Расчет усилителя мощности

 

Полученная сквозная характеристика изображена на рисунке 5.

Рисунок 5 – Сквозная характеристика.

 

По сквозной характеристике определяем коэффициент  гармоник:

Кг=100·

І_m1= (мА)

І_m2= (мА)

І_m3= (мА)

І_m4= (мА)

 

Значит Кг=100· %

 

 

 

 

 

 

4. Расчет промежуточного каскада.

Исходными данными для проектирования промежуточного каскада являются:

- требуемый коэффициент  усиления К₀;

- максимально допустимый коэффициент частотных искажений М_в;

- максимальное выходное  напряжение сигнала Uвыхмах; 
- величина и характер нагрузки.

Оценим значение Uвыхмах:

Uвыхмах=U′выхмах/ К′₀ ,

где U′выхмах – максимальное выходное напряжение следующего каскада;

      К′₀ – коэффициент усиления следующего каскада.

Нагрузкой промежуточных каскадов является Rвх следующего каскада.

Т.е. расчет промежуточного каскада в принципе не отличается от расчета оконечного каскада. Только при использовании соотношений, приведенных в подразделе 3, следует Rн и Сн соответственно заменять на Rвх и Свхд. Значит Rн=20,9 Ом, Сн=1,9·10^-9 Ф

 

Схема промежуточного каскада  с ОЭ приведена на рисунке 6.

 

При расчете требуемого режима транзисторов промежуточного каскада  будем ориентироваться на соотношения, приведенные в п.3.2.2.

Значит аналогично 3.1 выберем транзистор:

Uвыхмах=U′выхмах/ К′₀

Uвыхмах=3,46/1,33=2,6В

 

Uкэмах>(2…3)Uвыхмах,

Uкэмах>2,6·3=7,8В;

 

Ікмах>(2…3) Uвыхмах/Rн,

Ікмах>2·2,6/30,11=0,17А.

 

Исходя из этих предельных параметров возьмем  транзистор КТ815А

 

                

 

Рисунок 6 – Промежуточный каскад

Чтобы питать все каскады от одного источника питания, промежуточные каскады следует подключать к нему через фильтрующую цепь Rф Сф.

 

4.1. Расчет требуемого режима транзистора.

     Выберем источник питания Еп для промежуточного каскада:

Еп не должно превышать Uкэмах, значит Еп не должно превышать значения 7,8В и должно соответствовать рекомендованному ряду:

Еп=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)В 

Исходя  из этого возьмем  значение Еп=6В.

 

Построим входную  и  выходную характеристики транзистора КТ815А:

    

Рисунок 7 – Входные и выходные динамические характеристики.

 

Ток коллектора в рабочей точке:

Ік0=470мА

 

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

Uкэ0=12,5В

                   

4.2. Расчет основных характеристик промежуточного каскада.

Расчет проводим аналогично расчету выходного каскада

τ_ос=1/2πf_гр

τ_ос=1/(2·3,14·3·10⁶)=0,05·10^-6;

 

r_б= τ_ос/Ск

r_б= 0,05·10^-6/(60·10^-12)=833 Ом

Δr=(1,5…2,0) Ом

I_б0=І_к0/h21=0,47/40=0,01175 (А)

 

Iэ=I_к0+I_б0

Iэ=11,75+470=481,75 (мА);

 

r_э=25,6/Іэ

r_э=25,6/481,75=0,053 (Ом)

 

Исходя из этих данных:

Rвхт=r_б+(1+h21)(r_э+Δr)

Rвхт=833+(1+40)(0,053+1,5)=896,673 (Ом)

4.3 Расчет цепей питания.

 

U_Rэ= (0,1…0,2)Еп

U_Rэ=1,2 (В)

 

Определим потенциал  в точке а:

Ua=U_Rэ+U_бэ0 ,

Ua=1,2+0,7=1,9 (В)

 

Зададимся током  делителя, образованного резисторами Rб1 и Rб2:

Ід=(3…10)І_б0 , где І_б0=І_к0/h_21э

Ід=35,25 (мА)

 

Определим номиналы резисторов Rэ, Rб1 и Rб2:

Rэ=U_Rэ/( І_к0+ І_б0),

Rэ=1,2/(0,47+0,01175)=2,49 (Ом)

 

Rб1= Ua/ Ід,

Rб1=1,9/0,03525=53,9 (Ом)

 

Rб2=(Eп-Ua)/( Ід+ І_б0),

Rб2=(6-1,9)/(0,03525+0,01175)=87,2 (Ом)

 

Сэ=75пФ – справочное значение

 Исходя из этих данных находим R₁₂:

R₁₂=

R₁₂= =33,31 (Ом)

 

Найдем Rвх:

 Rвх=

Rвх= =32,11 (Ом)

 

Исходя из этих данных можно определить Rэкв:

Rэкв= = =2,31 (Ом)

Зная Rэкв можно определить Rк:

Rэкв= ,

51,59Rк=124,509

Rк=2,41 (Ом)

 

Рассчитаем Rф и Сф:

При параллельном включение  фильтрующей цепи ее номиналы определяются из следующих соотношений:

Rф= ,

Сф= ,

где Е_{к ок} – напряжение источника питания оконечного каскада,

Rф=(15-6)/(0,47+0,03525+0,01175)=17,4 (Ом)

Сф=(10…20)/(2·3,14·100·17,4)=1,83 (мФ)

 

Определим коэффициент  усиления каскада:

S₀=Н21э/(r_б+(1+Н21э)*( r_э+Δr)),

S₀=40/(833+(1+40)(0,053+1,5))=0,044

 

К₀=S₀*Rэкв

Ко=0,044·2,31=0,1

 

 

4.4 Оценка  нелинейных искажений.

Построим сквозную характеристику:

Rс=(2÷5)Rвх=(2÷5)·32,11=(64,22÷160,55) (Ом).

Выберем Rс=120 (Ом)

Данные для построения сквозной характеристики приведены  в таблице2.

 

Таблица 2 - Данные для построения сквозной характеристики:

Іб, мА	Ік, мА	Uбэ, В	Іб· Rс, В	Ес= Іб· Rс+ Uбэ, В
1	300	0,65	0,12	0,77
5	470	0,7	0,6	1,3
10	680	0,78	1,2	1,98
15	800	0,82	1,8	2,62
20	950	0,9	2,4	3,3

 

Полученная сквозная характеристика изображена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Сквозная характеристика.

 

По сквозной характеристике определяем коэффициент  гармоник:

Кг=100·

І_m1= (мА)

І_m2= (мА)

І_m3= (мА)

І_m4= (мА)

 

Значит Кг=100· %

 

 

 

 

 

 

5. Особенности расчета входного каскада.

 

Обычно  от входного каскада  требуется обеспечение заданного  входного сопротивления усилительного  устройства. Значение входного сопротивления  каскада с ОЭ обычно составляет величину в несколько сотен Ом. Схема входного каскада представлена на рисунке 9.

 

Рисунок 9 – Входной каскад.

Аналогично промежуточному каскаду находим Rн:

Rн=Rвх промежуточного каскада, Rн=32,11.

 

Значит аналогично выберем транзистор:

Uвыхмах=U′выхмах/ К′₀

Uвыхмах=2,6/0,1=26В

 

Uкэмах>(2…3)Uвыхмах,

Uкэмах>26·3=78В;

 

Ікмах>(2…3) Uвыхмах/Rн,

Ікмах>2·26/32,11=1,6А.

 

Исходя из этих предельных параметров возьмем  транзистор КТ816Г.

 

5.1. Расчет требуемого режима транзистора.

Выберем источник питания Еп для входного каскада:

Еп не должно превышать значения 78В и должно соответствовать рекомендованному ряду:

Еп=(5; 6; 6,3; 9; 10; 12; 12,6; 15; 20; 24; 27; 30; 36)В 

Исходя  из этого возьмем  значение Еп=12,6В.

 

Построим входную  и  выходную характеристики транзистора КТ816Г:

    

Рисунок 10 – Входные и выходные динамические характеристики.

 

Ток коллектора в рабочей точке:

Ік0=1,2А

 

Напряжение коллектор-эмиттер в рабочей точке:

Uкэ0=10В

                   

5.2. Расчет основных характеристик входного каскада.

Расчет проводим аналогично расчету выходного каскада

τ_ос=1/2πf_гр

τ_ос=1/(2·3,14·3·10⁶)=0,05·10^-6;

 

r_б= τ_ос/Ск

r_б= 0,05·10^-6/(60·10^-12)=833 Ом

 

Δr=(1,5…2,0) Ом

 

I_б0=І_к0/h21=1,2/25=0,048 (А)

 

 

Iэ=I_к0+I_б0

Iэ=48+1200=1248 (мА);

 

r_э=25,6/Іэ

r_э=25,6/1248=0,02 (Ом)

 

Исходя из этих данных:

 

Rвхт=r_б+(1+h21)(r_э+Δr)

Rвхт=833+(1+25)(0,02+1,5)=872,52 (Ом)

 

5.3 Расчет цепей питания.

 

U_Rэ= (0,1…0,2)Еп

U_Rэ=0,2·12,6=2,52 (В)

 

Определим потенциал  в точке а:

Ua=U_Rэ+U_бэ0 ,

Ua=2,52+0,8=3,32 (В)

 

Зададимся током  делителя, образованного резисторами Rб1 и Rб2:

Ід=(3…10)І_б0 , где І_б0=І_к0/h_21э

Ід=144 (мА)

 

Определим номиналы резисторов Rэ, Rб1 и Rб2:

Rэ=U_Rэ/( І_к0+ І_б0),

Rэ=2,52/(0,048+1,2)=2,019 (Ом)

 

Rб1= Ua/ Ід,

Rб1=3,32/0,144=23,05 (Ом)

 

Rб2=(Eп-Ua)/( Ід+ І_б0),

Rб2=(12,6-3,32)/(0,144+0,048)=48,3 (Ом)

 

Сэ=115пФ – справочное значение

 Исходя из этих данных находим R₁₂:

R₁₂=

R₁₂= =15,6 (Ом)

 

Найдем Rвх:

 Rвх=

Rвх= =15,3 (Ом)

 

Исходя из этих данных можно определить Rэкв:

Rэкв= = =2,6 (Ом)

Зная Rэкв можно определить Rк:

Rэкв= ,

Rк=2,93 (Ом)

 

Рассчитаем Rф и Сф:

Rф= , где Екок – питание промежуточного каскада

Сф= ,

Rф=(15-12,6)/(1,2+0,144+0,048)=1,72 (Ом)

Сф=(10…20)/(2·3,14·100·1,72)=1,85 (мФ)

 

Определим коэффициент  усиления каскада:

S₀=Н21э/(r_б+(1+Н21э)*( r_э+Δr)),

S₀=25/(833+(1+25)(0,02+1,5))=0,028

 

К₀=S₀*Rэкв

Ко=0,028·2,93=0,08

 

5.4 Оценка нелинейных искажений.

Построим сквозную характеристику:

Rс=(2÷5)Rвх=(2÷5)·15,3=(30,6÷76,5) (Ом).

Выберем Rс=70 (Ом)

Данные для построения сквозной характеристики приведены  в таблице3.

Таблица 3 - Данные для  построения сквозной характеристики:

Іб, мА	Ік, мА	Uбэ, В	Іб· Rс, В	Ес= Іб· Rс+ Uбэ, В
0,5	600	0,65	0,035	0,685
1	950	0,7	0,07	0,77
5	1200	0,8	0,35	1,15
10	1450	0,9	0,7	1,6
15	1600	1	1,05	2,05

 

Полученная сквозная характеристика изображена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Сквозная характеристика.

 

По сквозной характеристике определяем коэффициент гармоник:

Кг=100·

І_m1= (мА)

І_m2= (мА)

І_m3= (мА)

І_m4= (мА)

 

Значит Кг=100· %

 

 

 

 

 

 

6. Определим номиналы разделительных емкостей схемы.

Ср= ,

Rл – сопротивление, стоящее слева от Ср, Rп – сопротивление, стоящее справа от Ср.

М′_н=М_н/N, М_н – в разах, N – количество Ср в схеме.

М′_н=3/4=0,75дБ,

М′_н=10^0,75/20=1,09 раз

 

Исходя из этого:

Ср1= (Ф)

Ср2= (Ф)

Ср3= (Ф)

Ср4= (Ф)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Список литературы.

1. А.С. Красько. Аналоговые электронные  устройства. Методическое указание  к курсовому проектированию.

2. А.С. Красько. Схемотехника аналоговых электронных устройств.

3. Г.В. Войшвилло. Усилительные  устройства.

4. Л.В. Кропочева. Усилительные  устройства.

5. А.В. Бердников, М.В.  Семко. Проектирование и расчет  мощности низкой частоты.

6. В.И. Галкин, А.Л. Булычев,  П.М. Лямин. Полупроводниковые  приборы. Транзисторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Заключение.

 

Выполненная курсовая работа представляет собой расчет усилителя  мощности на биполярных транзисторах.

В ходе работе выполнен  полный  электрический  расчет   усилителя,  разработан  конструктивный чертеж  устройства.

Выходной каскад содержит трансформатор.

Трансформаторные усилители мощности имеют небольшой КПД за счет оптимального согласования с нагрузкой с помощью трансформатора .

Данный каскад находит  ограниченное применение в современной  схемотехнике из-за ряда существенных недостатков:

-малое КПД

-большие частотные  искажения за счет трансформатора

-большие нелинейные  искажения за счет тока подмагничивания  трансформатора

-невозможность реализации  в виде интегральных микросхем.