Расчет усилителя мощности низкой частоты

Откуда получаем, что напряжение питания EK=12В.

 

1.3. Разработкаэлектрическойпринципиальнойсхемы УНЧ

 

На основании структурной схемы составим  ориентировочную принципиальную схему УНЧ. Пример принципиальной схемы УНЧ приведен на рис.2. В этой схеме, каскады предварительного усиления выполнены на транзисторах VТ1-VТ3, а оконечный бестрансформаторный каскад усиления на транзисторах разного типа проводимости – VТ4, VТ5. Транзистор VT5 должен иметь такие же параметры, как и VT4, однако  противоположную по типу  проводимость. Каждый из транзисторов вместе с нагрузкой образуют схему с ОК. Характерной особенностью такой схемы – для нее не нужен фазоинверсный каскад.

Для обеспечения питания оконечного каскадаот однополярного источника, он подключается к предыдущему каскаду и к нагрузке через конденсаторы С8, С10 . Резистор R9является регулятором уровня выходного сигнала. Конденсатор С11– фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R14обычно составляет несколько десятков Ом.

Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается   делителем R15, R16. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT4, VT5, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызывает изменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будут пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение

 

напряжения смещения (0,6 – 0,7)В, определяет незначительный (десятки миллиампер) сквозной ток транзисторов VT4 и VT5. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD1 незначительна, можно считать, что попеременному току базы транзисторов VT4 и VT5 объединены.

Для предварительного усиления применяют усилители с ОЭ. В качестве активного элемента используют маломощный транзистор n-p-n типа.

Полученные в результате предварительного расчета данные являются основой для окончательного расчета УНЧ.

 

2.2. Окончательныйрасчет  УНЧ

 

В процессе окончательного расчета усилителя необходимо провести:

- расчет оконечного каскада  УНЧ;

-  расчет каскада предварительного  усиления.

Расчет обычно выполняют в последовательности, обратной последовательности прохождения сигнала в УНЧ: вначале рассчитывают элементы оконечного каскада, а затем – каскадов предварительного усиления.

2.2.1. Окончательный  расчет оконечного каскада УНЧ

Схема оконечного каскада усиления на комплементарных парах транзисторов приведена на рис.2. Вначале все параметры выбранного транзистора необходимо выписать в виде таблицы, а затем привести его входную и выходную характеристики в масштабе, достаточном для точных графических построений.

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.Бестрансформаторныйоконечныйкаскадусиления на комплементарных парах транзисторов.

 

 

 

 

Порядок расчета:

1. Расчет начинаю с  построения на семействе выходных  статических характеристик транзистора (см. рис. 2.1) линии нагрузки, которая  проходит через две точки UКЭ=ЕК/2 и ІК=ЕК/2Rн .

UКЭ=ЕК/2=12/2=6В;  (11)

ІК=ЕК/2Rн=12/2∙4=12/8=1,5А.  (12)

 

б)                            а)

Рис. 2.1. Характеристики режима транзистора оконечного каскада:

а) выходная;     б) входная.

 

2. Строю треугольник мощности  со сторонами Umн, IKни оценивают возможность получения заданной мощности–

Рвых=0,5Umн IK н . (13)

Где Рвых- выходная мощность усилителя.

Umн – амплитудное значение  напряжения на нагрузке.

Iкн– ток коллектора транзистора.

Подставим числовые значения,

Рвых= 0,5 * 2,82 * 1,2= 1,69 Вт;

3. Точку „а” принимают за начальную рабочую точку транзистора, в

которой  UКЭ0=ЕК/2=12/2=6В;

 Примем   IK0 = (0,05÷0,1)IK =0,05*1,2=0,06А;

Где IK0 – ток покоя коллектора;

          IK н – ток коллектора нагрузки;

Тогда   ІБ0=ІК0 /h21Э=0,06/40=0,0015=1мА.

 где  ІБ0–ток покоя базы;

ІК0 – ток покоя коллектора.

h21Э – статический коэффициент усиления в схеме с ОЭ.

4. Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находим амплитудные значения тока базыІБm , напряжения базы UБЭmсогласно: 

;  .

IБт= 30-1=29 мА;

UБэт =1-0,7=0,3.

Ориентировочное значение входного сопротивления транзистора

 

составитrвх= UБЭm/ІБm .

 

rвх= UБЭm / ІБm =0,3/0,029=10.34 Ом;

Входная мощность каждого плеча составляет Рвх=0,5UБЭmІБmи равна мощности, которую необходимо отдать транзистору предпоследнего каскада

 

 

Рвх=0,5 UБЭmІБm =0,5*0,3*0,029=0,00435 Вт=4,3мВт;

и равна мощности, которую необходимо отдать транзистору предпоследнего каскада.

 

5. Находим величины сопротивлений  резисторов R1и R2.

Сопротивления резисторовR1и R2 выбирают одинаковыми:

R1= R2= (ЕК – 2UБЭ0)/2ІД,

гдеІД – ток делителя, который должен быть не меньше (2÷5) ІБ0.

ІД = 2 0,001 = 0,002 А (4×10-3) А,

R1= R2= (ЕК – 2UБЭ0)/2ІД=(12-2*0,7)/2*0,002=1750 Ом;

6. Входное сопротивление  оконечного каскада составит:

RВХ =h21ЭRдRн/(β Rн + Rд),

гдеh21Э– статический  коэффициент усиления в схеме с ОЭ

Rн – сопротивление нагрузки

Rд = R1 / 2 – сопротивление делителя.

Подставим числовые значения,

Rд = R1 / 2=1750/2= 875 Ом;

RВХ =40*875*4/ (404 +875)=135 Ом;

 

7. Амплитуда входного  напряжения каскада: Um.вх ≈ Umн,поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.

 

Um.вх ≈ Umн≈ 2,82 В.

8. Находим емкость разделительного  конденсатора в цепи нагрузки  при условии обеспечения коэффициента  частотных искаженийМн:

С2≥ 1/(2πfнRн )

гдеfн – нижняя граница частот

Rн–сопротивление нагрузки

М – коэффициент искажений

Значения С2получают в микрофарадах.

Подставим числовые значения,

 

С2 ≥ 1 /( 2 3,14 50*4 ) =1/1004,8=0,000995= (9,95×10-4)мкФ.

 

 

2.3.2. Расчет каскада  предварительного усиления 

 

В результате предварительного расчета была составлена схема УНЧ, в которую входят несколько однотипных каскадов предварительного усиления с ОЭ.

Расчет каскада предварительного усиления с ОЭ является основной частью работы при проектировании УНЧ. При ее выполнении рассчитывают  параметры элементов каждого каскада, цепей межкаскадных связей, режимы работы транзисторов. Исходя из условия обеспечения однотипности, каскады предварительного усиления выполняют одинаковыми. Поэтому расчет обычно сводится к расчету одного каскада.

Рассмотрим методику расчета каскада предварительного усиления с ОЭ, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 2,а, с такими исходными данными (часть данных получена в результате предварительного расчета):

1)   напряжение на  выходе каскада – Uвых.т= Umн;

2)   сопротивление нагрузки Rн = RВХ;

3)   напряжение источника  питания  – Eк;

4)   нижняя граница  частот – fн ;

5)  допустимое значение  коэффициента искажений в области  низких частот–Мн.

Как и при предварительном расчете считаем, что УНЧ работает в стационарных условиях.

Необходимо определить:

1)   тип транзистора (уточнить правильность предварительного  выбора);

2)   режимы роботы  транзистора;

3)   сопротивления резисторов  делителя R1,R2;

4)   сопротивление резистора  коллекторной нагрузки RК;

5)   сопротивление резистора  в цепи эмиттера RЭ;

6)   емкость разделительного  конденсатора С2;

7)   емкость конденсатора  в цепи эмиттера СЭ;

8)  гарантированное значение  коэффициента усиления каскада  по току К1, по напряжению КU и по мощности  КP .

При построении схемы каскада будем использовать элементы  с  допустимыми отклонениями от  номинальной величины ± 5 % (выходя  из этого, в результатах расчета можно оставить не больше трех значащих цифр).

 

 

 

 

 

 

2.3.2.1. Порядок расчета

1. Проверяем правильность предварительного  выбора транзистора.

Для нормального режима роботы транзистора:

1) допустимое напряжение  между коллектором и эмиттером  должно превышать напряжение  источника питания

UK max>EK

2) величина допустимого  тока коллектора должна превышать  максимальное значение тока в  коллекторной цепи транзистора

IK max>IK0 + IKm,

где  IK0– ток покоя в цепи коллектора;

IKm– амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора;

IKm= Uвых.т / Rн≈,  

где  Rн≈ = RК RВХ /RК+RВХ– эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току. При этом RК является нагрузкой постоянному току.

Выходя из того, что данный каскад является усилителем мощности, для обеспечения максимальной передачи мощности задаем:

RК = RВХ .

Для обеспечения экономичности каскада при  минимальных нелинейных искажениях выбирают

IK0=(1,05...1,1)IKm.

На основании этих ограничений необходимо выбрать транзистор.

RК= RВХ=135 Ом;

Rн≈ = RКRВХ/RК+RВХ=135*135/135+135=68 Ом;

IKm= Uвых.т / Rн≈=2.82/68=0,0414А=41мА;

IK0=(1,05...1,1)IKm=1,05*41=43.05мА;

IKmax>IK0 + IKm>41+43> 84мА;

По результатам предварительного расчета был выбран усилительным элементом транзистор типа КТ502. По  данным табл. 3  находим, что заданным требованиям отвечает транзистор КТ502, у которого

UK max = 60 В, ІK max = 300 мА, h21Э = 40...120, РK max = 500 мВт;

 

2. Находим  напряжение между коллектором  и эмиттером транзистора в  режиме покоя:

UKЭ0= Uвых.т + Uост,

гдеUост – напряжение между коллектором и эмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейные искажения.

Для маломощных транзисторов обычно задают Uост = 1 В.

UKЭ0= Uвых.т + Uост=2.82+1=3.82В;

 

3. Определяем  мощность, что выделяется на коллекторе  транзистора:

PK =IK0 UKЕ0 .=0.06*3.82=0.2292

 

При этом необходимо обеспечить  выполнение условия:

PK < PK max .

Таким образом, проверяем, что выбранный тип транзистора отвечает требованиям  по мощности.

4. Находим  сопротивление  нагрузки в цепи  коллектора:

RК = RВХ.=135 Ом

Рассеиваемая мощность на резисторе составит:

РRк = IK02RК=(0,06)2*135=0,486 Вт;

Из табл.4,5 выбираем резистор по мощности и сопротивлению С2-32;

5. Находим  сопротивление резистора RЭ  в цепи  термостабилизации:

RЭ=

=(0,1*12)/0,06=20 Ом;

При этом необходимо выполнение соотношения:

RЭ / RК = (0,1...0,4) =20/135 = 0,148

 для обеспечения условий  температурной стабилизации режима  покоя каскада.

Мощность, рассеиваемая на  RЭсоставит:

РR = IK02RЭ.

РR =(0,06)2*20=0,072 Вт.

 

Из табл. 4, 5 выбираем резистор по мощности и сопротивлению.

 

6. Находим  емкость конденсатора СЭ .

Емкость  СЭ выбирают при условии, что его сопротивление на частоте  fндолжно быть в 10 раз меньше по сравнению с сопротивлением резистора  RЭ .

CЭ ≥

CЭ ≥

106*125,6≥7961,8(мкФ);

 

где множитель 106 позволяет получить значение емкости в микрофарадах.

 

 

Рабочее напряжение на СЭ

UС = IK0RЭ.

UС = IK0RЭ=0,06*20=1,2 В.

Из табл. 6 выбираем конденсатор К50-18.

7. Находим величину  тока покоя базы транзистора:

IБ0= ІК0 / h21Э min ;

IБ0=0,06/40≈2мА.

8. Находим  величину напряжения покоя между  базой и эмиттером транзистора.

Поскольку в  открытом состоянии транзистора напряжение между его базой и эмиттером составляет около 0,6 В, то напряжение покоя базы

UБ0=0,6 В

иможно найти ориентировочное значение входного сопоротивления транзистора

rвх= UБ0/ IБ0=1/2*10-3=500 Ом;

9. Находим  величину сопротивлений резисторов  делителя R1 ,R2 .

Величина тока в делителе выбирается в пределах

ІД =(2÷5)ІБ0,

ІД =2*2=4 мА;

что обеспечивает независимость задания режима покоя транзистора при изменении его параметров от влияния температуры, при замене транзисторов и др.