Безтрансформаторний підсилювач потужності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Незважаючи на колосальний прогрес у розвитку цифрових технологій цифрова техніка не може обійтися без аналогової, оскільки в реальному світі не існує цифрових сигналів. Тому дисципліна «Пристрої аналогової електроніки» є однією з базових дисциплін, які вивчаються при підготовці фахівців з електроніки.

В коло схем, які вивчаються у дисципліні, потрапляють - схеми підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах, каскади підсилення потужності, операційні підсилювачі та схеми на їх основі, генератори коливань на транзисторах та операційних підсилювачах, обмежувачі сигналів та ін. Окремим напрямком можна виділити підсилювачі потужності аналогових сигналів, які досить широко застосовуються в техніці, особливо пов'язаній з звуковідтворенням.

Метою курсового проектування є поглиблення знань в області створення багатокаскадних підсилювачів потужності, принципів сумісного функціонування та поєднання каскадів, засвоєння методик розрахунку при проектуванні підсилювачів потужності, вивчення елементної бази, закріплення навичок роботи з технічною та довідниковою літературою. [1]



1. Безтрансформаторний підсилювач потужності

Історично склалося так, що в транзисторних підсилювачах низької частоти (ПНЧ) для узгодження вхідного опору транзисторних каскадів з опором джерела вхідного сигналу та вихідного опору каскадів з низьким опором навантаження використовувались трансформатори. Від якості використовуваних трансформаторів залежала якість звуковідтворення. Конструктивно трансформатори були складні і мали високу вартість, при цьому маса та розміри залишались досить великими. Тому логічним бажанням фахівців було замінити трансформатори на якісь інші елементи або розробити нові схеми підсилювальних каскадів. Поява потужних біполярних транзисторів та електролитичних конденсаторів великої ємності призвела до можливості розробки потужних ПНЧ без трансформаторів, що дало можливість суттєво зменшити нелінійні, частотні, фазові та перехідні викривлення.

Схема одного з варіантів безтрансформаторного підсилювача потужності наведена на рисунку 1.1. До переваг наведеної схеми можна віднести живлення підсилювача від одного джерела живлення, підключення навантаження незалежно від «загальної» точки схеми, використання однотипних транзисторів у вихідному каскаді. Підсилювач потужності складається з трьох каскадів:

· вихідного каскаду (на транзисторах VT4, VT5);

· каскаду попереднього підсилення (на транзисторах VT2, VT3);

· вхідного каскаду (VT1).

Вихідний каскад є двотактним, створений на транзисторах VT4, VT5 однакового типу провідності (р-n-р), які працюють в режимі АВ. Для керування вихідним каскадом такого типу потрібно на його входах мати два сигнали, зрушені один від одного по фазі на 180 ел. град. Це досягається за рахунок використання каскаду попереднього підсилення - на комплементарних транзисторах VT2, VT3 різного типу провідності VT2 (р-n-р), VT3 (n-р-n), який є фазоінверсним каскадом. За допомогою резисторів R4, R5 забезпечується початкове зміщення робочих точок на характеристиках транзисторів VT4, VT5 у режимі спокою (при відсутності сигналу на вході підсилювача). Транзистори VT2, VT3 також, як і транзистори вихідного каскаду, працюють в режимі АВ.

підсилювач конденсатор безтрансформаторний резистор

Рисунок 1.1. Схема безтрансформаторного підсилювача потужності

Якщо провести розглядання схеми з «іншого боку», то транзистори VT2, VT4 утворюють подвійний емітерний повторювач (квазікомплементарний каскад Дарлінгтона), а транзистори VT3, VT5 - еквівалентну n-p-n структуру (схема Шіклаї). Незважаючи на неоднаковість побудови схемних частин підсилювача, асиметрія не призводить до появи значних нелінійних викривлень внаслідок присутності від'ємного зворотного зв'язку. Температурна компенсація складених транзисторів забезпечується за рахунок терморезистора RK (замість терморезистора можливе використання прямо-зміщеного р-n переходу, тобто одного або декількох діодів), крізь який протікає струм емітеру транзистору VT1.

Вхідний каскад підсилювача виконаний на транзисторі VT1 по схемі зі спільним емітером, який працює у режимі А. Резистор R3 в емітерному ланцюзі транзистору є елементом від'ємного зворотного зв'язку, який забезпечує стабільність робочої точки, незмінність характеристик при зміні транзистору та підвищує вхідний опір каскаду. Резистори R1, R2 задають початкове зміщення робочої токи на характеристиках VT1 у режимі спокою. Конденсатор С1 забезпечує відділення постійної складової вхідного сигналу. Резистор R6 є ланцюгом послідовного зворотного зв'язку по живленню.

Для відділення навантаження від постійної складової на виході підсилювача встановлено конденсатор С2. Цей конденсатор може мати досить велику ємність і зазвичай є електролітичним. За рахунок попереднього зміщення транзисторів вихідного каскаду (режим АВ). конденсатор С2 заряджений до напруги Ек / 2, а в цьому разі напруга в точці «А» схеми, яка зображена на рисунку 1.1, становить відносно «загальної» точки величину + Ек / 2. Слід також зазначити, що величина напруги на колекторі транзистору VT1 відносно «загального» точки буде складати майже величину Ек / 2. [1,6]



2. Розрахунок підсилювача потужності

Вихідні данні до розрахунку підсилювача потужності наведені у таблиці 2.1 та містять наступні величини:

- потужність навантаження, Вт;

- опір навантаження, Ом;

- коефіцієнт нелінійних викривлень на низьких частотах, в.о.;

- коефіцієнт нелінійних викривлень на високих частотах, в.о.;

- нижня частота підсилюваного сигналу, Гц;

- верхня частота підсинюваного сигналу, Гц;

Таблиця 2.1. Вихідні данні

, Вт	, Ом	=	, Гц	, Гц
85	8	1.25	90

Згідно зі схемою, наведеною на рисунку 1.1, підсилювач потужності складається з трьох каскадів:

· вхідного каскаду, виконаного по схемі підсилювача з спільним емітером (VT1);

· каскаду попереднього підсилення, виконаного по схемі фазоінверсного каскаду (VT2, VT3);

· вихідного двотактного каскаду (VT4, VT5).

Розрахунок підсилювача виконується покаскадно у зворотній послідовності та має таку структуру:

· розрахунок вихідного каскаду;

· розрахунок каскаду попереднього підсилення;

· розрахунок вхідного каскаду;

· обрання елементів схеми.



2.1 Розрахунок вихідного каскаду

1) Амплітуда змінної складової напруги на навантаженні дорівнює амплітуді змінної складової на колекторі транзистора VT4

2) Для розрахунку величини напруги джерела живлення (ДЖ) треба визначити величину залишкового падіння напруги «колектор-емітер» на транзисторі кінцевого каскаду. Це визначення виконується по вихідним статичним характеристикам для схеми спільний емітер (СЕ) орієнтованого транзистору для вихідного каскаду таким чином, щоб робоча точка не виходила в нелінійну частку характеристики. Орієнтовно можна вважати, що залишкова напруга в залежності від ступеню насичення складає

Тоді напруга джерела живлення

3) Амплітуда змінної складової струму колектора транзисторів вихідного каскаду (VT4, VT5)

4) Для подальших розрахунків треба попередньо обрати тип транзисторів вихідного каскаду. Це можна зробити за наступними величинами:

· амплітудою змінної складової струму колектора (при обранні транзистора за струмом треба враховувати, що при відсутності змінної складової є початковий струм колектора для реалізації режиму класу АВ);

· напругою колектор-емітер, яка дорівнює ;

· потужністю розсіювання на колекторі;

За вказаними розрахунковими даними обираємо кремнієвий транзистор p-n-p типу КТ818АМ з наступними параметрами:

· потужність розсіювання з тепловідводом

· постійний струм колектора

· постійна напруга колектор-емітер

· за вказаною в довіднику [2] залежністю коефіцієнта передачі струму бази в схемі СЕ від струму колектора транзистора, знаходимо величину , приймаючи, що максимальне значення струму колектора дорівнює амплітуді змінної складової струму колектора. Тоді за графіком, зображеним на рисунку 2.1, для струму знаходимо

·

Рисунок 2.1. Залежність статичного коефіцієнта передачі струму від струму колектора



5) Обчислимо амплітуду змінної складової струму бази

6) Обираємо струм колектору спокою таким, щоб він дорівнював зворотному струму колектор-емітер обраного транзистору. Зворотній струм база-колектор для КТ818АМ знаходимо з [2] (обираємо найбільшу величину, яка відповідає більшій температурі) - при температурі 100 С дорівнює в струм колектор-емітер отримуємо

7) Розраховуємо струм бази спокою

8) Середнє значення струму, який споживається від джерела живлення вихідним каскадом

9) Потужність, яка споживається вихідним каскадом при номінальній потужності у навантаженні

10) Потужність розсіювання на колекторі одного транзистору вихідного каскаду (VT4)

Перевіряємо потужність розсіювання на колекторі обраного транзистору КТ818АМ - за довідниковими даними вона становить 100 Вт при установці транзистора на охолоджувач, тому вважаємо, що тепловий режим роботи транзистора не порушується.

11) За вхідною характеристикою транзистора визначаємо його диференційний вхідний опір на робочому участку. Відмічаємо на характеристиці (рисунок 2.2) струм бази спокою і додаємо до нього амплітуду змінної складової . По точках перетину знаходимо напругу бази спокою та амплітуду змінної складової напруги на базі

Рисунок 2.2. Вхідна характеристика КТ818 та величини базових струмів і напруг



Тоді вхідний опір

12) Визначаємо опір резисторів, на яких утворюється падіння напруги у режимі спокою транзисторів вихідного каскаду.

13) Уточнюємо значення змінної складової вхідного струму вихідного каскаду з урахуванням шунтуючої дії резисторів та :

14) Таким чином розрахунок вихідного каскаду закінчено, отримані дані для розрахунку проміжного каскаду. Струм бази спокою транзистора кінцевого каскаду дорівнює , змінна складова вхідного струму кінцевого каскаду

2.2 Розрахунок каскаду попереднього підсилювання

1) Визначаємо струм колектора спокою для транзисторів VТ2 і VТ3, який складається зі струму бази спокою VТ4 та струму через резистор (рисунок 2.3):



Рисунок 2.3. Частина схеми до пояснення розрахунку струму спокою

2) Амплітуда змінної складової струму колектора VТ2 дорівнює амплітуді змінної складової базового струму VТ4:

3) Амплітуда змінної складової напруги на колекторі транзистора VT2:

4) Середній струм, який споживається від джерела живлення каскадом попереднього підсилювання:

5) Потужність, яка споживається каскадом попереднього підсилювання при номінальній потужності у навантаженні

6) Потужність розсіювання на колекторі одного транзистору каскаду попереднього підсилення



7) За розрахованими даними обираємо комплементарну пару КТ814-КТ815.

Параметри транзистору КТ814A визначаємо з [2]:

· потужність розсіювання з тепловідводом

· постійний струм колектора

· постійна напруга колектор-емітер

· за вказаною в довіднику [2] залежністю коефіцієнта передачі струму бази в схемі СЕ від струму колектора транзистора, знаходимо величину , приймаючи, що максимальне значення струму колектора дорівнює амплітуді змінної складової струму колектора. Тоді за графіком, зображеним на рисунку 2.4, для струму знаходимо

Рисунок 2.4. Залежність статичного коефіцієнта передачі струму від струму колектора

8) Струм бази спокою VT2



9) Амплітуда змінної складової струму бази VT2

10) За вхідною характеристикою транзистора визначаємо відповідні величини напруг на базі транзистору VT2 у режимі спокою та при наявності змінної складової. Відмічаємо на характеристиці (рисунок 2.5) струм бази спокою і додаємо до нього амплітуду змінної складової . По точках перетину знаходимо напругу бази спокою та амплітуду змінної складової напруги на базі .

Рисунок 2.5. Вхідна характеристика КТ814 та величини базових струмів і напруг

2.3 Розрахунок вхідного каскаду

1) При виконанні розрахунку вхідного каскаду треба обрати транзистор VT1 та розрахувати елементи для забезпечення режиму його роботи. Для забезпечення режиму транзистору VТ1 за постійним струмом потрібно задати для нього струм колектору спокою та відповідно напругу колектору спокою . Згідно зі схемою та з урахуванням того, що напруга на колекторі VТ1 відносно «загальної» точки дорівнює майже, напруга спокою має дорівнювати:

Для обмеження негативної дії від'ємного зворотного зв'язку треба обмежити падіння напруги на резисторі на рівні не більше 0.1.

Оскільки каскад живиться від напруги , приймаймо

2) Оскільки напруга дорівнює напрузі можемо розрахувати напругу спокою

3) Струм колектору спокою має бути більше ніж амплітуда змінної складової вихідного струму каскаду (відповідно це амплітуда змінної складової струму бази VT2 ). Далі треба орієнтовно обрати транзистор VТ1. Для попереднього вибору максимальне значення струму колектору транзистору можна прийняти десь За отриманою величиною струму та напругою на колекторі обираємо транзистор КТ361В.

Параметри транзистору КТ361В визначаємо з [2]:

· потужність розсіювання з тепловідводом

· постійний струм колектора

· постійна напруга колектор-емітер

Струм колектору покою розрахуємо за наступною формулою

4) Перераховуємо у струм бази коефіцієнт підсилення обираємо з її по залежності від струму емітера. Для вказаного транзистору знаходимо

5) Перерахуємо змінну складову струму колектора у струм бази:

6) Тоді мінімальне і максимальне значення струму бази VТ1 відповідно:

На вхідній характеристиці транзистору (Рисунок 2.6) з відмічаємо розраховані точки та знаходимо величини відповідних напруг - напруга бази спокою , , .



Рисунок 2.6 - Вхідна характеристика КТ361

7) Таким чином величина резистору :

8) Розраховуємо вхідний дільник напруги, що задає потенціал зміщення на базі VТ1 у режимі спокою. Задаємо струм дільника напруги

Тоді величина резистору :



Величина резистору :

Опір паралельно з'єднаних резисторів та

Вхідний опір транзистору визначаємо за вхідною характеристикою (лінеаризуємо ВАХ):

Вхідний опір каскаду з урахуванням :

Загальний вхідний опір каскаду (з урахуванням вхідного дільника):



9) Величина резистору

10) Величина падіння напруги на резисторі

Падіння напруги на терморезисторі

При цьому струм через терморезистор

Для спрощення, щоб не обирати терморезистор можна поставити послідовно декілька діодів, щоб на них отримати розраховане падіння напруги при розрахованому струмі.

Обираємо діод КД103А. За його вольт-амперною характеристикою визначаємо, що при струмі мА падіння напруги на ньому складає 0.45В. Таким чином, кількість послідовно з'єднаних діодів дорівнює



2.4 Розрахунок конденсаторів

Загальні частотні викривлення треба розподілити по конденсаторах, які є в підсилювачі. Розподіл виконуємо рівномірно.

Оскільки опір транзисторів вихідного каскаду значно менший опору навантаження, то при розрахунку конденсатора опором транзисторів можна знехтувати. Тоді ємність конденсатору

Отримана величина узгоджується з теоретичними відомостями, оскільки вихідна ємність повинна бути досить великою.

Обираємо конденсатор - МБГЧ-1 1мкФх250В, - К50-68 330мкФх250В.

Розрахуємо вплив транзисторів на частотні викривлення. Знаходимо з довідника [2] граничну частоту передачі струму для транзисторів VТ4 и VТ2.

Для транзисторів КТ818 та КТ814 гранична частота дорівнює 3МГц. Звідси постійна часу

Частотні викривлення для транзисторів

,001

Тоді частотні викривлення, які вносять вихідним каскадом

2.5 Розрахунок потужності та вибір резисторів

Потужність, яка виділяється у резисторі, залежить від його опору та ефективного значення струму, що протікає крізь резистор:

Отже, для розрахунку втрат потужності у резисторах та їх вибору треба визначити струми, які протікають крізь відповідні резистори. При визначенні треба проаналізувати струми, які протікають у режимі спокою каскаду (режим по постійному струму) та у робочому режимі (режим по змінному струму) та виконати відповідне поєднання.

1) Крізь резистор протікає струм, який дорівнює сумі струм дільника та струму бази спокою транзистора VТ1 . Цей струм не змінюється при появі змінної складової. Тоді потужність у :



Обираємо резистор С2-23-104 75кОм±5%.

2) Крізь резистор протікає струм дільника . Цей струм не змінюється при появі змінної складової. Тоді потужність у

Обираємо резистор С2-23-0.062 3.7кОм±5%.

3) Струм у резисторі складається зі струму колектору спокою VТ1 (можна вважати, що струм емітера дорівнює струму колектора) та змінної складової струму колектора VТ1 .

Для обчислення ефективного значення струму використовуємо визначення з курсу теорії електричних кіл:

Розраховуємо потужність у резисторі :

Обираємо резистор С2-23-0.062 390Ом±5%.

4) Крізь резистор у режимі спокою протікає струм, який дорівнює різниці струму спокою колектору VT2 та струму бази спокою VT4. При появі змінної складової крізь резистор протікає струм, який утворюється є різницею змінної складової струму колектору VT2 та струму бази VT4.

Тоді ефективний струм дорівнює:

5) Розраховуємо потужність у резисторі :

Обираємо резистор С2-23-0.25 19Ом±5%. Резистор R5 обираємо такий самий.

6) Крізь резистор у режимі спокою протікає струм колектору транзистору VT1 . Оскільки є елементом зворотного зв'язку, можна вважати, що при появі змінної складової на навантаженні, напруга на обох його кінцях змінюється однаково, що не призводить до появи складової струму від змінної складової. Отже потужність у резисторі дорівнює



Обираємо резистор С2-23-0.25 57кОм±5%.



Висновок

В ході виконання курсового проекту проведені розрахунки парметрів елементів схеми безтрансформаторного підсилювача потужності. По завершенню розрахунків була побудована схема підсилювача потужності у програмному середовищі КОМПАС.

За допомогою розрахунків та довідкової літератури були визначені всі елементи схеми:

- Конденсатори

· С1 - МБГЧ-1 1мкФх250В;

· С2 - К50-68 330мкФх250В.

- Транзистори

· VT1 - КТ361В;

· VT2, VT3 - КТ814A-КТ815A;

· VT4, VT5 - КТ818АМ.

- Резистори

· R1 - С2-23-104 75кОм±5%;

· R2 - С2-23-0.062 3.7кОм±5%;

· R3 - С2-23-0.062 390Ом±5%;

· R4, R5 - С2-23-0.25 19Ом±5%;

· R6 - С2-23-0.25 57кОм±5%.

- Діоди

· VD1-VD5 - КД103А.

Слід зазначити, що в результаті розрахунків параметрів схеми безтрансформаторного підсилювача потужності були отримані результати, що не суперечать довідковим даним.



Список використаних джерел

1. Таранец А.В. Пристрої аналогової електроніки. Методичні вказівки до курсового проектування. - Запоріжжя 2010.

2. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - 2-е изд. перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1985 - 904 с., ил.

3. Сайт в Интернете «eandc.ru». МБГЧ-1, МБГЧ-2 конденсаторы металлобумажные высоковольтные импульсные [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.eandc.ru/news/detail.php? ID=22158

4. Сайт в Интернете «microelectronica.ru». Резистоы постоянные непроволочные C2-23 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.microelectronica.ru/reom/C2_23.html

5. Сайт в Интернете «chipdip.ru». КД103А, Диффузионный кремниевый диод [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.chipdip.ru/product/kd103a/

6. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: Энергия, 1967 - 615 с., ил.

Размещено на Allbest.ru