Файл: Расчет бестрансформаторного усилителя низкой частоты.docx

Um вых = Umн = (2 Рвых Rн)1/2

(11)

– амплитуда выходного напряжения.

U_{m вых} = U_mн = (2 × 5 × 4)^1/2 ≈ 6,32 В.
2 × 40 ≥ E_K ≥ 2(1 + 6,32);

80 ≥ E_K ≥ 14,65.

Величина напряжения питания выбирается из ряда номинальных значений по большему значению из таблицы. 3.

Таблица 3.

5

6

9

12

15

24

30

36

Согласно таблице номинальных значений мы можем взять E_K= 15 В

1.4. Разработка электрической принципиальной схемы УНЧ

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

Для обеспечения питания оконечного каскада от однополярного источника, он подключается к предыдущему каскаду и к нагрузке через конденсаторы С₈, С₁₀. Резистор R₉ является регулятором уровня выходного сигнала. Конденсатор С₁₁ – фильтр напряжения питания каскадов предварительного усиления. Величина сопротивления резистора R₁₄ обычно составляет несколько десятков Ом.

Оконечный каскад работает в режиме класса АВ, который задается делителем R₁₅, R₁₆. Прямое сопротивление диода создает необходимое напряжение смещения (около 1,5В) между базами транзисторов VT4, VT5, а также выполняет функции элемента схемы термокомпенсации. В этом случае, при изменении температуры транзисторов (это вызывает изменение контактной разности потенциалов база-эмиттер) будут пропорционально изменяться и напряжение смещения транзисторов. Небольшое значение напряжения смещения (0,6 – 0,7)В, определяет незначительный (десятки миллиампер) сквозной ток транзисторов VT4 и VT5. Ток через нагрузку при этом отсутствует. Поскольку величина сопротивления VD

---

₁ незначительна, можно считать, что по переменному току базы транзисторов VT4 и VT5 объединены.

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

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

2. Окончательный расчёт УНЧ

2.1. Расчёт оконечного каскада УНЧ

В процессе окончательного расчета усилителя необходимо провести:

- расчет оконечного каскада УНЧ;

- расчет каскада предварительного усиления.

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

2.1.1. Построим на семействе выходных статических характеристик транзистора (рис. 3 – а) линии нагрузки, которая проходит через две точки U_КЭ и І_К.

UКЭ = ЕК/2.

(12)

U_КЭ = 24/2 = 12 В.

ІК = ЕК/2 Rн.

(13)

І_К = 12 / (2 × 4) ≈ 3 А.



а) б)

Рис. 3 — а) входная и б) выходная характеристики транзисторов оконечного каскада

2.1.2. Построим треугольник мощности со сторонами U_mн, I_Kн и оценим возможность получения заданной мощности – Р_вых.

U_mн = 6,32 В.

I_Kн = 1,58 А.

Рвых = 0,5 × Um н × IK н.

(14)

Р_вых = 0,5 × 6,32 × 1,58 = 5 Вт.

2.1.3. Точку „а” принимаем за начальную рабочую точку транзистора, в которой

UКЭ0=ЕК/2 = 15/2 = 7,5 В.

(15)

IK0 = (0,05÷0,1) IK н =0,06 × 1,58 ≈ 0,0791 А.

(16)

Тогда

ІБ0 =ІК0 /β = 0,0791/40 ≈ 0,00198 А.

(17)

2.1.4. Из семейства выходных и входных характеристик транзистора находим амплитудные значения тока базы

---

І_Бm , напряжения базы U_БЭmсогласно:

.

(18)

_{Iбm=0,023-0,00198=0,02102 А}

.

(19)

_{Uбэm=0,92-0,72=0,2 В}

Ориентировочное значение входного сопротивления транзистора составит

rвх= UБЭm / ІБm .

(20)

r_вх = 0,2 / 0,02102≈ 9,5 Ом.

Входная мощность каждого плеча составляет

Рвх=0,5 UБЭm ІБm .

(21)

и равна мощности, которую необходимо отдать транзистору предпоследнего каскада.

Р_вх = 0,5 × 0,2 × 0,02102 = 0,0021 Вт.

2.1.5. Находим величины сопротивлений резисторов R₁и R₂.Сопротивления резисторов R₁и R₂ выбирают одинаковыми:

R1= R2= (ЕК – 2UБЭ0)/2ІД ,

(22)

где І_Д – ток делителя, который должен быть не меньше

(2÷5) І_Б0 = 3 × 0,00198 = 0,00593 А.

R₁= R₂ = (15 – 2 × 0,72) / (2 × 0,00593) ≈ 1902,4 Ом.

2.1.6. Входное сопротивление оконечного каскада составит:

RВХ =β Rд Rн /(β Rн + Rд),

(23)

где R_д = R₁ / 2 = 1902,4/ 2 = 951,2 Ом – сопротивление делителя.

R_ВХ = 40 × 951,2 × 4 / (40 × 4 +951,2 ) ≈ 137 Ом.
2.1.7. Амплитуда входного напряжения каскада: U_m.вх ≈ U_mн ≈ 6,32 В поскольку каскад не усиливает напряжение входного сигнала.

2.1.8. Находим емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки при условии обеспечения коэффициента частотных искажений М_н:

С2 ≥ 1/(2πfнRн )=1200 мкФ.

(24)

---

2.2. Расчёт каскада предварительного усиления УНЧ

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

Входные каскады предварительного усиления, как правило, выполняют на биполярном (рис. 4,а) или полевом транзисторе (рис. 4, б).



а) б)

Рис. 4. Каскады предварительного усиления:

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

Рассмотрим методику расчета каскада предварительного усиления с ОЭ, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 4, а, с такими исходными данными (часть данных получена в результате предварительного расчета):

1) напряжение на выходе каскада – U_вых.т= U_mн;

2) сопротивление нагрузки R_н = R_ВХ;

3) напряжение источника питания – E_к;

4) нижняя граница частот – f_н;

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

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

Необходимо определить:

1) тип транзистора (уточнить правильность предварительного выбора);

2) режимы роботы транзистора;

3) сопротивления резисторов делителя R₁, R₂;

4) сопротивление резистора коллекторной нагрузки R_К;

5) сопротивление резистора в цепи эмиттера R_Э;

6) емкость разделительного конденсатора С₂;

7) емкость конденсатора в цепи эмиттера С_Э;

8) гарантированное значение коэффициента усиления каскада по току К₁, по напряжению К_U и по мощности К_P .

При построении схемы каскада будем использовать элементы с допустимыми отклонениями от номинальной величины ± 5 %.
2.2. 1. Проверяем правильность предварительного выбора транзистора.

Для нормального режима работы транзистора:

---

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

U_{K max} > E_K.

35 > 24.

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

IK max > IK0 + IKm ,

(25)

где I_K0– ток покоя в цепи коллектора;
I_Km – амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора;

IKm= Uвых.т / Rн≈,

(26)

где R_н≈– эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току. При этом R_К является нагрузкой постоянному току.

Rн≈ = RК RВХ / (RК + RВХ).

(27)

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

R_К = R_ВХ = 137 Ом.

Для обеспечения экономичности каскада при минимальных нелинейных искажениях выбирают

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

(28)

На основании этих ограничений выберем транзистор.

R_н≈ = 137 × 137/ (137 + 137) = 68,48 Ом.

I_Km= 6,32 /68,48 = 0,092 А.

I_K0 = 1,05 × 0,092= 0,097 А.

I_Kmax> 0,097 + 0,092 = 0,189 А.

По результатам предварительного расчета выбираем усилительным элементом транзистор типа КТ815Б.

Тип транзистора	Структура	Рк макс, мВт	h21Э (β)	ƒh21, МГц	Граничный режим		Класс по мощности
					Uк макс, В	Iк макс, мА
КТ815Б	n-p-n	1000 (10000)	> 40	3	40	1500	Большой мощности

---