыми и доступными, например, метод, описанный в .
Одна из главных целей при конструировании усилителей мощности - получение максимальной выходной мощности. Однако при выборе величины напряжения питания усилителя должно соблюдаться условие - Uкэ max выходного транзистора не должно превышать более чем на 10% значение, приводимое для него в справочнике. При проектировании также необходимо учитывать справочные значения Iк max и Pк max транзистора и, кроме того, знать значение коэффициента в.
Смысл используемых обозначений иллюстрирует рис.1. Используя справочные параметры транзистора, на миллиметровке строится система координат Uк, Iк, и на ней проводятся прямые Iк max, Uкэ max и кривая предельной мощности Рк max (рис.2). Внутри площади, ограниченной прямыми Iк max и Uкэ max и гиперболой Рк max располагается рабочая точка транзистора.
Рис.1
Выходная мощность каскада будет тем больше, чем ближе к гиперболе Рк max проходит нагрузочная прямая.
Максимум мощности достигается при касании гиперболы прямой. Максимальное выходное напряжение обеспечивается, если нагрузочная прямая выходит из точки Uкэ max. Для одновременного выполнения обоих упомянутых условий, выходящая из точки Uкэ max прямая должна касаться гиперболы Рк max.
Иногда возникает необходимость получения большого тока через выходной транзистор. В этом случае необходимо провести нагрузочную прямую из точки Iк max касательно к гиперболе Рк max. Транзистор будет работать в режиме класса А.
Выберем рабочую точку Мр транзистора так, чтобы выходное напряжение было максимальным и симметричным. Из рабочей точки проводим прямые, параллельные осям Uк и Iк. В точке пересечения с осью Uк получим значение напряжения питания каскада, а в точке пересечения с осью Iк - величину тока покоя транзистора (Iко). После этого, зная коэффициент в транзистора, можно определить ток базы Iбо для выбранной рабочей точки. Кроме того, можно рассчитать и другие параметры каскада, важные для разработчика. Следует иметь в виду, что сопротивление резистора Rэ необходимо выбирать как можно меньше (в предельном случае - равное нулю).
С целью иллюстрации описанного метода расчета предельных параметров усилителей мощности рассмотрим алгоритм разработки выходного каскада на транзисторе 2N3632 (приблизительный аналог - КТ907).
Для этого транзистора: Uкэ max =40В; Рк max=23 Вт; Iк max=3 А; b=50...110 (для расчетов принимаем в=100); ft=400 МГц.
Графическим путем получим следующие данные: Uп=16 В; Iко=1,36 A; Uвых=30 В: Iкm=2,8А.
Определяем ток базы:
Ток через делитель:
Сопротивление резисторов делителя.
Усилитель с общим эмиттером раньше являлся базовой схемой всех усилительных устройств.
В прошлой статье мы с вами говорили о самой простой схеме смещения транзистора. Эта схема (рисунок ниже) зависит от , а он в свою очередь зависит от температуры, что не есть хорошо. В результате на выходе схемы могут появиться искажения усиливаемого сигнала.
Чтобы такого не произошло, в эту схему добавляют еще парочку и в результате получается схема с 4-мя резисторами:
Резистор между базой и эмиттером назовем R бэ , а резистор, соединенный с эмиттером, назовем R э . Теперь, конечно же, главный вопрос: “Зачем они нужны в схеме?”
Начнем, пожалуй, с R э .
Как вы помните, в предыдущей схеме его не было. Итак, давайте предположим, что по цепи +Uпит—->R к —–> коллектор—> эмиттер—>R э —-> земля бежит электрический ток, с силой в несколько миллиампер (если не учитывать крохотный ток базы, так как I э = I к + I б ) Грубо говоря, у нас получается вот такая цепь:
Следовательно, на каждом резисторе у нас будет падать какое-то напряжение. Его величина будет зависеть от силы тока в цепи, а также от номинала самого резистора.
Чуток упростим схемку:
R кэ – это сопротивление перехода коллектор-эмиттер. Как вы знаете, оно в основном зависит от базового тока.
В результате, у нас получается простой делитель напряжения , где
Мы видим, что на эмиттере уже НЕ БУДЕТ напряжения в ноль Вольт, как это было в прошлой схеме. Напряжение на эмиттере уже будет равняться падению напряжения на резисторе R э .
А чему равняется падение напряжения на R э ? Вспоминаем закон Ома и высчитываем:
Как мы видим из формулы, напряжение на эмиттере будет равняться произведению силы тока в цепи на номинал сопротивления резистора R э . С этим вроде как разобрались. Для чего вся эта канитель, мы разберем чуть ниже.
Какую же функцию выполняют резисторы R б и R бэ ?
Именно эти два резистора представляют из себя опять же простой делитель напряжения . Они задают определенное напряжение на базу, которое будет меняться, если только поменяется +Uпит , что бывает крайне редко. В остальных случаях напряжение на базе будет стоять мертво.
Вернемся к R э.
Оказывается, он выполняет самую главную роль в этой схеме.
Предположим, у нас из-за нагрева транзистора начинает увеличиваться ток в этой цепи.
Теперь разберем поэтапно, что происходит после этого.
а) если увеличивается ток в этой цепи, то следовательно увеличивается и падение напряжения на резисторе R э .
б) падение напряжения на резисторе R э – это и есть напряжение на эмиттере U э . Следовательно, из-за увеличения силы тока в цепи U э стало чуток больше.
в) на базе у нас фиксированное напряжение U б , образованное делителем из резисторов R б и R бэ
г) напряжение между базой эмиттером высчитывается по формуле U бэ = U б – U э . Следовательно, U бэ станет меньше, так как U э увеличилось из-за увеличенной силы тока, которая увеличилась из-за нагрева транзистора.
д) Раз U бэ уменьшилось, значит и сила тока I б , проходящая через базу-эмиттер тоже уменьшилась.
е) Выводим из формулы ниже I к
I к =β х I б
Следовательно, при уменьшении базового тока, уменьшается и коллекторный ток;-) Режим работы схемы приходит в изначальное состояние. В результате схема у нас получилась с отрицательной обратной связью, в роли которой выступил резистор R э . Забегая вперед, скажу, что О трицательная О братная С вязь (ООС) стабилизирует схему, а положительная наоборот приводит к полному хаосу, но тоже иногда используется в электронике.
Расчет усилительного каскада
1) Первым делом находим из даташита максимально допустимую рассеиваемую мощность, которую транзистор может рассеять на себе в окружающую среду. Для моего транзистора это значение равняется 150 миллиВатт. Мы не будем выжимать из нашего транзистора все соки, поэтому уменьшим нашу рассеиваемую мощность, умножив на коэффициент 0,8:
P рас = 150х0,8=120 милливатт.
2) Определим напряжение на U кэ . Оно должно равняться половине напряжения Uпит.
U кэ = Uпит / 2 = 12/2=6 Вольт.
3) Определяем ток коллектора:
I к = P рас / U кэ = 120×10 -3 / 6 = 20 миллиампер.
4) Так как половина напряжения упала на коллекторе-эмиттере U кэ , то еще половина должна упасть на резисторах. В нашем случае 6 Вольт падают на резисторах R к и R э . То есть получаем:
R к + R э = (Uпит / 2) / I к = 6 / 20х10 -3 = 300 Ом.
R к + R э = 300 , а R к =10R э, так как K U = R к / R э , а мы взяли K U =10 ,
то составляем небольшое уравнение:
10R э + R э = 300
11R э = 300
R э = 300 / 11 = 27 Ом
R к = 27х10=270 Ом
5) Определим ток базы I базы из формулы:
Коэффициент бета мы замеряли в прошлом примере. Он у нас получился около 140.
Значит,
I б = I к / β = 20х10 -3 /140 = 0,14 миллиампер
6) Ток делителя напряжения I дел , образованный резисторами R б и R бэ , в основном выбирают так, чтобы он был в 10 раз больше, чем базовый ток I б :
I дел = 10I б = 10х0,14=1,4 миллиампер.
7) Находим напряжение на эмиттере по формуле:
U э = I к R э = 20х10 -3 х 27 = 0,54 Вольта
8) Определяем напряжение на базе:
U б = U бэ + U э
Давайте возьмем среднее значение падения напряжения на базе-эмиттер U бэ = 0,66 Вольт . Как вы помните – это падение напряжения на P-N переходе.
Следовательно, U б =0,66 + 0,54 = 1,2 Вольта . Именно такое напряжение будет теперь находиться у нас на базе.
9) Ну а теперь, зная напряжение на базе (оно равняется 1,2 Вольта), мы можем рассчитать номинал самих резисторов.
Для удобства расчетов прилагаю кусочек схемы каскада:
Итак, отсюда нам надо найти номиналы резисторов. Из формулы закона Ома высчитываем значение каждого резистора.
Для удобства пусть у нас падение напряжения на R б называется U 1 , а падение напряжения на R бэ будет U 2 .
Используя закон Ома, находим значение сопротивлений каждого резистора.
R б = U 1 / I дел = 10,8 / 1,4х10 -3 = 7,7 КилоОм . Берем из ближайшего ряда 8,2 КилоОма
R бэ = U 2 / I дел = 1,2 / 1,4х10 -3 = 860 Ом . Берем из ряда 820 Ом.
В результате у нас будут вот такие номиналы на схеме:
Проверка работы схемы в железе
Одной теорией и расчетами сыт не будешь, поэтому собираем схему в реале и проверяем ее в деле. У меня получилась вот такая схемка:
Итак, беру свой и цепляюсь щупами на вход и выход схемы. Красная осциллограмма – это входной сигнал, желтая осциллограмма – это выходной усиленный сигнал.
Первым делом подаю синусоидальный сигнал с помощью своего китайского генератора частоты :
Как вы видите, сигнал усилился почти в 10 раз, как и предполагалось, так как наш коэффициент усиления был равен 10. Как я уже говорил, усиленный сигнал по схеме с ОЭ находится в противофазе, то есть сдвинут на 180 градусов.
Давайте подадим еще треугольный сигнал:
Вроде бы гуд. Если присмотреться, то есть небольшие искажения. Нелинейность входной характеристики транзистора дает о себе знать.
Если вспомнить осциллограмму схемы с двумя резисторами
то можно увидеть существенную разницу в усилении треугольного сигнала
Заключение
Схема с ОЭ во времена пика популярности биполярных транзисторов использовалась как самая ходовая. И этому есть свое объяснение:
Во-первых , эта схема усиливает как по току, так и по напряжению, а следовательно и по мощности, так как P=UI .
Во-вторых , ее входное сопротивление намного больше, чем выходное, что делает эту схему отличной малопотребляемой нагрузкой и отличным источником сигнала для следующих за ней нагрузок.
Ну а теперь немного минусов:
1) схема потребляет небольшой ток, пока находится в режиме ожидания. Это значит, питать ее долго от батареек не имеет смысла.
2) она уже морально устарела в наш век микроэлектроники. Для того, чтобы собрать усилитель, проще купить готовую микросхему и сделать на ее базе
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство транспорта РФ
ФГБОУ ВО СГУВТ
Кафедра: «Электрооборудование и автоматика»
Курсовая работа
Дисциплина: «Судовая электроника и силовая преобразовательная техника»
Тема: “Расчет транзисторного усилителя”
Новосибирск 2016 г.
Введение
Усилителями называются устройства, в которых сравнительно маломощный входной сигнал управляет передачей значительно большей мощности из источника питания в нагрузку. Наибольшее распространение получили усилители, построенные на полупроводниковых усилительных элементах (биполярных и полевых транзисторах); в последние годы усилители преимущественно используются в виде готовых неделимых компонентов -- усилительных ИМС. Простейшая ячейка, позволяющая осуществить усиление, называется усилительным каскадом.
Электрические сигналы, подаваемые на вход усилителей, могут быть чрезвычайно разнообразны; это могут быть непрерывно изменяющиеся величины, в частности гармонические колебания, однополярные или двухполярные импульсы. Как правило, эти сигналы пропорциональны определенным физическим величинам. В установившихся режимах многие физические величины постоянны либо изменяются весьма медленно (напряжение и частота сети, частота вращения двигателя, напор воды на гидроэлектростанции). В переходных и особенно аварийных режимах те же величины могут изменяться в течение малых промежутков времени. Поэтому усилитель должен обладать способностью усиливать как переменные, так и постоянные или медленно изменяющиеся величины. Такие усилители являются наиболее универсальными и распространенными. По традиции их называют усилителями постоянного тока (УПТ), хотя такое название и не вполне точно: УПТ усиливают не только постоянную, но и переменную составляющую (приращения сигнала) и в подавляющем большинстве случаев они являются усилителями напряжения, а не тока.
Каскады усиления мощности: в этих усилителях при проектировании выходного каскада усилителя энергетические вопросы являются первостепенными. В таких усилителях необходим высокое значение КПД, так как только при высоком значении КПД могут быть снижены потери энергии источника питания, уменьшен нагрев полупроводниковых приборов и снижена их мощность. Каскады усиления мощности отличаются от остальных схем не только своей структурой, но и особенностями расчета. Можно считать, что в известной степени каскады усиления мощности относятся к схемам энергетической электроники, при создании которых в первую очередь необходимо обеспечить благоприятные энергетические соотношения.
Усилители электрических сигналов в настоящее время нашли широкое применение во всех отраслях хозяйства, в том числе и на водном транспорте.
Исходные данные для расчета транзисторного усилителя.
Заданием предусмотрены следующие показатели усилителя, которые следует обеспечить или превысить в допустимых пределах:
Pн - мощность, которую должен отдавать в нагрузку усилитель при искажениях сигнала, не превосходящих допустимые (Рн = 19 Вт);
Rн - расчетное сопротивление нагрузки (чисто активное R = 4 Ом);
Кu - коэффициент усиления по напряжению, который задаётся с целью обеспечить необходимую чувствительность усилителя, т.е. входное напряжение, соответствующее номинальному выходному сигналу (Кu = 120 ед.);
Мн и Мв - коэффициенты частотных искажений, вносимых усилителем, характеризующие уменьшение усиления на какой-либо частоте в сравнении с максимальным усилением (Мн = 1,4 и Мв = 1,4);
Fв и fн - соответственно верхняя и нижняя частоты полосы пропускания. Это частоты, на которых Ки падает в Мв или Мн раз (fн = 20 Гц и fв = 20 кГц)
Г - коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник).
где U 1 m - амплитуда первой гармоники выходного сигнала, U 2 m, U 3 m. - соответственно, амплитуды высших гармоник. Этот коэффициент характеризует искажение формы сигнала и обусловлен нелинейностью входных и выходных характеристик транзисторов.
1. Трансформаторный каскад усилителя мощности в режиме класса А
Режимом класса А называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи существует в течение всего периода сигнала. В исходном состоянии точка покоя усилительного элемента находится примерно в середине рабочего участка его динамической характеристики. Это достигается подачей соответствующего смещения во входную цепь. Основным достоинством режима класса А является малый коэффициент гармоник. Недостаток - низкий КПД (не более 50%).
Режимом класса В называют такой режим работы усилительного элемента, при котором ток в выходной цепи усилительного элемента существует в течение примерно половины периода. Точка покоя усилительного элемента расположена на нижнем конце идеализированной динамической характеристики. Здесь напряжение смещения входной цепи примерно равно величине, отсекаемой на горизонтальной оси продолжением спрямленной входной динамической характеристики. Углом отсечки 0 называется половина той части периода, выраженная в угловых единицах, в течение которой ток сигнала протекает через усилительный элемент. Основным достоинством режима класса В является малое потребление энергии, высокий КПД, уменьшение потребления электроэнергии с уменьшением входного сигнала. Недостатком режима В является то, что усилительный элемент работает часть периода и поэтому используется только в двухтактных схемах. Вследствие использования большого участка характеристики, включая криволинейный, коэффициент гармоник двухтактного каскада в режиме класса В выше, чем в режиме класса А.
Исходными данными для расчета являются:
а) выходная мощность (Рн = 19 Вт);
б) сопротивление нагрузки (чисто активное R = 4 Ом);
в) диапазон частот (от fн = 20 Гц и до fв = 20 кГц);
г) допустимое значение коэффициента нелинейных искажений (Мн = 1,4 и Мв = 1,4);
В процессе расчета выбираем:
1) Схему и способ включения транзисторов:
Для обеспечения требуемого К u обычно недостаточно одного усилительного элемента, и в усилителе используют несколько элементов, причем усиленный первым элементом сигнал подводится ко второму, от второго к третьему и т.д. Одна ступень усиления образует каскад. Как правило, на практике усилители бывают многокаскадными.
Входное устройство представляет обычно трансформатор, входной делитель, емкость или какие-либо вспомогательные элементы.
Предварительный усилитель состоит из одного или нескольких каскадов, предназначенных для усиления сигнала до значения, необходимого для подачи на вход усилителя мощности. Если источник сигнала дает достаточную для подачи на вход этого усилителя мощность сигнала, предварительный усилитель не нужен.
Усилитель мощности может быть одно- и многокаскадным. Основное требование, предъявляемое к таким каскадам, заключается в отдаче заданной мощности.
Выходное устройство служит для передачи усиленного сигнала из выходной цепи последнего усилительного элемента в нагрузку (обычно, это выходной трансформатор или разделительная емкость).
На принципиальной схеме усилителя, часто называемой электрической схемой, показаны все элементы (электрические детали), входящие в усилитель, и соединения между ними.
Рисунок 1 - Электрическая схема двухкаскадного усилителя мощности.
2. Расчёт предварительного каскада усиления мощности
Каскад усилителя мощности предназначен для отдачи заданной величины мощности сигнала в заданное сопротивление нагрузки. Эта мощность должна отдаваться при допустимом уровне нелинейных и частотных искажений, а также при возможно меньшем потреблении энергии от источников питания.
Каскады усилителя мощности в зависимости от условий их работы могут быть весьма различны по использованию в них типов усилительных элементов, рабочих режимов, схем каскадов. Выбор усилительного элемента, способа его включения, режима работы, эквивалентного сопротивления нагрузки выходной цепи, смещении на управляющем электроде и т.п. производится исходя из требований, предъявляемых к усилителю.
Специфической особенностью каскада усилителя мощности является весьма полное использование характеристик усилительного элемента из-за большой амплитуды входного сигнала, вследствие чего параметры усилительного элемента за период сигнала изменяются в широких пределах. Поэтому расчет отдаваемой мощности, коэффициента усиления, коэффициента гармоник и т.п. производят графическим способом по характеристикам усилительного элемента.
Транзисторы в каскадах мощного усиления обычно включаются с общим эмиттером, общим коллектором или общей базой. В первом случае коэффициент усиления по мощности получается максимальным. Схема с общей базой позволяет получить меньший коэффициент гармоник и хорошую стабильность каскада при изменении температуры и других параметров. Однако от предыдущего каскада требуется большой ток. Включение транзистора с общим коллектором в каскадах мощного усиления применяется, в основном, в усилителях с без трансформаторным выходом.
2) Выбираем тип транзистора:
При этом учитывается:
Допустимая мощность, рассеиваемая в коллекторе
Р К доп? 2,5 Р ~
где Р ~ = Рн / 2 з тр = 19 / 2 *0,9 = 10,5 Вт
где Рн - мощность сигнала, отдаваемая транзистором;
з тр - КПД трансформатора
тогда Р К доп? 2,5 Р ~ = 2,5 10,5 = 26,25 Вт
Граничная частота усиления:fm >> f в;
Наибольшее предполагаемое напряжение коллектор-эмиттер U КЭ доп > U КЭ мах
3) Выписываем паспортные данные транзистора и строим по справочным данным выходную и входную характеристики:
Тип транзистора КТ 819 А
Структура n-p-n
Коэффициент усиления тока базы, (h 21) Kiб = 20…45
Предельная частота усиления fм = 3 МГц
Максимальный ток коллектора i к мах = 10 A
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер U кэ мах (U к доп) = 40 В
Максимальная мощность, рассеиваемая коллектором Р к мах = 50 Вт
4) Выбираем напряжение источника питания:
Е = (0,3 … 0,4) U к доп = 0,4 40 = 16 В
5) Найдём напряжение питания цепи коллектор-эмиттер:
U 0 = E - ?Uтр - ?Uэ = 16 - 1,6 - 1,44 = 12,96 В
где?Uтр = 0,1 Е = 0,1 16 = 1,6 В
Uэ = 0,09 Е = 0,09 16 = 1,44 В
6) Определяем ток покоя выходного транзистора:
где з А - КПД каскада в режиме А
7) Найти сопротивление нагрузки выходной цепи переменному току:
R =U 0 2 / 2P =12.96 2 /210.5=7.9
8) На семействе выходных характеристик выбранного транзистора отмечаем точку покоя О с координатами U 0 , I 0: (см. рис. 2);
9) Проводим через точки О и С нагрузочную прямую для сопротивления R ~ (точка С имеет координаты: Iк = 0, U кэ = U 0 +I 0 R ~ =27,18 В) (см. рис. 2)
Рисунок 2 - Входные и выходные характеристики транзистора КТ 819 А
10) Определяем мощность, отдаваемую транзистором в выбранном режиме:
Р I ~ = 0,125 (Iк max - I k min) 2 R ~ = 0.125 (3,4 - 0) 2 7,9 = 11,41 Вт
11) Сравниваем Р I ~ с требуемым Р ~ :
Видим что условие выполняется: Р I ~ > Р ~ (т.е. 11,41 10,5)
12) На статическую входную характеристику переносим точки I б max и I б min , соответствующие I к max и I к min (см. рис. 2)
Iк max = 3,4 А; Iк min = 0,15 А; Iб max = 0.15 А; Iб min = 0,005 А;
13) По остаточной входной характеристике находим размах входного напряжения сигнала и входного тока:
2Uвх = U бэ max - U бэ min = 2 - 0,75 = 1.25 В
2 Iвх = Iб max - Iб min = 150 - 5 = 0,149 mА
14) Определяем напряжение на входе, соответствующее точке покоя:
Uо вх = Uоб = 1,4 В
15) Определяем мощность сигнала на входе:
16) Находим входное сопротивление переменному току:
2Uвых=Uкэ max - Uкэ min= 27-1=26В
17) Находим коэффициент усиления каскада по мощности и напряжению:
18) Строим сквозную статическую характеристику, для чего:
Определяем ЭДС источника сигнала
еист = U бэ + I б R ИСТ
где R ИСТ = 5 R ВХ = 5 8,6 = 43 Ом
Данные для сквозной характеристики заносим в таблицу №1
Таблица №1
Строим зависимость Iк = f (е ИСТ)
3. Проведём расчёт гармонических составляющих выходного тока
Для этого на сквозной характеристике отмечаем пять ночек, соответствующие расчётной ЭДС источника сигнала (е ИСТ МАХ), половине расчётной амплитуды ЭДС источника сигнала (0,5 е ИСТ МАХ), точке покоя (0 точка отсутствия сигнала), половине отрицательной ЭДС источника сигнала, отрицательной амплитуде ЭДС источника сигнала. Значение выходного тока в этих пяти точках обозначим соответственно через I МАХ, I 1 , I 0 , I 2 , I MIN , тогда амплитуды первой, второй, третьей и четвёртой гармоник выходного тока I 1М, I 2М, I 3М, I 4М и постоянную составляющую можно найти из выражений:
Правильность вычислений можно проверить по формуле:
Определяем сопротивление первичной обмотки трансформатора:
где С -- отношение сопротивления первичной обмотки R 1 к приведенному сопротивлению вторичной обмотки R" 2 . При отсутствии постоянной составляющей в обмотках трансформатора величину С принимают равной единице. В выходных каскадах усилителя мощности, работающих в режиме класса А, через первичную обмотку протекает постоянная составляющая тока питания. В таких каскадах для снижения падения напряжения питания на первичной обмотке и повышения КПД значение С берут порядка 0,6...0,8.
Находим сопротивление вторичной обмотки трансформатора:
Необходимый коэффициент трансформации будет:
Определяем минимально необходимую индуктивность первичной обмотки трансформатора на нижней частоте:
Принимаем индуктивность рассеяния: L S = 0,01·L 1 = 0.01·0.063 = 0.00063 Гн
Находим частотные искажения, вносимые трансформатором на высоких частотах:
Находим сопротивление эмиттерной стабилизации:
Рассчитываем делитель смещения:
где I g = (1...3) · I ОБ для каскадов мощного усиления,
где Е" - напряжение после фильтра питания делителя (Е I = E - 2 = 12 B)
4. Трансформаторный каскад предварительного усиления
Каскад предварительного усиления предназначен для усиления тока или напряжения сигнала, создаваемого источником сигнала, до величины, необходимой для подачи на вход каскада мощного усиления.
Условия работы каскадов предварительного усиления весьма разнообразны, вследствие этого в них применяют различные по типу элементы, способы их включения и схемы каскадов.
Для уменьшения количества каскадов предварительного усиления в них используют усилительные элементы с высоким коэффициентом усиления. Способ их включения, режим работы, положение точки покоя, электрические данные межкаскадной связи выбираются таким образом, чтобы получить от каскада наибольшее усиление при допустимых частотных и переходных искажениях и возможно меньшим потреблением мощности от источника питания.
Специфической особенностью каскада предварительного усиления является неполное использование характеристик усилительного элемента из-за малой амплитуды входного сигнала, вследствие чего параметры элемента за период изменяются незначительно. Поэтому коэффициенты усиления тока и напряжения сигнала таких каскадов обычно определяют аналитически без построения характеристик, используя малосигнальные параметры усилительных элементов, найденные для точки покоя (или взятые из справочного материала).
Расчет трансформаторного каскада предварительного усиления ведём по аналогии с расчетом мощного каскада. R ВХ. ОК. К - входное сопротивление оконечного каскада, т.к. нагрузкой каскада предварительного усиления является входная цепь оконечного каскада.
Транзистор для такого каскада выбираем маломощный, включение - с ОЭ, позволяющее получить наибольшее усиление. Режим работы должен быть экономичным, с небольшим током покоя, но не менее 1 мА.
Примем напряжение на коллекторе U = 10В.
Определяем ток покоя из выражения:
где Р~ - входная мощность оконечного каскада,
з А = 0,45 - КПД каскада в режиме А;
з Т = 0,85 - КПД для межкаскадного трансформатора
Выбираем маломощный транзистор из числа предложенных в приложении к методическому пособию:
Выписываем паспортные данные транзистора:
Тип транзистора КТ 3102 А
Структура n-p-n
Коэффициент усиления тока базы, (h 21) K I б = 100…200
Предельная частота усиления fм = 50 МГц
Максимальный ток коллектора i к мах = 100 mA
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер U кэ мах (U к доп) = 50 В
Максимальная мощность, рассеиваемая коллектором Р к мах = 250 мВт
Выходная проводимость h 22 = 2,0 мкСм
Т. к. коэффициенты усиления такого каскада определяются аналитически без использования характеристик, ориентировочно принимаем U 0Б = 0.7 В, ток базы:
Падение напряжения на сопротивлении фильтра R Ф составит приблизительно 1 В, а на сопротивлении эмиттерной стабилизации U Э = (0,1 - 0,3) В.
Определяем мощность каскада предварительного усиления:
Сопротивление нагрузки переменному току определяем по аналогии с мощным каскадом.
ток транзистор стабилитрон напряжение
Требуемый коэффициент трансформации трансформатора определяем из выражения:
Определяем амплитуду напряжения на выходе каскада
Коэффициент усиления по току каскада составит:
Амплитуда переменной составляющей тока на выходе каскада:
Для входного сигнала определяем амплитуды тока и напряжения:
где R ВХ = 2 кОм (входное сопротивление транзистора)
Определим коэффициент усиления каскада по напряжению:
39) Коэффициент усиления всего усилителя определяется следующим выражением:
5. Расчет стабилизированного источника питания
Выходное напряжение такого стабилизатора обычно отличается от напряжения стабилизации U ст стабилитрона и может регулироваться в некоторых пределах с помощью R4 (рисунок 3). Схемы компенсационных стабилизаторов разнообразны, для расчета предлагается простая наиболее часто встречающаяся из них (рисунок 3). Регулятором напряжения служит транзистор VT1, который включен последовательно с нагрузкой. Проводимость этого транзистора постоянному току меняется автоматически в сторону, противодействующую изменению напряжения на выходе стабилизатора. Проводимость зависит от напряжения на базе транзистора, которое в свою очередь зависит от тока коллектора транзистора VT2. Изменение коллекторного тока VT2 определяется напряжением U БЭ VT 2 , которое в определенном масштабе пропорционально отклонению выходного напряжения стабилизатора от опорного напряжения на стабилитроне VD1. Транзистор VT2 выполняет функцию усилителя ошибки (отклонения) выходного напряжения от заданной величины. Требуемое выходное напряжение устанавливают с помощью переменного резистора R4, входящего в делитель выходного напряжения, а порог срабатывания защиты - с помощью резистора R2.
6. Выбор транзисторов
В момент включения питания через регулирующий транзистор VТ1 проходит значительный импульс тока на заряд конденсатора в питаемом устройстве, поэтому максимально допустимый ток для этого транзистора I к. имп. должен быть в 3-5 раз больше заданного значения максимального тока нагрузки I н max , а максимально допустимое напряжение U кэ max должно быть не менее максимального значения входного напряжения стабилизатора. Транзистор усилителя цепи обратной связи VТ2 в рассматриваемом стабилизаторе может быть практически любого типа с I к max = I н max / h 21э, где h 21э - коэффициент усиления по току транзистора VТ1, а напряжение U кэ, которое он должен выдерживать, равно входному напряжению стабилизатора.
Рисунок 3 - Компенсационный стабилизатор напряжения
7. Выбор стабилитрона
Стабилитрон для схемы компенсационного стабилизатора выбирают с напряжением стабилизации U ст U вых, а его ток стабилизации должен соответствовать следующему соотношению
I ст max I ст min +],
где h 21э - коэффициент усиления по току транзистора VТ1. В предложенной схеме компенсационного стабилизатора (рисунок 4) можно использовать стабилитрон с напряжением стабилизации U c т = n U вых, принимая n = 0,6-0,9
U вх = = (20+2·5)/(1-0,05) = 31.5 В.
Сопротивления резисторов определяют по выражениям:
R1 = (10 20)(U вх -U вых) / I н max = (10(31.5-20))/1 = 115 Ом.
Это означает, что через резистор R1 следует пропустить 5-10% тока нагрузки, что необходимо для создания начального тока через стабилитрон, который обеспечивает нормальное начало работы схемы; R1 ограничивает ток через транзистор VТ1 в момент включения и позволяет выбрать VТ1 с меньшим значением I к max .
R2 = 0,7 h 21 э VT 1 (U вх -U вых +U БЭ V Т 1) / I н max = (0,7·15·(31.5-20+0,6)/1= 121,8 Ом.
R3 = n U вых / I н max = (0,6·20)/1= 12 Ом.
R4 =100 (1- n) U вых / I н max = (100·0,4·20)/1 = 800 Ом.
К ст К дел. R 4 = 121,8/12·0,9·20 = 12 В.,
где К дел. R 4 - коэффициент деления R4. Величину максимальной рассеиваемой мощности на этих резисторах определяем из выражения Р = I 2 н max R
ст max I ст min +]
Проверяем КС512А:
67 > 1,3 ((1+0,1)/(1-0,05)·0,001+(0,001-0,0005)/15)
Для питания большинства устройств выпрямленное напряжение с большим уровнем пульсаций не может быть использовано, поэтому пульсации стремятся уменьшить до заданного уровня. Устройства, с помощью которых достигается снижение пульсаций, называют сглаживающими фильтрами. В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют индуктивные катушки (дроссели) и конденсаторы, сопротивления которых зависят от частоты. У дросселя сопротивление постоянному току мало (активное сопротивление провода), а индуктивное сопротивление Х L =щL увеличивается с ростом частоты. У конденсаторов сопротивление постоянному току равно бесконечности, а емкостное сопротивление Х С =1/щС уменьшается с ростом частоты. Таким образом, для переменной составляющей тока индуктивное сопротивление катушки значительно больше сопротивления для постоянной составляющей. Поэтому при включении дросселя последовательно с нагрузкой падение напряжения на нагрузке от переменной составляющей тока снижается, т.е. уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения. Конденсатор фильтра включают параллельно нагрузке, вследствие чего он замыкает переменную составляющую. Качество выпрямленного напряжения оценивают коэффициентом пульсаций
где U m ог - амплитудное значение основной гармоники, а
U 0 - среднее значение выпрямленного напряжения.
Эффективность работы сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания К Ф., равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра
К Ф = = 0.67/0.03 = 22.3.
Определим сглаживающее действие одного звена Г- образного фильтра в зависимости от его параметров. Для уменьшения пульсаций необходимо, чтобы емкостное сопротивление конденсатора для переменной составляющей было много меньше сопротивления нагрузки X С = R Н Точно также необходимо выполнение условия
Исходя из этого, можно определить величину коэффициента сглаживания, создаваемого Г - образным фильтром, обозначив параллельное соединение Х С и R Н через Z 1 .
Раскрывая значения Х L и X C , получаем К Ф = LC - 1
Принимая во внимание, что 1/ = щ Ф, где щ Ф - собственная частота фильтра, находим
Формула (1) позволяет по известной величине К Ф найти необходимую величину произведения LC =. Выражая L в Генри, С в микрофарадах и принимая
щ = 2рd 50 =314d,
где d = f/50=100/50=2, получаем расчетную формулу С(мкФ) L(Гн) = , (2)
где m =f ог /f сети = 100/50 =2
Для получения заданной величины сглаживания нужно иметь фильтр с достаточно большим произведением LC, т.е. с малой собственной частотой. Величины L и C определяются порознь из других дополнительных условий.
LC = (10(22.3+1))/(2 2 ·2 2) = 14,5
Выбираем конденсатор Типа К50-16, 50 мкФ 25 В
L= 14.5/50= 0.29 Гн.
8. Расчет выпрямителя
Прямое сопротивление диода определяют по формуле
r д =U д /I 0 = 0.5/0.75 = 0.66 Ом.
где U д - падение напряжения на диоде при среднем токе через него, равном I 0 .
Величина U д находится по ВАХ диода или принимается ориентировочно равной 0,25 0,5 В для кремниевых (большие значения соответствуют токам, близким к предельным).
Вычислив значение мощности на входе фильтра Р 0 =U 0 I 0 = 20·0.75 = 15 Вт. и сопротивление нагрузки выпрямителя (на входе стабилизатора) R 0 , находят приведенное сопротивление трансформатора r т по формуле
r т =К 1 R 0 = 0.07·26.6 = 1.86, где К 1 = 0.07
Сопротивление диодов переменному току вычисляют по формуле, соответствующей схеме
r ~ = 2m r д + r т + r a = 20.66+1.86 = 3.18 Ом.
где m - количество последовательно включенных диодов
Е 2 =К 3 U 0 = 0.95·20 = 19 В.
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определяют по формуле:
I 2 =1,6 I 0 / К 3 = (1.6·0.75)/0.95 = 1.26 А
Номинальное напряжение конденсатора фильтра С или С 1 должно быть не менее вычисленного по формуле U ном? (1,3-1,5)Е 2
9. Расчет трансформатора малой мощности
Расчет трансформатора состоит в том, что на основе нескольких исходных величин определяют все размеры и электрические данные (упрощенный расчет). Заданными величинами являются:
Если трансформатор многообмоточный, то задаются мощностями по всем обмоткам и номинальной мощностью следует считать суммарную мощность. Прежде чем приступить к расчету примем исходные данные:
1) отношение массы стали к массе меди обмоток = 4
2) плотность тока в первичной и вторичной обмотках для медного провода j =2 А/мм 2 ;
3) магнитная индукция в сердечнике при частоте 50Гц для электротехнической стали В=1 Тл.
Трансформатор рассчитывают в следующем порядке:
1) коэффициент трансформации n = U 1 / U 2; = 220/19 = 11.5;
2) ток вторичной обмотки I 2 = Р н / U 2 = 15 / 19 = 0.78 А;
3) ток первичной обмотки I 1 = P н / зU 1 = 15 / (0.65·220)= 0.1 А, где з - к.п.д. трансформатора. Его ориентировочное значение можно взять из таблицы.
4) поперечное сечение проводов обмоток: первичной q =I 1 / j = 0.1/2=0.05, вторичной q =I 2 / j=0.78/2= 0.39, где j - плотность тока, принятая в начале расчета. По найденному сечению находят диаметр, а затем выбирают марку обмоточного провода;
5) поперечное сечение стержня сердечника S = С
где С - коэффициент при броневом сердечнике, равный 0,6 0,8; при частоте сети 50Гц сечение стержня приближенно равно S (1,2 1,4, см 2 ; S 5 см 2 .
6) магнитный поток в стержне сердечника Ф=ВS с 10 -4 , Вб; Ф=1·5·10 -4 =0.0005 Вб.
7) число витков обмоток
первичной щ 1 = = 220/(4.44·50·0.0005) =1981.9
вторичной щ 2 = = 19/(4.44·50·0.0005) = 171.1
Литература
1) В.И. Осипов. Методические указания к курсовой работе «Промышленная электроника» «Стабилизированный источник питания» для студентов электромеханического факультета. Новосибирск 1987 г.
2) В.И. Осипов. Методические указания к курсовой работе «Расчет транзисторного усилителя» для студентов электромеханического факультета. Новосибирск 2002 г.
3) Г.Н. Горбачев и Е.Е. Чаплыгин промышленная электроника для студентов вузов. Энергоатомиздат, 1988 г.
4) А.В. Цыкина. Усилители. М.: Связь, 1966 г.
5) Конспект лекций по электронике.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения, разработка его принципиальной схемы. Коэффициент усиления каскада по напряжению. Определение амплитуды тока коллектора транзистора и значения сопротивления. Выбор типа транзистора и режима его работы.
контрольная работа , добавлен 25.04.2013
Усиление транзисторного каскада. Выбор транзистора, определение напряжения источника питания, расчет сопротивления резисторов и емкости конденсаторов. Определение максимальных амплитуд источников сигнала для неинвертирующего усилителя постоянного тока.
контрольная работа , добавлен 03.12.2011
Выбор режима работы усилителей электрических сигналов: подбор транзисторов, составление структурной схемы, распределение частотных искажений. Расчёт оконечного, инверсного и резистивного каскадов предварительного усиления. Вычисление источника питания.
курсовая работа , добавлен 01.08.2012
Выбор и обоснование структурной схемы усилителя гармонических сигналов. Необходимое число каскадов при максимально возможном усилении одно-двухтранзисторных схем. Расчет выходного каскада и входного сопротивления транзистора с учетом обратной связи.
курсовая работа , добавлен 28.12.2014
Расчет напряжений питания, потребляемой мощности, мощности на коллекторах оконечных транзисторов. Расчет площади теплоотводов. Расчет и выбор элементов усилителя мощности. Расчёт элементов цепи отрицательной обратной связи. Проектирование блока питания.
курсовая работа , добавлен 09.12.2012
Определение сопротивления ограничивающего резистора. Расчет максимального тока через стабилитрон. Вычисление мощности, выделяемой на резисторе. Определение изменения напряжения стабилитрона в заданном диапазоне температур. Схема включения стабилитрона.
контрольная работа , добавлен 19.06.2015
Использование биполярных транзисторов. Назначение элементов в схемах усилителей с общим эмиттером и коллектором. Температурная стабилизация и форма кривой выходного напряжения. Расчет коэффициентов усиления по току, напряжению и входному сопротивлению.
контрольная работа , добавлен 15.02.2011
Расчет и выбор элементов выпрямителя с LC-фильтром. Определение действующего значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, значения тока вентиля, амплитуды напряжения, сопротивления конденсатора. График внешней характеристики выпрямителя.
контрольная работа , добавлен 21.09.2012
Разработка схемы усилителя постоянного тока и расчет источников питания: стабилизатора напряжения и выпрямителя. Определение фильтра низких частот. Вычисление температурной погрешности и неточностей измерения от нестабильности питающего напряжения.
курсовая работа , добавлен 28.03.2012
Расчет источника гармонических колебаний. Запись мгновенных значений тока и напряжения в первичной обмотке трансформатора и построение их волновых диаграмм. Расчет резонансных режимов в электрической цепи. Расчет напряжения в схеме четырехполюсника.
- 1. Выбираем тип транзисторов. Так как напряжение питания положительное, то для УНТ следует выбирать биполярные транзисторы структуры n-p-n. Должны выполняться условия:
- а) В,
- б) мА
В нашем примере выбираем транзисторы типа КТ3102A со следующими параметрами: в = 100; U к.э.макс.доп = 50В; I к.макс.доп. = 100мА; P к.макс.доп = 250мВт.
2. Определяем величину тока покоя в цепи коллектора по формуле:
3. Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора (рис. 1). При выборе величины сопротивления R3 в цепи коллектора необходимо удовлетворять двум противоречивым требованиям: с одной стороны, желательно, чтобы сопротивление R3 было возможно больше по сравнению с величиной входного сопротивления последующего каскада. С другой стороны, увеличение R3 при заданном токе коллектора приводит к тому, что падение напряжения на этом сопротивлении увеличивается, а напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ уменьшается до недопустимо малой величины (в течение той части периода усиливаемого напряжения, когда коллекторный ток возрастает, напряжение Uкэ может упасть до нуля и транзистор перестанет усиливать). С учетом этих требований расчетная формула для определения R3 имеет вид:
Таким образом, с учётом допустимой мощности рассеяния рабочая точка выбрана правильно.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R 3 , cоставляет:
4. Определяем сопротивление резистора R4в цепи термостабилизации по формуле:
Мощность, рассеиваемая на резисторе R 4 , равна
При этом принимают ток эмиттера в режиме покоя I Эр примерно равным I кр. С учетом найденных значений R 3 , R 4 , Р R3 и Р R4 выбираем стандартные значения и тип резисторов R 3 и R 4 .
5. Находим емкость конденсатора С3:
где F н выражается в герцах,
R 3 -- в омах,
С 3 -- в микрофарадах.
Рабочее напряжение конденсатора С 3 должно превышать максимальное напряжение на резисторе R 4 . В транзисторных УНЧ обычно используются электролитические конденсаторы типа К50-6, К50-7, К50-9, К50-12, К50-15 и др.
6. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя:
7. Определяем элементы делителя напряжения в цепи базы R 1 и R 2 (рис. 1). Принимаем падение напряжения на сопротивлении резистора R 5 фильтра:
Находим напряжение, подводимое делителю R 1 , R 2
Выбираем ток в цепи делителя из условия
Выбор и обоснование элементной базы
На основании приведенного выше расчета выбираем элементы (для схемы электрической принципиальной):
В качестве транзисторов VТ1был взят биполярный транзистор КТ3102Е, со следующими характеристиками:
структура: n-p-n;
максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер: 20 В;
максимально допустимый постоянный ток коллектора: 100 мА;
максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора: 250мВт;
статический коэффициент передачи тока: 400-1000;
обратный ток коллектора не более: 0,015 мкА.
В соответствии с рассчитанными номиналами резисторов в пункте 2.1. имеем:
R к = 350 Ом: МЛТ-0,125-350Ом2%;
R э = 62Ом: МЛТ-0,125-62Ом2%;
R б "= 4,4кОм: МЛТ-0,5-4,4кОм2%;
R б ""= 2,4 кОм: МЛТ-0,5-2,4кОм2%;
