Расчет транзисторного усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Расчет транзисторных усилителей Работа в промежуточных классах
Размещено на http://www.сайт
Размещено на http://www.сайт
Министерство образования и науки Республики Казахстан
ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д.Серикбаева
Кафедра «Приборостроение и автоматизация технологических процессов»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовому проекту
по дисциплине «Электроника»
Тема: «Расчет транзисторных усилителей»
Выполнил:
студент группы 12-РТ-1
Мусин Д.К.
Проверил
доцент кафедры ПиАТП
Корнев В.А.
Усть-Каменогорск 2013
Введение
1 Аналитический обзор
1.1 Классификация усилителей
1.2 Общие принципы проектирования усилителей на биполярных транзисторах
1.5 Обратная связь
2 Расчет транзисторного усилителя
2.1 Оценка предельных параметров и выбор транзистор
2.2 Расчет первого каскада
2.2.1 Расчет по постоянному току
2.2.2 Динамический расчет усилитель транзистор биполярный
2.3 Расчет второго каскада
2.3.2 Динамический расчет
2.4 Расчет разделительных конденсаторов и емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера
Заключение
Список литературы
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д
Приложение Е
Приложение Ж
ВВЕДЕНИЕ
Одна из основных функций, реализуемых аналоговыми устройствами, это усиление. В качестве активных элементов чаще всего применяются транзисторы.
В настоящее время знание принципов использования электронных приборов для усиления, генерирования, преобразования электрических сигналов и владение методами анализа и расчета электронных цепей приобретает особую актуальность с развитием микроэлектроники.
В технике повсеместно используются разнообразные усилительные устройства. Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены.
Электронные усилители являются одними из наиболее важных и широко используемых устройств в системах передачи и обработки различной информации, представленной с помощью электрических сигналов. Высокая чувствительность, быстродействие, компактность, экономичность электронных усилителей обусловили их широкое применение в измерительной технике, электро- и радиосвязи, автоматике, вычислительной технике и т.п
В зависимости от того, какой параметр входного сигнала требуется увеличить с помощью усилительного каскада, различают усилительные каскады напряжения, тока и мощности.
Усилители мощности, иногда называемые оконечными усилителями, предназначены для увеличения мощности звуковых сигналов до такого уровня, что бы они могли возбудить электроакустические преобразователей, головные телефоны и другие. Принцип работы усилителей мощности состоит в том, что преобразует подводимую к ним от источника питании мощности с постоянного тока в переменный ток, причем форма сигнала на выходе усилителя полностью повторяет сигнал на входе. Усилители мощности должны обладать небольшими искажениями. Качество звучания любого звуковоспроизводящего комплекса во многим зависит от параметров усилителя мощности звуковой частоты. К настоящему времени опубликованы множество вариантов транзисторных усилителя мощности звуковой частоты, отличающего порой очень качествами показателями, однако, поиск новых схемных решении, позволяющих в еще большой мере приблизить звучания звукопроводящих устройств к естественному, продолжается.
Основная цель работы - получение необходимых навыков практического расчета транзисторных усилителей, обобществление полученных теоретических навыков
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 Классификация усилителей
УУ называется устройство, предназначенное для повышения (усиления) мощности входного сигнала. Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления мощности от источника питания. В УУ входной сигнал лишь управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.
В зависимости от назначения усилители подразделяются на:
усилители постоянного тока (ЖЕ),
усилители низкой частоты (УНЧ),
усилители высокой частоты (УВЧ),
избирательные усилители,
широкополосные (видеоусилители),
импульсные,
операционные и т.д.
Операционные усилители относятся к классу многофункциональных, или универсальных, так как с их помощью можно реализовать практически любой вид усиления электрического сигнала.
В настоящее время основным элементом электронного усилительного устройства является транзистор.
Общие принципы проектирования усилителей на биполярных транзисторах
Транзистором называют полупроводниковый прибор, в котором изменение входного электрического сигнала приводит к изменению сопротивления выходной цепи транзистора. Это свойство транзистора может быть использовано для различных преобразований электрических сигналов (усиление, генерирование, преобразователей формы и т.д.) в электронных стабилизаторах, переключателях и т.п. Существует большое разнообразие транзисторов, отличающихся принципом действия, назначением, мощностью, частотными свойствами и другими признаками.
В данном курсовом проекте используется биполярный транзистор типа n-р-п, и имеющий два р-п- перехода. На рисунке 1а показано условное графическое и буквенное обозначение таких транзисторов на электрических схемах. На рисунке 1б изображена схема подключения внешних элементов, генератора усиливаемого входного напряжения (UВХ) и источника питания (+Un) к выводам транзистора.
Так как эмиттер является общим, то такое включение транзистора получило название схемы включения с общим эмиттером (ОЭ). Это основная схема включения биполярных транзисторов, так как в ней наилучшим образом используются усилительные свойства транзистора. Существуют также схемы включения с общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК), которые используются реже.
Рисунок 1 - Условное графическое и буквенное обозначение биполярных транзисторов типа n-р-n на электрических схемах
Цепь "коллектор-эмиттер" транзистора является силовой цепью, в которую включается резистор коллекторной нагрузки Р, а цепь "база-эмиттер" называют управляющей цепью, к которой подводится усиливаемый электрический сигнал.
По 2-му закону Кирхгофа для транзистора (смотреть рисунок 16) можно записать
т.е. ток коллектора Iк меньше тока эмиттера Iэ на величину тока базы Iб.
В схеме включения транзистора с ОЭ входной величиной является ток базы, а выходной - ток коллектора.
Рисунок 2 - а) входные характеристики б) выходные или характеристики
Основными статическими вольтамперными характеристиками (BАХ) транзистора в схеме с ОЭ являются:
а) входные характеристики (рисунок 2, а)
б) выходные или коллекторные характеристики (рисунок 2, б)
Входные характеристики при UKЭ>0 постепенно сгущаются, практически перестают зависеть от этой величины, поэтому в справочниках приводятся две кривые - для UKЭ = 0 В и UКЭ=3 В, либо UKЭ = 5 В.
Выходные характеристики приблизительно равноудалены друг от друга при одинаковых приращениях тока базы, начиная с IБ=0. Однако в дальнейшем они начинают сгущаться по мере приближения к току базы насыщения IБнас. При Iв= IБнас транзистор насыщается, т.е. полностью открывается, и он перестает быть управляемым током базы, т.е. переходит в ключевой режим работы.
Рабочей областью выходных характеристик в режиме усиления является область, ограниченная предельно допустимыми значениями и областями насыщения и отсечки (смотреть линии со штриховкой на рисунке 2, б). В этой области характеристики можно считать практически линейными, а транзистор - линейным элементом.
На входные и выходные характеристики транзистора (смотреть рисунок 2, а и б) существенно влияет температура нагрева транзистора. С ростом температуры они эквивалентно поднимаются вверх (смотреть рисунок 2, б).
В справочниках приводятся электрические параметры (оптимальные или номинальные для каждого типа транзистора), а также предельные эксплуатационные данные. К первым, в качестве основных относятся: статический коэффициент передачи тока (или) в схеме с ОЭ; граничное напряжение UKЭ; обратный ток коллектора IК0; граничная частота fгр коэффициента, т.е. та частота усиливаемого сигнала, при которой коэффициент (или) уменьшается в раза и др.
Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ (рисунок 3). Каскад предназначен для усиления только переменных сигналов. К входной цепи усилительного каскада относятся все элементы, подсоединяемые между базой и эмиттером транзистора, а также источник входного сигнала (UBХ).
Рисунок 3 - Усилительный каскад на транзисторе с ОЭ
Выходная цепь каскада включает источник питания Un, управляемый элемент-транзистор VT и резистор R. Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекающего коллекторного тока iK , управляемого током базы iб, создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы Uвых. Остальные элементы играют вспомогательную роль.
Конденсаторы CI и С2 являются разделительными: CI исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи + Un-- Rl- внутреннее сопротивление источника ив (на рис.4 не показано) и, во-вторых, обеспечить независимость напряжения на базе U~Bn в режиме покоя, т.е. при отсутствии входного сигнала и=0, от внутреннего сопротивления источника входного сигнала. Назначение конденсатора С2 - пропускать в цепь нагрузки только переменную составляющую напряжения.
Резисторы Rl и R2 используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ввиду малости входного сопротивления транзистора, включенного по схеме с ОЭ, ток покоя в коллекторной цепи Г (смотреть рисунок 2, а) задается соответствующей величиной тока базы сигнала, вносимых транзистором в режиме усиления. Это требование выполняется, если точка покоя П (смотреть рисунок 2, а и б) находится в середине линейного участка входных и выходных характеристик транзистора. Чтобы положение точки покоя оставалось практически неизменным при старении транзистора или воздействии внешних возмущающих факторов, ток I делителя R1-R2 должен быть в 8…10 раз больше необходимого тока покоя базы Iбп.
Резистор Rэ является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменениях температуры. Конденсатор Сэ шунтирует резистор Р по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим.
Отсутствие Сэ приведет к уменьшению коэффициента усиления каскада .
Рассмотрим работу каскада в режиме усиления, когда на вход каскада подается изменяющееся входное напряжение.
При этом начинают изменяться напряжение Uбэ и ток iб в некоторых пределах, определяемых амплитудой Uвхm и видом входной характеристики транзистора. Причем эти изменения будут происходить относительно точки покоя П (смотреть рисунок 2, а и б). В соответствии с выходными характеристиками транзистора будет изменяться и ток коллектора г, мгновенные значения которого определяются напряжениями. Для дальнейшего анализа режима работы каскада необходимо использовать графоаналитический метод расчета нелинейных электрических цепей, так как транзистор в общем случае является нелинейным элементом.
Составляем уравнение по 2-му закону Кирхгофа для режима покоя, т.е. для постоянных составляющих токов и напряжений:покоя rgn (смотреть рисунок 2, а), протекающего от источника питания Un через резистор R1. Совместно с R2 резистор R1 образует делитель напряжения питания U , часть которого, выделяемая на резисторе R2 , равна значению Uбп (смотреть рисунок 2, а). Выбор значения и определяется требованием минимальных искажений формы входного
Величина незначительна, поэтому ею для упрощения анализа можно пренебречь, и тогда получаем уравнение
Выражение (5) является уравнением прямой линии в координатах Iк и Uкэ, т.е. на выходных характеристиках транзистора. Линия, построенная по этому уравнению в координатах IK и Uкэ, называется линией нагрузки каскада по постоянному току (смотреть прямую линию на рисунке 2, б). Точка пересечения этой линии с характеристикой, соответствующей I6п, т.е. точка П, определяет режим работы каскада по постоянному току.
В режиме усиления рабочая точка перемещается вдоль линии нагрузки относительно точки П, определяя тем самым переменные составляющие тока коллектора iк и напряжения UКЭ. Вследствие наличия разделительного конденсатора С2 на выходных зажимах каскада выделяется только переменная составляющая напряжения UКЭ, которая и является выходным напряжением каскада. Графический анализ показывает, что выходное напряжение Uвых и входное Uвх находятся в противофазе, т.е. одиночный усилительный каскад на транзисторе, включенный по схеме с ОЭ, сдвигает фазу выходного напряжения по отношению к входному на 180°. Это одно из основных свойств такого каскада.
Основным показателем любого усилителя является его коэффициент усиления - это величина, равная отношению выходного сигнала к входному.
Коэффициент усиления тока базы h21э, транзистора для схемы включения с ОЭ в статическом режиме является:
h21э=в = Iк / Iб, при Uкэ= const (6)
1.3 Амплитудная и амплитудно-частотная характеристики
Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика определяет зависимость амплитуды или действующего значения при синусоидальном входном сигнале выходного напряжения от амплитуды или действующего значения входного напряжения при постоянной частоте входного сигнала. Примерный вид этой характеристики показан на рис.5. Линейная зависимость между Uвых и Uвх (участок 1-2) сохраняется до тех пор, пока смещение рабочей точки на входной характеристике транзистора относительно точка покоя П осуществляется по ее линейному участку (в окрестности точки П на рисунке 2, б). При Uвх>Uвх2 линейность амплитудной характеристики нарушается из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзистора.
Рисунок 4 - Нелинейности вольтамперных характеристик транзистора
Это приводит к появлению искажений формы выходного сигнала относительно формы входного, т.е. так называемых, нелинейных искажений. Нелинейные искажения могут возникнуть при любой форме входного сигнала. Они зависят от амплитуды входного сигнала, положения точки покоя на входных и выходных характеристиках транзистора, а также от вида этих характеристик.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления К от частоты усиливаемого сигнала при постоянстве значения входного сигнала. Общий вид ее для усилителя с разделительными конденсаторами, т.е. с конденсаторной связью, показан на рисунке 5.
Рисунок 5 - Общий вид АЧХ для усилителя с разделительными конденсаторами
Нелинейность AЧX обусловлена наличием в схеме усилителя элементов (в частности, конденсаторов и транзистора), параметры которых зависят от частоты. АЧХ позволяет судить о частотных искажениях, называемых линейными. Такие искажения возникают, если входной сигнал имеет сложную форму и его можно представать как сумму гармонических составляющих с различными частотами и амплитудами, которые усиливаются неодинаково, т.е. с различными коэффициентами усиления. Анализируя рисунок 6, мы видим, что имеется диапазон средних частот с постоянным коэффициентом КV0.
Для усилителей низкой частоты, к которым относится исследуемый нами усилительный каскад, диапазон средних частот находится ориентировочно в пределах 500...1000 Гц. В диапазонах низких и высоких частот коэффициент усиления уменьшается (происходят уменьшения коэффициента усиления в области низких и высоких частот, т.е. так называемые "завалы" АЧХ).
Диапазон частот усилителя, в пределах которого усилитель обеспечивает заданное значение коэффициента усиления, называют полосой пропускания, которая определяет нижнюю fH и верхнюю fa граничные частоты усиления при заданном уровне частотных (линейных) искажений. Как правило, значение коэффициента усиления на граничных частотах полосы пропускания составляет KVo /v2. "Завал" АЧХ в диапазоне низких частот (НЧ) обусловлен влиянием разделительных конденсаторов CI, C2 и конденсатора Сэ. Обычно емкости этих конденсаторов выбираются так, чтобы их сопротивление хС=1/щС в диапазоне частот полосы пропускания было пренебрежимо мало и падением напряжения на них можно было пренебречь. С уменьшением частоты усиливаемого сигнала реактивные сопротивления хс возрастают, что приводит к увеличению падения напряжения на них, и, как следствие, потери части входного сигнала на разделительных конденсаторах C1 и С2. Шунтирующее действие конденсатора Сэ при этом также ослабляется, что приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной связи по переменному току и снижению коэффициента усиления каскада.
"Завал" АЧХ на высоких частотах обусловлен зависимостью коэффициента усиления транзистора (5 от частоты, наличием межэлектродных емкостей транзистора (особенно емкостью между базой и коллектором), влияние которых заключается в шунтировании соответствующих р-п- переходов тем большем, чем выше частота усиливаемого сигнала.
1.4 Типы связи между отдельными усилительными каскадами
Можно выделить следующие типы связи между отдельными усилительными каскадами: гальваническую (непосредственную); емкостную (с помощью RC0 цепочек); трансформаторную; с помощью частотно-зависимых цепей; оптронную.
Для сравнительно низкочастотных усилителей чаще используют первый и второй тип связи. Третий применяют реже из-за больших габаритов трансформаторов, невозможности их микроминиатюризации, высокой стоимости, сложности изготовление, повышенных нелинейных искажений. Четвертый тип используют при создании избирательных усилителей, а пятый применяется сравнительно редко, только в специальных случаях, когда при низкой рабочей частоте требуется хорошая гальваническая развязка между каскадами.
1.5 Обратная связь
На практике ни один усилитель не используется без обратной связи (ОС). Обратной связью называют передачу мощности электрического сигнала из выходной цепи во входную.
На рисунке 6 пока структурная схема усилителя с ОС, где электрический сигнал с выхода усилителя с коэффициентом усиления К через звено ОС с коэффициентом передачи г поступает обратно на вход усилителя. В состав звена ОС могут входить линейные, нелинейные, частотно-зависимые и другие элементы или даже целые устройства.
Рисунок 6 - Структурная схема усилителя с обратной связью
Существует целый ряд квалификационных признаков ОС.
Если электрический сигнал после звена ОС пропорционален выходному напряжению, то в усилителе используется обратная связь по напряжению; если сигнал на выходе звена ОС пропорционален току в выходной цепи, то используется ОС по току. Возможна и комбинированная ОС.
Воздействие ОС может привести либо к увеличению, либо к уменьшению результирующего сигнала непосредственно на входе усилителя. В первом случае ОС называют положительной, во втором - отрицательной (сигналы на входе усилителя либо складываются, либо вычитаются).
По способу введения сигнала ОС во входную цепь усилителя различают последовательную и параллельную обратные связи. В первом случае напряжение с выхода звена ОС включается последовательно с напряжением источника входного сигнала (рисунок 7, а) во втором - параллельно (рисунок 7, 6).
Рисунок 7 - а) последовательная обратная связь
б) параллельная обратная связь
В усилителях в основном используется отрицательная обратная связь (ООС), введение которой позволяет улучшить почти вое характеристики усилителей. На рисунке 8а показан усилитель, охваченный последовательной отрицательной обратной связью по напряжению. Оценим свойства такого усилителя.
ООС расширяет полосу пропускания (рисунок 8, а) и линейный участок амплитудной характеристики (рисунок 8, б), что приводит к уменьшению искажений как линейных, так и нелинейных.
Рисунок 8 а) - полоса пропускания б) - линейный участок амплитудной характеристики
1.6 Составление структурной схемы
Для проектируемого усилителя целесообразно применить схему, включающую в себя делитель напряжения, разделительные емкостные элементы(конденсаторы).
Делитель напряжения предназначен для смещения напряжения на базе. Делитель состоит из сопротивлений Rб1 и Rб2. Сопротивление Rб1 подключается к положительному контакту источника постоянного напряжения Ек параллельно коллекторному сопротивлению Rк, а Rб2 между ветвью базы и отрицательным контактом источника постоянного напряжения Ек.
Разделительные конденсаторы служат для отсекания постоянной составляющей сигнала по току(т.е. функция этих элементов не пропускать постоянный ток). Располагаются они между каскадами усилителя, между источником сигнала и каскадами, а также между последним каскадом усилителя и нагрузкой(потребителем усиленного сигнала).
Помимо этого используются конденсаторы в цепи эмитерной стабилизации. Подключаются параллельно эмитерному сопротивлению Rэ. Служат для отвода переменной составляющей сигнала от сопротивления эмиттера.
От источника сигнала на первый каскад усилителя подается слабый сигнал, который усиливается на транзисторе за счет постоянного напряжения питания, получаемого от источника питания. Далее уже в несколько раз усиленный сигнал попадает на вход второго каскада, где также посредствам напряжения питания усиливается до нужного уровня сигнала, после чего передается к потребителю (в данном случае-нагрузке).
Принцип действия двухкаскадногоусилителя представлен на рисунке 9.
Рисунок 9- Структурная схема двухкаскадного усилителя
Проведем расчет транзисторного усилителя по заданным параметрам в следующем пункте.
2. РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ
2.1 Технические условия и характеристики для расчета
Технические условия и характеристики для проектирования маломощного низкочастотного усилителя взяты в соответствии с индивидуальным заданием курсового проекта (Варианта 1).
В таблице 1 приведены данные для расчета каскада усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Схема транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером представлена на рисунке 9.
Таблица 1 - Данные варианта для расчета
|
вариант № |
Еи, В Umах вх |
|||||||
Обозначения:
Um вых, В - амплитудное значение напряжения на выходе усилителя;
Um вх, В - амплитудное значение напряжения источника входного сигнала;
Ек - напряжение источника постоянного напряжения в цепи коллектора;
Rи - внутреннее сопротивления источника сигнала (внутреннее сопротивление генератора);
Rн - сопротивление в цепи нагрузки усилителя;
Fн Fв - диапазон усиливаемых частот;
Мв = Мн - коэффициент частотных искажений;
toокр,оС - рабочая температура усилителя.
Рисунок 9 - Схема транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером
Расчет каскада усилителя будет выполнен в три этапа:
оценка предельных параметров работы каскада и выбор транзистора;
расчет по постоянному току;
расчет по переменному току.
2.2 Оценка предельных параметров и выбор транзистора
К предельным параметрам транзистора относятся:
1) максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, которое выбирается из соотношения Uкэмах = 1,2 * Ек и в нашем случае равно:
Uкэмах? 1,2 Ч11= 13,2 В.
Выбор транзистора осуществляем по двум параметрам: напряжению Uкэмах и максимальной частоте Fм. Выбираем транзистор типа n-p-n с большим статическим коэффициентом усиления по току h21э (для расчета из справочника выбираем минимальное значение этого коэффициента).
По условиям подходит транзистор КТ315Б. Технические характеристики, которого приведены в Приложении А.
2.3 Расчет первого каскада
2.3.1 Расчет по постоянному току
При проектировании используем графоаналитический метод расчета. Режим по постоянному току транзистора определяет все технико-экономические параметры усилителя. В первую очередь выбираем рабочие точки по току и напряжению входной и выходной (коллекторной) цепи транзистора. Режим постоянного тока обеспечивается сопротивлениями: Rб1, Rб2, Rэ, Rк, которые необходимо найти.
Выбираем рабочую точку транзистора на входной вольт-амперной характеристике (приложение Б), которую обозначим П. Этой точке соответствует постоянный ток базы транзистора - Iбп и напряжение между базой и эмиттером - Uбэп, которые соответственно равны:
Iбп = 0,19 мА
На оси напряжения Uбэ определим минимальное Uбэмин и максимальное Uбэмакс значения напряжения, отложив в обе стороны отрезки равные Umвх. От полученных значений проведем перпендикуляры до пересечения с кривой графика, а от точек пересечения с графиком до оси тока базы Iб. Значения точек пересечения с осью соответственно будут равны Iбмин и Iбмакс
На графике выходных характеристик транзистора (приложение В) определим положение рабочей точки. Рабочий ток покоя коллектора будет равен
Iкп = h21э* Iбп = 50 * 0,19 = 9,5 мА.
Проведя из точки Iкп на оси Iк горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы. Это будет точкой покоя П коллекторной цепи.
Опуская перпендикуляр на горизонтальную ось напряжения Uкэ, получим точку покоя рабочего напряжения коллектора Uкэп = 9 В.
Построим статическую нагрузочную прямую по двум точкам, одна из которых является П, лежащая на ветви тока базы Iбп. Вторая точка откладывается на горизонтальной оси напряжения Uкэ и равна напряжению питания Ек. (Приложение В)
Построив нагрузочную прямую, при её пересечении с осью коллекторного тока, получаем точку Iкз = 25мА. Это точка, которая имеет смысл тока, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом транзисторе (перемычке).
1) Сопротивление Rэ предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и вычисляется по формуле
URэ = 0.1Ч15 = 1,5 В,
Rэ = 1,5 /(9,5*10-3) = 158 Ом.
2) Расчет сопротивлений резисторов Rб1 и Rб2.
Для расчета сопротивлений Rб1 и Rб2 существуют рекомендации выбирать ток делителя Iд в маломощных каскадах в 8-10 раз больше тока базы.
Iд=10*Iбп= 10* 0,19 = 1,9 мА
Iд*Rб2 = Uбэ + Rэ*Iкп и отсюда Rб2 = (Uбэ + Rэ*Iкп)/ Iд
Rб2= (0,5+1,5)/1,9*10-3 = 1053 Ом;
Тогда, Rб1 = (Ек - Iд * Rб2)/ Iд.
Rб1 = (11 -1,9*10-3 *1053)/(1,9Ч10-3) = 4736 Ом
3) Расчет сопротивления Rк
Если Iк = Ек/(Rк + Rэ), то отсюда получим
Rк= Ек /Iкз - Rэ
Rк= 11/ 25*10-3 - 158 = 282 Ом
Таким образом, сопротивления Rк и Rэ, Rб1 и Rб2 найдены.
2.3.2 Динамический расчет каскада
Рассчитаем при заданных технических условиях и характеристиках теоретический коэффициент усиления по напряжению по формуле:
Ku=14B/0,05B=280;
Rб = (4736*1053)/(4736+1053) = 861,463 Ом
Rэкв = (Rи · Rб)/(Rи + Rб),
Rэкв = (100*861,5)/(100+861,5) = 89,6 Ом
Uэкв = (Еи · Rб)/(Rи + Rб)
Uэкв = (0,05*861,5)/(100+861,5) = 0,045 В
Uбдmin = Uбэп - Uэкв = 0,5- 0,045 = 0,455 В;
Uбдmax = Uбэп + Uэкв = 0,5 + 0,045 = 0,545 В.
По динамическим значениям входного напряжения на входной ВАХ находятся соответствующие динамические входные токи
Iбдmin = 0,17 мA;
Iбдmax =0,20мA.
= (RнЧRк)/ (Rн + Rк) = (4500Ч282)/(4500+282)=265,37 Ом.
Iкд = Ек/Rґн
Iкд = 11/265,37 = 0,041 А или 41 мА
Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из приложения В, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд1 и Iбд2. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд1 = 5,5 В и Uкд2 = 7В
К = (Uкд2 - Uкд1)/(2·Еи)
К =(7-5,5)/(2*0,05) = 15.
Uвых=(Uкд2-Uкд1)/2
Uвых = 0,75 В
2.3 Расчет второго каскада
2.3.1 Расчет по постоянному току
Выбираем второй транзистор по тем же параметрам, описанным при выборе первого транзистора. По условиям подходит транзистор КТ807Б технические характеристики, которого приведены в Приложении Г.
Режим постоянного тока обеспечивается сопротивлениями: Rб1, Rб2, Rэ, Rк, которые необходимо найти.
Рабочий режим по постоянному току определяется на входной и выходной вольт - амперных характеристиках (ВАХ), которые представлены в приложении Д и Е соответственно. Графоаналитический расчет выполняется по алгоритму, который использовался для расчета первого каскада.
Найдем по входной и выходной вольтамперной характеристикам следующие данные:
Проведем расчет сопротивлений.
1) Сопротивление Rэ2 предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и вычисляется по формуле
URэ = 0.1Ч15 = 1,5 В,
Rэ2 = 1,5 /(0,3) = 5 Ом.
2) Расчет сопротивлений резисторов Rб3 и Rб4 .
Для расчета сопротивлений Rб3 и Rб4 существуют рекомендации выбирать ток делителя Iд в маломощных каскадах в 8-10 раз больше тока базы.
Iд=10*Iбп= 10* 10 = 100 мА
Тогда, зная ток базы Iбп и, используя второй закон Кирхгофа, можно записать следующее:
Iд*Rб4 = Uбэ + Rэ*Iкп и отсюда Rб4 = (Uбэ + Rэ2*Iкп)/ Iд
Rб4= (0,65+5*0,3)/0,1 = 21,5 Ом;
Согласно закону Кирхгофа Rб3 = (Ек - Iд Ч Rб4)/ Iд = (11 - 0,1*21,5)/0,1 = 88,5 Ом
3) Расчет сопротивления Rк2
Сопротивление Rк2 найдем из статической нагрузочной прямой.
Точка пересечения нагрузочной прямой и ординаты Iк имеет смысл тока, который бы протекал в коллекторной цепи при короткозамкнутом транзисторе - Iкз. Численное значение тока Iкз может быть найдено из выходной ВАХ КТ807Б, где Iкз = 0,85А.
Если Iкз = Ек/(Rк2 + Rэ2), то отсюда получим
Rк2= Ек /Iкз - Rэ2
Rк2= 11/ 0,85 - 5 = 7,94 Ом
Таким образом, сопротивления Rк2 и Rэ2, Rб3 и Rб4 найдены.
Динамический расчет каскада
Следующим этапом является динамический расчет каскада.
Найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока Rб по формуле:
R"б=(88,5*21,5)/(88,5+21,5)=17,29
Сопротивление эквивалентного генератора входного напряжения рассчитаем по формуле:
Rэкв = (Rи · Rб)/(Rи + Rб),
Rэкв = (100*17,29)/(100+17,29) = 17,74 Ом
Напряжение эквивалентного генератора на входе рассчитаем по формуле:
Uэкв = (Ег· Rб)/(Rи + Rб)
Uэкв = (0,65*17,29)/(100+17,29) = 0,1 В
Это напряжение меньше, чем напряжение источника сигнала, и используя входную характеристику транзистора нужно сначала определить минимальное и максимальное динамическое значение входного напряжения по формуле:
Uбдmin = Uбп - Uэкв = 0,55В;
Uбдmax = Uбп + Uэкв = 0,75В
По динамическим значениям входного напряжения на входной ВАХ находятся соответствующие динамические входные токи:
Iбдmin = 5 мA;
Iбдmax = 30 мA
Следующим шагом необходимо найти выходные динамические параметры каскада, и в первую очередь общее сопротивление коллекторной нагрузки, которое будет найдено из выражения:
= (RнЧRк2)/ (Rн + Rк2) = (4500Ч7,94)/(4507,94)= 7.92 Ом.
Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной ВАХ транзистора. Первая точка останется, как и для статического режима (точка П). Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и может быть вычислена по формуле:
Iкд = Ек/Rґн
Iкд = 11/7,92 = 1,38А
Реально нагрузочный динамический диапазон будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд1 и Iбд2. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд1 = 4,9 В и Uкд2 = 12В
Тогда, фактический коэффициент усиления каскада определим из выражения:
К = (Uкд2 - Uкд1)/(2·Еи)
К =(12-4,9)/(2*0,05) = 71.
Сравним фактический коэффициент усиления каскада и коэффициент усиления по напряжению К Рассчитаем реальное усиление: Кр =71Ч15= 1065; Сравним фактический коэффициент усиления каскада и коэффициент усиления по напряжению Кр>Ku (1065>280) => для усиления хватит двух каскадов. 2.3 Расчет разделительных конденсаторов и емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера Емкости межкаскадных связей Ср1, Ср2 предназначены для гальванической развязки (исключение влияния между каскадами по постоянному току) между датчиком и первым каскадом и, дальше между каждым из каскадов по всему тракту усиления. Емкость Сэ предназначена для исключения обратной связи по переменному току в каскадах усиления. Расчет указанных емкостей осуществляется по следующим формулам: Для второго каскада (по тем же формулам, что и для первого каскада): ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения курсового проекта был произведен выбор принципиальной схемы, расчет всех элементов двухкаскадного усилителя с заданными техническими характеристиками. В качестве схемы усилителя взята стандартная схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером для проводимости типа n-p-n .Усилитель по току, режим класс «А». Транзисторы кремневые маломощные высокочастотные эпитаксильно планарные n-p-n типа усилительные КТ312Б и КТ807Б. Разработанный двухкаскадный усилитель соответствует заданным условиям курсового проекта. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Зайцев:Под ред А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, КубК-а 1994. - 384с.;ил. Корнев В.А. Методические указания к курсовому проекту. ВКГТУ, 2010. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности./А.А. Лаврененко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. 9-е издание перераб. К. Технiка, 1980. - 464с.; ил. Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам. Издание 2. - Таганрог, 219 с., ил. Справочное пособие по основам электротехники и электроники. /Под ред. А.В.Нетушила. М.: Энергоатомиздат, 1995. Электротехника и основы электроники. /Под ред. О.П.Глудкина, Б.П.Соколова. М.: Высш. шк., 1993. Цыкин Г.С. Усилительные устройства. - М. : Связь, 1971. Назаров С.В. Транзисторные стабилизаторы напряжения. - М. : Энергия, 1980. Цыкина Л.В. Электронные усилители. - М. : Радио и связь, 1982. Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. - М. : Высшая школа, 1980. Виды транзисторных усилителей, основные задачи проектирования транзисторных усилителей, применяемые при анализе схем обозначения и соглашения. Статические характеристики, дифференциальные параметры транзисторов и усилителей, обратные связи в усилителях. реферат , добавлен 01.04.2010 Характеристики используемого транзистора. Схема цепи питания, стабилизации режима работы, нагрузочной прямой. Определение величин эквивалентной схемы, граничной и предельных частот, сопротивления нагрузки, динамических параметров усилительного каскада. курсовая работа , добавлен 09.06.2010 Проектирование транзисторных усилителей. Формы применения местных и общих отрицательных обратных связей при улучшении параметров усилителя. Анализ ёмкости переходных и блокировочных конденсаторов. Сущность входного сопротивления предварительного каскада. курсовая работа , добавлен 22.12.2008 Характеристика свойств и принципов действия усилителей низкой частоты на биполярных транзисторах. Основные методики проектирования и расчета генераторов колебаний прямоугольной формы с управляемой частотой следования импульсов. Эскиз источника питания. курсовая работа , добавлен 20.12.2008 Частотные и временные характеристики усилителей непрерывных и импульсных сигналов. Линейные и нелинейные искажения в усилителях. Исследование основных параметров избирательных и многокаскадных усилителей. Усилительные каскады на биполярных транзисторах. контрольная работа , добавлен 13.02.2015 Операционные усилители: понятие и параметры. Влияние обратной связи на параметры и характеристики усилителей. Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе. Моделирование схем с помощью программы Elektronik Workbench. Выбор транзистора. курсовая работа , добавлен 20.01.2014 Применение конденсаторов переменной емкости для изменения резонансной частоты контура. Обзор конструкций и выбор направления проектирования конденсатора. Расчет электрических и конструктивных параметров, вычисление температурного коэффициента емкости. курсовая работа , добавлен 14.03.2010 Расчет автогенератора, спектра сигнала на выходе нелинейного преобразователя, электрических фильтров для второй и третьей гармоники. Расчет масштабного, развязывающего и выходных усилителей. Спецификация резистора, усилителя, конденсатора, транзистора. курсовая работа , добавлен 28.05.2015 Понятие электронного усилителя, принцип работы. Типы электронных усилителей, их характеристики. Типы обратных связей в усилителях и результаты их воздействия на работу электронных схем. Анализ электронных усилителей на основе биполярных транзисторов. курсовая работа , добавлен 03.07.2011 Функциональные возможности переменных конденсаторов как элементов колебательных контуров. Обзор конструкций и выбор направления проектирования конденсатора. Расчет электрических и конструктивных параметров, вычисление температурного коэффициента емкости. 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 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. Курсовой проект содержит 37 листа, 23 иллюстрации, 1 таблицу. Цель: - углубить знания студентов по курсам, связанным с темой курсового проекта; Привить навыки самостоятельной работы с технической литературой; Научить составлять, рассчитывать и анализировать электронные схемы; Научить грамотно оформлять техническую документацию. В курсовом проекте содержится краткое описание усилителей низкой частоты, их классификация, применение, основные технические решения. Также разработана структурная и электрическая принципиальная схема усилителя, и произведен ее расчет. УСИЛИТЕЛЬ, ТРАНЗИСТОР, ВХОДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА, НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ, ВЫХОДНОЙ КАСКАД 1. Введение ………………………………………………….. 3 2. Основная часть 2.1 Аналитический обзор …………………………… 5 2.2 Составление структурной схемы усилителя …… 9 2.3 Разработка электрической принципиальной схемы усилителя …………………………………………….. 11 2.4 Электрический расчет …………………………. ……… 14 2.5 Анализ спроектированного усилителя …………. ……... 29 3. Заключение ……………………………………………………... 30 4. Перечень ссылок ……………………………………………….. 31 5. Приложение …………………………………………………….. 32 Характерной особенностью современных электронных усилителей является исключительное многообразие схем, по которым они могут быть построены. Усилители различаются по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических сигналов, импульсные усилители и т. д. Также они различаются по назначение, числу каскадов, роду электропитания и другим показателям. Однако одним из наиболее существенных классификационных признаков является диапазон частот электрических сигналов, в пределах которого данный усилитель может удовлетворительно работать. По этому признаку различают следующие основные типы усилителей: Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления непрерывных периодических сигналов, частотный диапазон которых лежит в пределах от десятков герц до десятков килогерц. Характерной особенностью УНЧ является то, что отношение верхней усиливаемой частоты к нижней велико и обычно составляет не менее нескольких десятков. Усилители постоянного тока – усиливающие электрические сигналы в диапазоне частот от нуля до высшей рабочей частоты. Они позволяют усиливать как переменные составляющие сигнала, так и его постоянную составляющую. Избирательные усилители – усиливающие сигналы в очень узкой полосе частот. Для них характерна небольшая величина отношения верхней частоты к нижней. Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полоса частотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качестве нагрузки таких усилителей колебательного контура. В связи с этим избирательные усилители часто называют резонансными. Широкополосные усилители, усиливающие очень широкую полосу частот. Эти усилители предназначены для усиления сигналов в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения. Часто широкополосные усилители называют видеоусилителями. Помимо своего основного назначения, эти усилители используются в устройствах автоматики и вычислительной техники. Современные усилители низкой частоты выполняются преимущественно на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении, причем усилители в микроисполнении отличаются от своих дискретных аналогов, главным образом, конструктивно-техническими особенностями. В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты могут входить микрофон, звукосниматель, предыдущий усилитель. Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, выходной мощности. Поэтому в состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления. Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными. Однако в следствии большой стоимости, значительных размеров и массы трансформатора, а также из-за неравномерности амплитудно-частотных характеристик трансформаторные каскады предварительного усиления применяются весьма редко. В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора. Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рис 1. Рисунок 1 Данная схема получила название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R б
практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметров b даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени. Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе, представленная на рис 2. В этой схеме резисторы При построении схем транзисторных усилителей приходится принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Основной дестабилизирующий фактор – влияние температуры. Существуют Рисунок 2 различные способы термостабилизации режима работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из них реализуются с помощью схем, показанных на рис 3-5. Рисунок 3 - c терморезистором Рисунок 4 - с диодом Рисунок 5 - с цепочкой эмиттерной стабилизации RэСэ В схеме на рис 3 терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь таким образом, что при повышении температуры происходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происходит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора. Одна из возможных схем термостабилизации с помощью полупроводникового диода показана на рис 4. В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температурная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора транзистора. При смене транзистора стабильность ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора. Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, показанная на рис 5. В этой схему навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора Структурная схема представлена на рис 6. Рисунок 6 ВхК - входной каскад КПУ1 - первый каскад предварительного усиления КПУ2 - второй каскад предварительного усиления КПУ3 - третий каскад предварительного усиления Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для преобразования слабых сигналов преимущественно звукового диапазона в более мощные сигналы, приемлемые для непосредственного восприятия через электродинамические или иные излучатели звука. Заметим, что высокочастотные усилители до частот 10... 100 МГц строят по аналогичным схемам, все отличие чаще всего сводится к тому, что значения емкостей конденсаторов таких усилителей уменьшаются во столько раз, во сколько частота высокочастотного сигнала превосходит частоту низкочастотного. Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 1. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль. Допустимое напряжение питания для этого усилителя 3...12 В. Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить экспериментально, поскольку его оптимальная величина зависит от напряжения питания усилителя, сопротивления телефонного капсюля, коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора. Рис. 1. Схема простого УНЧ на одном транзисторе + конденсатор и резистор. Для выбора начального значения резистора R1 следует учесть, что его величина примерно в сто и более раз должна превышать сопротивление, включенное в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно включить постоянный резистор сопротивлением 20...30 кОм и переменный сопротивлением 100... 1000 кОм, после чего, подав на вход усилителя звуковой сигнал небольшой амплитуды, например, от магнитофона или плеера, вращением ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей его громкости. Величина емкости переходного конденсатора С1 (рис. 1) может находиться в пределах от 1 до 100 мкФ: чем больше величина этой емкости, тем более низкие частоты может усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (рис. 1 - 4). Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рис. 1 схемы усилителей приведены на рис. 2 и 3. В схеме на рис. 2 каскад усиления дополнительно содержит цепочку частотнозависимой отрицательной обратной связи (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающей качество сигнала. Рис. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с цепочкой частотнозависимой отрицательной обратной связи. Рис. 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи напряжения смещения на базу транзистора. Рис. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения для базы транзистора. В схеме на рис. 3 смещение на базу транзистора задано более «жестко» с помощью делителя, что улучшает качество работы усилителя при изменении условий его эксплуатации. «Автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора применена в схеме на рис. 4. Соединив последовательно два простейших каскада усиления (рис. 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (рис. 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельно взятых каскадов. Однако получить большое устойчивое усиление при последующем наращивании числа каскадов нелегко: усилитель скорее всего самовозбудится. Рис. 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ. Новые разработки усилителей НЧ, схемы которых часто приводят на страницах журналов последних лет, преследуют цель достижения минимального коэффициента нелинейных искажений, повышения выходной мощности, расширения полосы усиливаемых частот и т.д. В то же время, при наладке различных устройств и проведении экспериментов зачастую необходим несложный УНЧ, собрать который можно за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное число дефицитных элементов и работать в широком интервале изменения напряжения питания и сопротивления нагрузки. Схема простого усилителя мощности НЧ с непосредственной связью между каскадами приведена на рис. 6 [Рл 3/00-14]. Входное сопротивление усилителя определяется номиналом потенциометра R1 и может изменяться от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку сопротивлением от 2...4 до 64 Ом и выше. При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 3 до 15 В, хотя приемлемая работоспособность его сохраняется и при снижении напряжения питания вплоть до 0,6 В. Емкость конденсатора С1 может быть выбрана в пределах от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 =100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 200 кГц и выше. Рис. 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах. Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5...0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины питающего напряжения. Настройка усилителя заключается в подборе резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливают напряжение на стоке транзистора VT1, равное 50...60% от напряжения источника питания. Транзистор VT2 должен быть установлен на теплоотводя-щей пластине (радиаторе). На рис. 7 показана схема другого внешне простого УНЧ с непосредственными связями между каскадами. Такого рода связь улучшает частотные характеристики усилителя в области нижних частот, схема в целом упрощается. Рис. 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с непосредственной связью между каскадами. В то же время настройка усилителя осложняется тем, что каждое сопротивление усилителя приходится подбирать в индивидуальном порядке. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30...50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1...2 кОм. Расчет усилителя, приведенного на рис. 7, можно найти в литературе, например, [Р 9/70-60]. На рис. 8 и 9 показаны схемы каскодных УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют довольно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на рис. 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц [МК 2/86-15]. УНЧ по схеме на рис. 9 при коэффициенте гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 [РЛ 3/99-10]. Рис. 8. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 5. Рис. 9. Каскадный УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления = 100. Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ представлена на рис. 10 [РЛ 3/00-14]. Здесь использовано каскадное включение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, причем транзистор VT2 включен таким образом, что стабилизирует рабочую точку VT1 и VT3. При увеличении входного напряжения этот транзистор шунтирует переход эмиттер — база VT3 и уменьшает значение тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3. Рис. 10. Схема простого экономичного усилителя НЧ на трех транзисторах. Как и в приведенной выше схеме (см. рис. 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в пределах от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использован телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Телефонный капсюль, подключаемый при помощи штекера, может одновременно служить выключателем питания схемы. Напряжение питания УНЧ составляет от 1,5 до 15 В, хотя работоспособность устройства сохраняется и при снижении питающего напряжения до 0,6 В. В диапазоне напряжения питания 2... 15 В потребляемый усилителем ток описывается выражением: 1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит), где Uпит - напряжение питания в Вольтах (В). Если отключить транзистор VT2, потребляемый устройством ток увеличивается на порядок. Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, приведенные на рис. 11 - 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность. Рис. 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (низкий уровень шумов, высокий КУ). Рис. 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315. Рис. 13. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315 - вариант 2. Микрофонный усилитель (рис. 11) характеризуется низким уровнем собственных шумов и высоким коэффициентом усиления [МК 5/83-XIV]. В качестве микрофона ВМ1 использован микрофон электродинамического типа. В роли микрофона может выступать и телефонный капсюль. Стабилизация рабочей точки (начального смещения на базе входного транзистора) усилителей на рис. 11 - 13 осуществляется за счет падения напряжения на эмиттерном сопротивлении второго каскада усиления. Рис. 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором. Усилитель (рис. 14), имеющий высокое входное сопротивление (порядка 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и биполярном — VT2 (с общим). Каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах, также имеющий высокое входное сопротивление, показан на рис. 15. Рис. 15. схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах. Типовые УНЧ, предназначенные для работы на низкоомную нагрузку и имеющие выходную мощность десятки мВт и выше, изображены на рис. 16, 17. Рис. 16. Простой УНЧ для работы с включением нагрузки с низким сопротивлением. Электродинамическая головка ВА1 может быть подключена к выходу усилителя, как показано на рис. 16, либо в диагональ моста (рис. 17). Если источник питания выполнен из двух последовательно соединенных батарей (аккумуляторов), правый по схеме вывод головки ВА1 может быть подключен к их средней точки напрямую, без конденсаторов СЗ, С4. Рис. 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста. Если вам нужна схема простого лампового УНЧ то такой усилитель можно собрать даже на одной лампе, смотрите у нас на сайте по электронике в соответствующем разделе. Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год. Исправления в публикации:
на рис. 16 и 17 вместо диода Д9 установлена цепочка из диодов. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
Усилители низкой частоты основаны на биполярных и полевых транзисторах в дискретном или интегральном исполнении.В качестве источника входного сигнала в усилителях низкой частоты может входить любой сигнал (датчик, предыдущий усилитель, микрофон и др.) Большинство из источников входного сигнала развивают очень низкое напряжение. Подавать его непосредственно на каскад усиления мощности не имеет смысла, т. к. при слабом управляющем напряжении невозможно получить значительные изменения выходного тока, а следовательно, выходной мощности. В состав структурной схемы усилителя, кроме выходного каскада, отдающего требуемую мощность, входят и каскады предварительного усиления.
Эти каскады принято классифицировать по характеру сопротивления нагрузки в выходной цепи транзистора. Наибольшее применение получили резистивные усилительные каскады, сопротивлением нагрузки которых служит резистор. В качестве нагрузки транзистора может быть использован и трансформатор. Такие каскады называют трансформаторными.
В каскадах предварительного усиления на биполярных транзисторах чаще других используется схема с общим эмиттером, которая обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению и мощности, сравнительно большим входным сопротивлением и допускает использование одного общего источника питания для цепей эмиттера и коллектора.
Простейшая схема резистивного усилительного каскада с общим эмиттером и питанием от одного источника показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Простейшая схема резистивного усилительного каскада
Данная схема имеет название схемы с фиксированным базовым током. Смещение фиксированным током базы отличается минимальным числом деталей и малым потреблением тока от источника питания. Кроме того, сравнительно большое сопротивление резистора R
б
практически не влияет на величину входного сопротивления каскада. Однако этот способ смещения пригоден лишь тогда, когда каскад работает при малых колебаниях температуры транзистора. Кроме того, большой разброс и нестабильность параметров
b
даже у однотипных транзисторов делают режим работы каскада неустойчивым при смене транзистора, а также с течением времени.
Более эффективной является схема с фиксированным напряжением смещения на базе, представленная на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема с делителем напряжения
В этой схеме резисторы
и
подключенные параллельно источнику питания Е
к,
образуя тем самым делитель напряжения. Делитель, образованный резисторами
и
должен обладать достаточно большим сопротивлением, в противном случае входное сопротивление каскада окажется малым.
При построении схем транзисторных усилителей необходимо принимать меры для стабилизации положения рабочей точки на характеристиках. Причина, по которой приходится прибегнуть к данным мерам является влияние температуры. Есть несколько вариантов так называемой термостабилизации режимов работы транзисторных каскадов. Наиболее распространенные из вариантов представлены на рисунках 3,4,5.
В схеме (см. рисунок 3) терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления включен в базовую цепь таким образом, что при повышении температуры происходит уменьшение отрицательного напряжения на базе за счет уменьшения сопротивления терморезистора. При этом происходит уменьшение тока базы, а следовательно, и тока коллектора.
Рисунок 3 - Схема с терморезистором
Одна из возможных схем термостабилизации с помощью полупроводникового диода показана на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема термостабилизации с помощью полупроводникового диода
В этой схеме диод включен в обратном направлении, а температурная характеристика обратного тока диода должна быть аналогична температурной характеристике обратного тока коллектора транзистора. При смене транзистора стабильность ухудшается из-за разброса величины обратного тока коллектора.
Наибольшее распространение получила схема термостабилизации режима, показанная на рисунке 5.
Рисунок 5 – Схема с цепью эмиттерной стабилизации RэСэ
В этой схему навстречу фиксированному прямому напряжению смещения, снимаемому с резистора
включено напряжение, возникающее на резисторе R
э
при прохождении через него тока эмиттера. Пусть, например, при увеличении температуры постоянная составляющая коллекторного тока возрастет. Увеличение тока коллектора приведет к увеличению тока эмиттера и падению напряжения на резисторе R
э
. В результате напряжение между эмиттером и базой уменьшиться, что приведет к уменьшению тока базы, а следовательно, тока коллектора. В большинстве случаев резистор R
э
шунтируется конденсатором большой емкости. Это делается для отвода переменной составляющей тока эмиттера от резистора R
э
.
3 СОСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
Для проектируемого усилителя целесообразно применить схему, включающую в себя делитель напряжения, разделительные емкостные элементы(конденсаторы).
Делитель напряжения предназначен для смещения напряжения на базе. Делитель состоит из сопротивлений R
б1
и R
б2
. Сопротивление R
б1
подключается к
положительному контакту источника постоянного напряжения Ек параллельно коллекторному сопротивлению R
к
, а R
б2
между ветвью базы и отрицательным контактом источника постоянного напряжения Ек.
Разделительные конденсаторы служат для отсекания постоянной составляющей сигнала по току(т.е. функция этих элементов не пропускать постоянный ток). Располагаются они между каскадами усилителя, между источником сигнала и каскадами, а также между последним каскадом усилителя и нагрузкой(потребителем усиленного сигнала).
Помимо этого используются конденсаторы в цепи эмитерной стабилизации. Подключаются параллельно эмитерному сопротивлению Rэ.
Служат для отвода переменной составляющей сигнала от сопротивления эмиттера.
Принцип действия двухкаскадногоусилителя представлен на рисунке 6.
От источника сигнала на первый каскад усилителя подается слабый сигнал, который усиливается на транзисторе за счет постоянного напряжения питания, получаемого от источника питания. Далее уже в несколько раз усиленный сигнал попадает на вход второго каскада, где
Также посредствам напряжения питания усиливается до нужного уровня сигнала, после чего передается к потребителю (в данном случае-нагрузке).
Задание:
Разработать схему предварительного усилителя напряжения низкой частоты средней мощности с заданными параметрами:
Амплитудное значение напряжения на выходе усилителя Uвых = 6 В;
Амплитудное значение сигнала источника Uвх = 0,15 В;
Напряжение источника постоянного напряжения в цепи коллектора
Ек = 20 В;
Сопротивление в цепи нагрузки усилителя Rн = 3,3 кОм;
Диапазон усиливаемых частот F н F в =20 Гц - 20000 Гц; Коэффициент частотных искажений М
в
= 1,18;
Внутреннее сопротивления источника сигнала Rи = 130 Ом. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер Uкэ, должно удовлетворять условию:
Uкэмах
≥
1,2 × Ек.
Uкэмах
≥
1,2 ×20=24 В.
По
условиям подходит транзистор
ГТ 404А
(Приложение А)
h
21э
= 30 ÷ 80
Рисунок 7 – Схема транзисторного усилительного каскада с общим эмиттером
4 РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ
4.1 Первый каскад.
4.1.1Расчет усилителя по постоянному току
При расчете усилителя используем графоаналитический метод расчета.
Первое: выбираем рабочую точку транзистора на входной вольт - амперной характеристике ВАХ (см. приложение А). Из точки на ветви Uбэп проведем перпендикуляр до пересечения с графиком входной кривой. Эта точка являться точкой покоя базы. Опуская из нее перпендикуляр к оси Iб, найдем постоянный ток базы Iбп, мА
На оси напряжения Uбэ определим минимальное Uбэ
мин
и максимальное Uбэ
макс
значения напряжения, отложив в обе стороны отрезки равные Umвх. От полученных значений проведем перпендикуляры до пересечения с кривой графика, а от точек пересечения с графиком-до оси тока базы Iб.
На графике семейства выходных характеристик определим положение рабочей точки, проведя из точки Iкп на оси Iк горизонтальную прямую до пересечения с некоторой ветвью из семейства токов базы (см. приложение Б). Это будет точкой покоя П коллекторной цепи. Опустим перпендикуляр на ось напряжений Uкэп, где получим точку покоя рабочего напряжения.
Построим статическую нагрузочную прямую по двум точкам, одна из которых является П, а вторая на оси Uкэ равная Ек. Построив нагрузочную прямую, при её пересечении с осью коллекторного тока, получаеся точка Iкз - это фиктивная точка, которая имеет смысл тока протекавшего бы при короткозамкнутом транзисторе (перемычке).
Расчет сопротивлений резисторов R
б1
и R
б2
(Ом) делителя напряжения
Ток делителя выберем в пределах (8 ÷ 10)
:
4.1.2 Динамический расчет каскада.
Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению по формуле:
Первым шагом на этом этапе необходимо привести напряжение источника сигнала и его внутреннее сопротивление «ко входу» первого каскада, т.е. найти эквивалентные напряжение и сопротивление действующие на базе первого транзистора. Для этого найдем величину параллельного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R
б
по формуле:
Параллельно сопротивлению Rб будет подключено входное сопротивление по переменному току (динамическое) транзистора, которое определяется по входной ВАХ, как отношение приращений входного напряжения к току, т.е.:
Динамические входные токи:
Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной характеристике (приложение А).
Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из приложения А, будет находитьссля в пределах двух ветвей базового тока Iбд
1
и Iбд
2
1
и Uкд
2
7,5<40
Следут добавить второй каскад.
Для этого рассчитаем:
4.2. Второй каскад
4.2.1 Расчет усилителя по постоянному току
Для второго каскада выберем транзистор средней мощности. По всем параметрам подходит ГТ 404В h
21э
= 30 ÷ 80.
Т.к. входная ВАХ одинаковая у
ГТ 404А
и ГТ 404В, то начальные будут одинаковые. Аналогично строим график и берем значения.
Также выберем рабочую точку (см. приложение Г).
Сопротивление Rэ предназначено для термокомпенсации рабочего режима каскада и выбирается в пределах (0.1.-0.3)Rк.
Ток делителя для транзистора средней мощности следует выбрать (2 ÷ 3) Iбп
Рассчитаем сопротивления резисторов R
б3
и R
б4
, Ом делителя напряжения
4.2.2Динамический расчет каскада.
Найдем величину эквивалентного сопротивления базовой цепи переменной составляющей входного тока R
б
по формуле
Входное сопротивление по переменному току (динамическое) транзистора равно:
Параллельное соединение сопротивлений Rвх и Rб будет равно:
Тогда эквивалентный переменный сигнал на входе транзистора будет равен:
Определим минимальное и максимальное динамическое значение входного напряжения по формуле:
Динамические входные токи:
Рассчитаем сопротивление нагрузки, которое будет найдено из выражения:
Так как сопротивление в коллекторной цепи изменилось по переменному сигналу, необходимо пересчитать и построить динамическую нагрузочную прямую, которая будет пролегать по двум точкам на выходной характеристике (Приложение Г).
Первая точка останется, как и для статического режима - точка П. Вторая точка (фиктивная) должна лежать на ординате Iк и вычислим по формуле:
Реально нагрузочный динамический диапазон, как следует из рисунка 2.14, будет находиться в пределах двух ветвей базового тока Iбд
1
и Iбд
2
. Диапазон изменения выходного напряжения также изменится и будет, в соответствии с динамической нагрузочной прямой, составлять Uкд
1
и Uкд
2
. Тогда, фактический коэффициент усиления каскада определим из выражения:
Рассчитаем реальное усиление:
4.3 Расчет разделительных конденсаторов и емкости шунтирующего конденсатора
1-ый каскад:
2-ой каскад:
Для второго каскада (по тем же формулам, что и для первого каскада):
5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При выполнении данной курсовой работы был разработан усилитель на транзисторах ГТ404А и ГТ404В, (рассчитаны 2 каскада в схеме усилителя). Получена принципиальная электрическая схема усилителя. Коэффициент усиления напряжения равен 40, что удовлетворяет условию.
Литература
1 Бочаров Л.И., Жебряков С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. – М. : Энергия, 1978.
2 Виноградов Ю.В. Основы электронной и полупроводниковой техники. – М. : Энергия, 1972.
3 Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники. – М. : Высшая школа, 1986.
4 Карпов В.И. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. – М. : Энергия, 1967.
5 Цыкин Г.С. Усилительные устройства. – М. : Связь, 1971.
6 Малинин Р.М. Справочник по транзисторным схемам. – М. : Энергия,1974.
7 Назаров С.В. Транзисторные стабилизаторы напряжения. – М. : Энергия, 1980.
8 Цыкина Л.В. Электронные усилители. – М. : Радио и связь, 1982.
9 Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. – М. : Высшая школа, 1980.
10 Горюнов Н.Н. Полупроводниковые транзисторы. Справочник – М. : Энергоатомиздат, 1983
Подобные документы
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Подобные документы
1 Введение
2.1 Аналитический обзор
2.2 Составление структурной схемы усилителя
Простой усилитель на одном транзисторе
Улучшениые варианты однотранзисторного усилителя
Двухкаскадный усилитель на транзисторах
Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах
Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью
Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах
Экономичный УНЧ на трех транзисторах
Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами
Схемы УНЧ для работы с низкоОмной нагрузкой
Рисунок 6- структурная схема двухкаскадного усилителя
