Файл: Лабораторная работа 6 двухтактный бестрансформаторный.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 12.12.2023

Просмотров: 606

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Цель работы

2 Задание

3 Описание принципиальной схемы исследуемого усилителя

Методические указания по выполнению работы

5 Содержание отчета

Однотактные выходные каскады Различают резисторные, трансформаторные и дроссельные выходные каскады. Резисторные каскады предназначены для усиления высоких уровней напряжения и ши-роко применяются в операционных усилителях, УПТ, балансных и дифференциальных каскадах, широкополосных и импульсных усилителях [2,3].Применение согласующего трансформатора в выходных каскадах позволяет обеспечи- вать оптимальное, с точки зрения согласования с нагрузкой, сопротивление в выходной цепи АЭ. Трансформаторные выходные каскады получили широкое применение в усили- телях многоканальной связи, когда входной и выходной трансформаторы выполняют функцию не только согласующих цепей, но и являются компонентом цепи общей частот- но-зависимой отрицательной ОС.Дроссельный каскад, обладая свойствами во многом схожими с трансформаторным каскадом, при этом не позволяет обеспечивать оптимальное сопротивление нагрузки и по- этому находит ограниченное применение.ТрансформаторныйкаскадВ однотактном выходном каскаде усиление осуществляется одним транзистором (рис.6.39,а), работающем в режиме Аа) б)Рис.6.39Выходной трансформатор Т преобразует сопротивление внешней нагрузки Rн (например, волновое сопротивление коаксиальной линии) в сопротивление коллекторной нагрузки Rн к :Rн к = r 1 + (r 2+ Rн)/n2т , (6.1)где r 1 и r 2 — активные сопротивления первичной и вторичной обмоток трансформатора (сопротивление потерь, которым обычно пренебрегают, т.к. Rн >> r 1 + r 2); nт = ω 1/ω 2 – коэффициент трансформации, где ω 1 и ω 2 – число витков первичной и вторичной обмо- ток трансформатора.Выходной трансформатор одновременно позволяет исключить взаимное влияние на- грузки на режим работы АЭ и, наоборот. Нагрузочная прямая ВС (рис.6.41,б), наклон ко- торой величиной сопротивления Rн к, проходит через точку А, положение которой опреде- ляется режимом в ИРТ (Uкэ0, I к0), задаваемой на нагрузочной прямой по постоянному то- ку. Если сопротивление первичной обмотки трансформатора r 1 = 0, то нагрузочная прямая по постоянному току проходит вертикально через точку А и Uкэ0 = Е. Временные диа- граммы (рис.6.41,б) отражают характер мгновенных значений коллекторного тока и на- пряжения максимально возможной амплитуды при усилении гармонического сигнала. Точки В и С определяют границы используемой нагрузочной прямой при работе транзи- стора в режиме А. Точка В соответствует границе перехода в режим насыщения, а точка С– в режим отсечки. Напряжение в точке В и ток в точке С являются минимальными и на- зываются остаточными (u ост, i ост).Эффективность работы транзистора определяется коэффициентамииспользованиятока и напряжения транзистора i Iкm / Iк0, u Uкm /Uк0, (6.2) где Uкэm, I кm – амплитуда напряжения и тока на коллекторе транзистора (рис.6.41,б) Коэффициентыi и u выбирают исходя из требований получения максимально воз- можной выходной мощности при заданном уровне нелинейных искажений, что ограни- чивает их значения в реальных условиях до величины 0,8 …0,9.Мощность, отдаваемая в эквивалентную нагрузку транзистора в коллекторной цепи, Rн кР = 0,5 Uкэm I кm (6.3)Мощность, потребляемая от источника питанияР0 = 0,5 Uкэ0 I к0 (6.4)При этом КПД каскада будетη = Р/ Р0 = Uкэm I кm/2Е I к0 = 0,5 i u0 , (6.5)где Е – напряжение источника питания, а 0 = U кэ0 /Е – коэффициент использования на- пряжения источника питания.Поскольку 0 <1, u<1, i< 1, а I кm < I к0 , Uкэm < U кэ0< , то КПД каскада всегдаменьше 50%, хотя и выше чем для резисторного каскада. Обычно коэффициенты исполь- зования не стремятся получать наибольшими (равными единице) поскольку вблизи точек В и С работа транзистора сопровождается большими нелинейными искажениями.С учетом КПД трансформатора η т , мощность отдаваемая в реальную нагрузку RнР н = Р·ηт (6.6)Транзистор выбирают по значению мощности, рассеиваемой на коллекторе Р к.макс по ус- ловиюР к.макс  (2,5…3,5) Р (6.7)Поскольку мощность на нагрузке пропорциональна квадрату амплитуды напряжения, то в режиме А (при неизменном среднем токе питания) уменьшение амплитуды напряже- ния на нагрузке приводит к быстрому уменьшению КПД. Кроме того, как показывает (6.5) мощность, выделяемая на коллекторе транзистора Р кР к = Р0 — Р (6.8)будет сильно изменяться при колебаниях уровня входного сигнала.К другим недостаткам трансформаторных каскадов следует отнести большие размеры, массу, стоимость, сравнительно узкую полосу пропускания и невозможность реализации усилителя по интегральной технологии. 1   2   3   4   5   6   7   8

Двухтактные выходные каскады Двухтактными называют каскады, содержащие два усилительных элемента (иногда две группы параллельно соединенных АЭ), работающих на общую нагрузку, а фазы выходных токов которых, противоположны. Отдельно взятый АЭ, с цепями связи и питания, обра- зует плечо двухтактного каскада.В зависимости от способа управления АЭ двухтактные каскады подразделяются на кас- кады: с параллельным управлением однофазным входным напряжением (при использовании в качестве АЭ БТ применяют транзисторы с разным типом проводимости, работающие в режиме В или АВ) с параллельным управлением двухфазным напряжением (применяют однотипные БТ, ра- ботающие в режиме А или АВ) с последовательнымуправлениемоднофазнымнапряжением (применяют однотипные БТ, работающие в режиме А, когда сигнал с выхода первого из них, подается на вход вто- рого). Благодаря отличию фаз выходных токов на π происходит частичная компенсация нели- нейных искажений, вносимых плечами. Использование режима А в выходных каскадах обеспечивает очень малые нелинейные искажения, меньшие чем в однотактной схеме. Транзисторные схемы двухтактных оконечных каскадов, использующих выходной трансформатор, могут выполняться с резисторно-емкостной или с трансформаторной свя- зью с предоконечным каскадом (рис.6.40)Рис.6.40Резисторы R1 и R2 – делитель напряжения питания, обеспечивающий смещение на оба транзистора VT1 и VT2и задающий ток коллектора каждого транзистора I к0 в исходной рабочей точке. Резистор R3 — сопротивление эмиттерной температурной стабилизации. Для выравнивания коллекторных токов плеч вместе с резистором R3 могут быть дополни- тельно включены резисторы в эмиттерные цепи каждого транзистора. При работе усили- тельных элементов в режиме В резисторы в цепях эмиттеров отсутствуют. Входные на- пряжения u вх1 и u вх2 равны по величине и противоположны по фазе. Трансформатор Т1 обеспечивает получение противофазного напряжения, необходимого для возбуждения оконечного каскада, т.е. является фазоинверсным звеном. При открывании одного транзи- стора другой закрывается, т.е. транзисторы работают поочередно, создавая токи коллекто- ров iк2 и iк3 . Эти токи протекая через первичную обмотку трансформатора Т2 индуциру- ют во вторичной обмотке токи, протекающие через нагрузку во встречных направлениях. Нагрузка Rн подключена к транзисторам через выходной трансформатор со средней точ- кой в первичной обмотке.Для трансформатора Т со средней точкой мгновенные напряжения на входе каждой из плеч при косинусоидальном входном сигнале можно представитьu вх1 = U mвхcos ωt; (6.9)u вх2 = U mвхcos (ωt+π) = — U mвхcos ωt. (6.10)Ток iк2 в коллекторной цепи транзистора VT2 под действием напряжения u вх1 вне зави- симости от режима работы транзистора (А, В, АВ) можно представить разложением в ряд Фурьеiк2  Iср  Im1 cost Im2 cos 2t Im3 cos3t ..... , (6.11)где I ср — среднее значение коллекторного тока, I m1, I m2, I m3, …- амплитуды соответ- ствующих гармоник коллекторного тока (полагая начальные фазы равными нулю). Кол- лекторный токi3 транзистора VT3 с учетом входного воздействия (6.10) представляем разложением в ряд Фурье заменой аргументов ωt на ωt+πiк3  Iср  Im1 cost Im2 cos 2t Im3 cos3t .....(6.12) Поскольку токи iк2 и i3в первичной обмотке трансформатора Т2 протекают встречно, создавая встречный магнитный поток, пропорциональный разности iк2 — i3 , то ток в на- грузке,iн = d ( iк2 — i3 ) (6.13)обусловленный этим потоком,iн d(2Im1 cost 2Im3 cos3t .....) , (6.14)где d – коэффициент пропорциональности содержит только удвоенные нечетные гармони- ки.Из выражений (6.13) и (6.11), (6.12) следует, что четные гармоники компенсируются, не создавая магнитный поток, а, следовательно, напряжение на нагрузке отсутствует.Анализируя соотношение (6.14) можно заметить, что двухтактный каскад обладает ря- дом положительных свойств. компенсация четных гармоник, т.к. они, входя в состав токов плеч каскада, изменя- ются синфазно, взаимно уничтожаясь в нагрузке. отсутствие постоянного тока подмагничивания магнитной цепи выходного транс- форматора, поскольку при отсутствии сигнала через первичную обмотку протекают рав- ные токи iк2 и i3 , создающие равные и противоположные магнитные поля, компенсирую- щие друг друга. Это позволяет уменьшить габариты и стоимость выходного трансформа- тора. относительно небольшая чувствительность к пульсациям питающего напряжения. Это объясняется тем, что токи покоя обоих плеч изменяются одинаково и поэтому их раз- ность оказывается равной нулю. В связи с этим, допускаются пульсации напряжения ис- точников питания для двухтактных схем в 3-5 раз выше, чем для однотактных. отсутствие тока частоты усиливаемого сигнала в цепи источника питания; поскольку суммарный ток, проходящий через источник питания, не содержит составляющей частоты входного воздействия. Это снижает требования к фильтрам на выходе источников пита- ния, упростить развязывающие межкаскадные фильтры.ДвухтактныекаскадыврежимеВДвухтактные каскады в режиме А создают очень малые нелинейные искажения, но при этом обладают относительно низкими энергетическими показателями. Работа АЭ в двух- тактных выходных каскадах в режиме В позволяют получать высокий КПД и малую мощ- ность потерь в транзисторах. Переход АЭ в режим В достигается исключением цепи сме- щения (R3, рис.6.40). Ток покоя в этом режиме равен нулю (практически очень мал), что реализует очень экономичный режим работы выходных АЭ. Транзисторы работают стро- го поочередно,пропуская полуволну в свой полупериод (рис.6.41,а). а) б)Рис.6.41Во второй полупериод он заперт и ток питания не потребляет. В этот полупериод работа- ет другой транзистор. Нагрузочная прямая транзистора одного плеча выходит из исходной РТ А, в которой iк = 0, U к = E. Ее наклон определяется сопротивлением нагрузки по пе- ременному току Rн к. Для схемы (рис.6.40) его величина определяется значением сопро- тивления нагрузки, пересчитанной к первичной полуобмотке трансформатора Т2 (R3= 0):Rн к1 = Rн n2 т1 η т, (6.15)где nт1 = ω 2/0,5ω 1 – коэффициент трансформации одного плеча выходного трансформа- тора, η т – КПД трансформатора. Максимальная мощность, отдаваемая транзисторами Р

Приближенное изображение функциональной зависимости

Лабораторнаяработа№6ДВУХТАКТНЫЙБЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙУСИЛИТЕЛЬМОЩНОСТИ

1 Цель работы

Изучение методов построения двухтактных оконечных каскадов усилителей мощностизвуковых частот при непосредственной связи с предоконечным каскадом; исследованиесвойствоконечного каскада с применением компьютерного моделирования и расчет ос-новных энергетических характеристик.

2 Задание

    1. Задание для самостоятельной подготовки

Изучить основные положения курса «Основы схемотехники» о способах построениявыходных каскадов стр.169 – 181 [2], стр. 136 — 155 [4], стр. 194 – 210 [5]и письменноответитьна контрольныевопросы.

    1. Экспериментальная часть


      1. Сборка исследуемой схемы.

      2. Определение режимов работы транзисторов по постоянному току.

      3. Расчет АЧХ усилителя и определение коэффициентов усиления

      4. Расчет временных зависимостей (токов и напряжений) в различных точках прин- ципиальной схемы.

      5. Температурная стабилизация режимов транзисторов оконечного каскада.

3 Описание принципиальной схемы исследуемого усилителя

Исследование свойств усилителя мощности проводится примере одной из распростра-ненныхсхемдвухкаскадного бестрансформаторного усилителя с параллельным управ-лением транзисторамидвухтактногооконечного каскада(рис.6.1).Двухтактный оконечный каскад на транзисторахQ1 (КТ817В)и Q2 (КТ816В) управ-ляетсяоднофазным переменным напряжением, снимаемымс коллектора транзистора Q3(КТ635А). Резистор R10 являетсясопротивлениемнагрузки усилителя, резистор R9 вме-сте с диодами D1, D2 и входным динамическим сопротивлением транзисторов Q1и Q2, атакже резистором R10,

является нагрузкой предоконечного каскада на транзисторе Q4. Напряжение смещения на нем обеспечивается резистором R7 (схема питания фиксиро- ванным током базы). Напряжение смещения на транзисторах Q1 и Q2 создается благодаря протеканию постоянной составляющей тока коллектора I ср1 транзистора Q1 через диоды D1 и D2. Одновременно, для стабилизации рабочей точки транзистора Q1 организована, с помощью резистора R9, последовательная ООС по постоянному и переменному напря- жению. Диоды D1,D2 создают небольшое напряжение смещения на транзисторах Q1и Q2 уменьшающее нелинейные искажения и обеспечивабщее температурную стабилизацию точки покоя. Введение ООС позволило уменьшить мощность сигнала, потребляемую ре-

зистором R9, увеличить амплитуду сигнала на входе транзисторов Q1 и Q2 и одновремен- но снизить уровень сигнала на входе транзистора Q3. Такое включение резистора R9 по- зволяет обеспечивать амплитуды напряжений на базах оконечных каскадов близкой по значению к Е/2. Конденсатор С5 является разделительным, исключающим влияние посто- янной составляющей усилителя на параметры источника сигнала. На входе усилителя включен источник гармонического сигнала V5 (GIN). В полупериод, когда открыт верх- ний транзистор, ток протекает через сопротивление нагрузки R10, частично ответвляясь в цепь ООС, заряжая накопительный конденсатор С7. Конденсатор С7 включается после- довательно с источником питания Е и их напряжения вычитаются, поэтому напряжение питания одного плеча равно Е – Ес2 = Е/2. В следующий полупериод входного сигнала работает нижний транзистор Q2 и конденсатор С7 служит для него источником питания

Ес2 = Е/2. При достаточно большой емкости конденсатора С7, напряжение на нем в тече-ние работы Q2можетоставаться практически неизменным.Рис.6.1
    1.   1   2   3   4   5   6   7   8

Методические указания по выполнению работы

      1. Машинное моделирование

ВводпринципиальнойсхемыусилителямощностиПеред выполнении п.2.2.1. следует загрузить систему схемотехнического проектированияМС9 ивызватьв главное окно (рис.6.2)принципиальную схему двухтактногоусилителя (рис.6.1)мощностизвуковыхчастот,находящейсяв файлеVБтрУНЧ.CIR.Для этого необходимо выбрать режим (рис.6.2.1) основного меню (рис.6.2), в выпадающем окне выбрать файл C:\MC9DEMO\data\VБтрУНЧ2.1.CIR, вызвав его в основноеокно редактора (рис.6.3).При отсутствии в списке указанного файла необходимо обратитьсяк схемному файлу,нажавнапиктограмму (рис.6.2.2)вокнесхем.Вдиалоговомокне (рис.6.2.3) обратитьсякпапке (рис.6.2.4)и,открывее,отыскатьфайлVБтрУНЧ.CIR.В окне схем указаны основные команды и вспомогательные пиктограммы, позволяющие “собирать” принципиальные или эквивалентные схемы устройств, для последующегоанализа по постоянному току, во временной или частотной области и др. ВозможностисистемысхемотехническогомоделированияМС9,реализованныевМС8,и,подробноописанныев[1],расширены,дополненыпримерамианализааналоговыхицифровыхсхемивнекоторыхслучаяхпримененадругаяформапредставлениямоделейкомпонентов.

Например, библиотека диодов, транзисторов, ОУ в отличие от МС8 теперь сформирована в текстовом файле (рис.6.2.5) в папке (рис.6.2.6).

Рис.6.2



Рис.6.3

После загрузки файла C:\MC9DEMO\data\VБтрУНЧ.CIR, в центральном окне редактора должна появиться (рис.6.4) принципиальная схема бестрансформаторного усилителя мощности (если она была ранее записана в эту папку).

Следует убедиться в соответствии параметров компонентов вызванной схемы и, приведенных в описании.

Если полученные методические материалы не содержат дискету с файлом принцпиальной схемы усилителя, то ее следует ввести самостоятельно, выбрав режим FILE в меню главного окна (рис.6.2), которое представлено командами: File, Edit, Components, Windows, Options, Analysis , Help.



Рис.6.4

Меню File служит для загрузки, создания и сохранения файлов схем, библиотек математических моделей компонентов схем и для вывода схем на принтер. При этом программа автоматически присваивает окну схем некоторый текущий номер (например, circuit2.CIR).

Меню Edit служит для создания электрических схем, их редактирования, а также редактирования символов компонентов схем.

Команда Components главного меню используется для добавления в создаваемую или редактируемую схему компонентов, в дополнение к содержащимся в каталоге МС9 (каталог содержит более 100 аналоговых и цифровых компонентов). Каталог команды Components можно редактировать, создавая новые разделы иерархии и вводить в них

Смотрите также файлы