Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1. Расчёт выходного каскада усилителя мощности (ВК)

1.1 Рассчитываются амплитудные максимальные значения тока и напряжения транзисторов и приёмного устройства:

,

,

,

.

1.2. Выбираются комплементарные транзисторы с учётом следующих условий:

где , -- максимально допустимые значения тока коллектора , напряжения коллектор-эмиттер транзистора .

,

,

.

Выбираем транзисторы

Таблица 1. Основные параметры комплементарных транзисторов КТ816А- КТ817А

Тип VT	(h21э)	, мА	, МГц	, В	, А	, А	, Вт	, С
КТ816А	25	1.0	3	25	3,0	1.0	25	150
КТ817А	25	1.0	3	25	3,0	1.0	25	150

где статический коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ;

обратный ток коллектора;

граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ;

максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер;

максимально допустимый постоянный ток коллектора;

максимально допустимый постоянный ток базы;

максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора при температуре корпуса (с теплоотводом);

максимально допустимая температура структуры.

1.3. Рассчитывается поверхность теплоотдачи охладителя из условия допустимого нагрева полупроводниковой структуры транзистора при максимальной мощности Р_k.max , рассеиваемой его коллектором , см².

,

где S_охл. площадь теплоотдачи охладителя,

Т_ст.доп. - максимально допустимая температура структуры ,Т_ст.доп.=125 С ,

Т_о.ср.- температура окружающей среды,

Т_о.ср.= +25 С ,

K_Т= (0,6…1,5) мВт/(см²С)-коэффициент теплопередачи от охладителя в окружающую среду, принимаем среднее значение;

K_Т=1 мВт/(см²С).

,

,

.

Принимаем .

1.4. На семействе выходных ВАХ строится линия нагрузки (ЛН), проходящая через точки П и А. Точка П характеризует режим работы транзистора по постоянному току, когда U_вх=0 (режим покоя), а точка А-- динамический режим при максимальном входном напряжении. При работе ВК в режиме В точка П лежит на выходной ВАХ при токе базы I_б=0. Положения точек П и А определяются координатами соответственно:

где I_кэо- обратный ток коллектор-эмиттер транзистора (в инженерных расчетах ток принимают равным 0);

I_кбо- обратный ток коллектор-база транзистора;

- статический коэффициент передачи тока базы;

U_кэ.min - минимальное мгновенное напряжение коллектор-эмиттер.

Напряжение должно отсекать нелинейную часть выходной ВАХ при в области малых коллекторных напряжений с целью уменьшения нелинейных искажений усиливаемого сигнала. Из этого условия выбирается:

,

где - напряжение насыщения коллектор-эмиттер при токе I_н.m.max, определяемое по выходной ВАХ.

Принимаем .

Подставив численные значения, вычисляем координаты точек А и П.

Через т.А не проходит ветвь выходной ВАХ.Ток базы определяем по формуле:

,

где принимается равным для точки, расположенной на ближайшей известной ветви ВАХ при том же напряжении .

При максимальном входном сигнале ток базы изменяется от 0 до I_б.m.max.

При этом рабочая точка перемещается по ЛН между точками П и А.

По току находится положение точки А' на входной ВАХ и напряжение U_бэ.m.max при амплитудном значении максимального входного сигнала.

Рисунок 2. Графический анализ и расчет ВК.

Рисунок 3. Графический анализ и расчет ВК.

1.5. Рассчитывается напряжение источника питания

,

.

Принимаем .

Для этого необходимо скорректировать линию нагрузки (пунктир на выходной ВАХ).

1.6. Рассчитывается КПД каскада

,

где максимальная потребляемая мощность ВК.

максимальный средний за период ток коллектора.

.

.

.

.

Если принять нестандартный источник питания :

Из расчетов видно, что выбор нестандартного источника питания лишь немного повышает КПД, поэтому целесообразнее выбрать стандартный источник питания .

1.7. Рассчитывается входное сопротивление каскада.

,

где r_вх - входное динамическое сопротивление транзистора

,

где , - приращения напряжения база-эмиттер и тока базы , определяемое по входной ВАХ транзистора при максимальном входном сигнале.

.

Ом,

_д- динамический коэффициент передачи тока базы

,



;

1.8. Рассчитываются максимальные значения входного напряжения и тока выходного каскада.

U_{вх.m.max.вк}=U_бэ.m.max+U_н.m.max,

;

.

1.9. Рассчитываются коэффициенты усиления напряжения, тока, мощности каскада.

,

;

;

;

;

.

2. Расчёт предусилителя

2.1. Выбирается операционный усилитель (ОУ) исходя из условий:

где выходное амплитудное максимальное напряжение ОУ;

минимально допустимое сопротивление нагрузки ОУ из условия максимально допустимого выходного тока при номинальном выходном напряжении. Максимальное выходное напряжение ОУ принимается равным:

,

где - напряжение источника питания().

Максимальное рабочее выходное напряжение ОУ:

Максимальный рабочий ток ОУ:

(1)

Первое условие не выполняется, но расхождение незначительное () это допустимо.

(2)

Второе условие выполняется.

Исходя из условий (1) и (2) выбираем ОУ KР1408УД1

Диапазон напряжений питания (7…40)В.

Принимаем U_П=40 В, тогда U_2m.max=40-2=38 В.

Таблица 2. Параметры ОУ KР1408УД1.

KD	70000	Коэффициент усиления по напряжению
f1, МГц	0.5	Частота единичного усиления
UП, В	40	Напряжение источника питания
IП, мА	5	Потребляемый ток
U2m.max , В	38	Максимальная амплитуда выходного напряжения
Uсм, мВ	8	Напряжение смещения
I1, нА	40	Входной ток
I1, нА	10	Разность входных токов
RD вх, МОм	1	Входное сопротивление
RD вых, Ом	25	Выходное сопротивление
Uсм/Т, мкВ/град	10	Температурный дрейф напряжения смещения
VU, В/мкс	1,5	Скорость нарастания выходного напряжения
Kсф, дБ	70	Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Uсф.max , В	21	Максимально допустимое напряжение синфазного сигнала
R2н.min, кОм	0.2	Минимально допустимое сопротивление нагрузки

2.2 Рассчитываются параметры резисторов, и производится их выбор

Сопротивление резистора R2 принимается равным:

Сопротивление резистора R3 рассчитывается по формуле



-- необходимый коэффициент усиления напряжения.

.

Сопротивление резистора R₁ рассчитывается по формуле

Мощность энергии, выделяемой в каждом резисторе:

Максимальная мощность будет выделяться в резисторах при минимальных значениях сопротивлений:

Выбираем резисторы, исходя из условий:

,

где , - номинальные сопротивление и мощность рассеивания резисторов,

, - расчетные значения сопротивления и мощности.

Запишем выбранные резисторы:

R1--P1-4-0.25-1 кОм 5 %,

R2--P1-4-0.25-1 кОм 5 %,

R3--P1-4-0.25-100 кОм 5 %.

Расшифруем запись типа резистора:

Р - резистор постоянный;

1 - непроволочный;

4 - регистрационный номер конкретного типа резистора;

0,25 - номинальная мощность в ваттах;

1;100 кОм - номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения;

±5% - допустимое отклонение сопротивления резистора от номинального в процентах.

2.3 Рассчитываются параметры элементов УМ, обеспечивающих пропускание заданной полосы частот усиливаемого сигнала.

Ёмкость разделительного конденсатора С рассчитывается из условия допустимого частотного искажения на частоте f_н:

Максимальное мгновенное напряжение на конденсаторе определяется максимальным амплитудным входным напряжением.

Тип конденсатора выбирается из условий:

Выбираем конденсатор K73 -31-5 B-1 мкФ20% (ГОСТ 11076-69).

Конденсатор предназначен для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего тока.

Расшифруем запись типа конденсатора:

К - конденсатор постоянной емкости;

73- неполярный;

31 - порядковый номер разработки;

5 В - номинальное напряжение в вольтах;

1 мкФ - номинальная емкость;

20% - допустимое отклонение емкости в процентах.

Частотное искажение на верхней граничной частоте f_в полосы пропускания будет оставаться в допустимых пределах, если

,

где f_в.оу - верхняя граничная частота полосы пропускания ОУ.

Для ОУ с отрицательной обратной связью верхняя граничная частота, при которой его коэффициент частотных искажений снижается до, определяется равенством:

,

где K_u.ос- коэффициент усиления по напряжению ОУ с отрицательной ОС; частота единичного усиления ОУ.

,

.

3000<4950,5

значит, частотное искажение находится в допустимых пределах.

Параметры выбранных элементов УМ обеспечивают заданную полосу пропускания УМ.

2.3 Расчет основных параметров УМ.

Входное сопротивление УМ равно практически сопротивлению резистора , т.к. входное сопротивление ОУ очень большое:

Входной ток:

,

где максимальное входное напряжение.

Мощность входного сигнала:

Выходное сопротивление УМ согласно метода «Эквивалентного генератора» равно:

,

где R_{вых.оу.ос} - выходное сопротивление ОУ с ОС.

,

где K_u.оу - коэффициент усиления по напряжению ОУ без ОС,

R_вых.оу - выходное сопротивление ОУ без ОС,

K_ос - коэффициент обратной связи



.

.

Коэффициенты усиления тока, напряжения, мощности:

Коэффициент полезного действия:

 ,

где P_{пот.max.оу} - максимальная мощность, потребляемая ОУ;

максимальная потребляемая мощность ВК.

3. Расчет стабилизированного блока питания (БП)

ток транзистор сопротивление напряжение мощность

3.1 Расчет основных параметров выпрямителя

Минимальное значение выходного напряжения выпрямителя:

,

где - минимальное напряжение на транзисторе VT3; принимаем с запасом ; Предварительно задаются напряжением . Принимаем среднее значение из промежутка:

- падение напряжения на реакторе фильтра.

Выбираем

При заданной мощности в нагрузке .

;

.

Номинальное значение выходного напряжения выпрямителя с достаточной для практических целей точностью можно принять:

.

Максимальное значение выходного напряжения выпрямителя будет в режиме холостого хода и максимальном напряжении питающей сети. Поэтому максимальное изменение выходного напряжения выпрямителя будет равно:



.

Отсюда:

.

Расчет основных параметров трансформатора:

При работе выпрямителя в режиме непрерывного тока номинальное напряжение вторичной полуобмотки трансформатора равно:

.

Коэффициент трансформации трансформатора:

.

где напряжение сети; первичная обмотки трансформатора; вторичные обмотки соединенные последовательно и согласно. Действующее значение тока вторичной обмотки при активно-индуктивной нагрузке:

,

- среднее значение тока, потребляемого нагрузкой БП.

Действующее значение тока первичной обмотки:

.

Номинальные мощности обмоток типовая (габаритная) мощность трансформатора:

,

,



.

Расчёт параметров диодов выпрямителя и их выбор:

Среднее значение тока диода:

.

Максимальное обратное напряжение на диодах:

.

Выбор диода проводится по справочно-информационной литературе, с учётом следующих неравенств:



Исходя из условий выбираем диод КД202Ж:

Таблица 3. Параметры диода КД202Ж.

300	5	0,8	30

максимальное обратное импульсное напряжение на диоде;

прямой средний за период максимальный ток диода;

обратный максимальный ток диода;

прямой импульсный максимальный ток диода.

3.2 Расчёт основных параметров сглаживающего фильтра.

Коэффициент сглаживания фильтра:

.

где , - коэффициент пульсаций напряжения на входе и на выходе фильтра.

Произведение индуктивности реактора на емкость конденсатора фильтра:

,

где индуктивность реактора и емкость конденсатора фильтра; - частота основной гармоники напряжения .

;

.

Ёмкость конденсатора фильтра:

,

где номинальное выходное напряжение фильтра.

,

,

.

По справочно-информационной литературе выбираем тип конденсатора с учётом следующих неравенств:



,

где максимальное напряжение на выходе фильтра в режиме холостого хода.

где допустимая амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе; максимальная амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе.

Выбираем конденсатор:

К50-32-100В-1000мкФ ±20%, так как:

Индуктивность реактора фильтра:



Проверка индуктивности реактора фильтра на минимально допустимое значение из условия обеспечения индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, при которой внешняя характеристика блока питания будет жесткой, а ток непрерывным.

Проверка параметров фильтра на отсутствие резонанса:

3.3 Расчет стабилизатора

3.3.1 расчет параметров регулирующего транзистора VT3 и его выбор

Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3 будет при максимальном напряжении питающей сети в режиме холостого хода.

,

где максимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3.

Максимальный средний ток коллектора транзистора:

Максимальная мощность, рассеиваемая в транзисторе, будет при и максимальном токе . При этом выходное напряжение выпрямителя равно:

где - падение напряжения на диоде выпрямителя, для кремниевого диода , принимаем среднее значение

- снижение напряжения , вызванное падением напряжения на трансформаторе; падение напряжения на вторичной обмотке трансформатора при максимальном напряжении сети . Зависимость падения напряжения в процентах на обмотках маломощных трансформаторов от мощности приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость для маломощных трансформаторов.

Из графика определяем: .

;

;

.

Таким образом, максимальная мощность, выделяемая в VT3, равна:

,

.

По справочно-информационной литературе, выбираем тип транзистора с возможно большим коэффициентом с учетом следующих условий:

Для увеличения коэффициента стабилизации напряжения выберем составные транзисторы КТ8115В-КТ8116В с большим коэффициентом напряжения.

Условия выполняются. Транзистор подходит по параметрам.

Таблица 5. Основные параметры транзисторов КТ8115В-КТ8116В.

Тип VT		, мА	, МГц	, В	, А	, Вт	, С
КТ8115В	1000	2	8	60	5	65	125
КТ8116В	1000	2	8	60	5	65	125

где статический коэффициент передачи тока базы в схеме ОЭ;

обратный ток коллектора;

граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ;

максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер;

максимально допустимый постоянный ток коллектора;

максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора при температуре корпуса (с теплоотводом);

максимально допустимая температура структуры.

3.3.2 Расчет параметров стабилитрона и балластного резистора

Номинальное напряжение стабилитрона:

,

где напряжение на эмиттерном переходе транзистора, которое определяется по входной ВАХ.



Номинальное напряжение стабилитрона:

По справочно-информационной литературе выбираем тип стабилитрона с возможно меньшим динамическим сопротивлением и с соблюдением следующих условий:

(12)

(13)

условие (12) выполняется.

условие (13) выполняется.

Выбираем стабилитрон Д816Г. Стабилитрон кремниевый планарный средней мощности. Предназначен для стабилизации номинального напряжения в диапазоне от 35 В до 43В. выпускается в металлическом корпусе с жесткими выводами. Корпус стабилитрона в рабочем режиме служит отрицательным электродом( катодом).

Масса стабилитрона с комплектующими деталями не более 6 г.

Таблица 6. Параметры стабилитрона Д816Г.

Стабилитрон
Д816Г	40	12	130	10

номинальное напряжение стабилизации;

мощность, рассеиваемая стабилитроном.

динамическое сопротивление стабилитрона;

максимальный и минимальный ток стабилитрона при четком напряжении пробоя.

Резистор R5 задает уровень тока через стабилитрон. Обычно сопротивление резистора выбирают таким, чтобы рабочее значение минимального тока стабилитрона равнялось:

Отсюда:

,

минимальное напряжение на входе фильтра.

Максимальная мощность, выделяемая на резисторе:

максимальное напряжение на выходе фильтра.

Принимаем номинальное сопротивление резистора из условия:

условие выполняется.

Выбираем резистор R5-С2-14-2-180 Ом

Расшифруем запись типа резистора:

С2-14 - резистор с металлодиэлектрическим и металлооксидным слоем предпазначен для работы в высокочастотных электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

2- номинальная мощность в ваттах;

180 Ом - номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы измерения;

5% - допустимое отклонение сопротивления резистора от номинального в процентах.

Проверяем стабилитрон на максимальный и минимальный токи и максимальную мощность:



Условия выполняются.

3.3.3 Расчёт динамических параметров и коэффициента полезного действия стабилизатора:

Коэффициент стабилизации:

где номинальное напряжение на выходе фильтра.

Выходное сопротивление стабилизатора:

Коэффициент полезного действия стабилизатора:



Размещено на Allbest.ru