Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ МЕХАТРОНИКИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

Курсовая работа на тему:

« Расчёт усилителя низкой частоты »

Выполнил:

Студент гр. РК-21

Цырулик Виталий Владиславович

Проверила:

Доц. Шапошникова Елена Павловна

Харьков

Термостабилизация работы транзистора

Когда говорят о термостабилизации, имеют в виду те или иные технические средства, способствующие повышению стабильности (устойчивости) режима работы транзисторов при изменении температуры.

По схеме, показанной на рис. 72, смонтируй простейший однокаскадный усилитель НЧ. В усилителе можно использовать любой маломощный низкочастотный транзистор (МП39...МП42) с коэффициентом R2i₃ 30...50. Соедини его с другими деталями усилителя с помощью гибких изолированных проводников длиной по 15...20 см. В коллекторную цепь транзистора включи миллиамперметр PAL Источником питания могут быть батарея или выпрямитель с выходным напряжением 4,5...9 В. Резистор R1, с помощью которого на базу транзистора подается отрицательное напряжение смещения, подбери таким, чтобы коллекторный ток покоя (при отсутствии входного сигнала) был точно равен ГмА. Это наиболее приемлемый режим работы транзистора по постоянному току. К участку эмиттер -- коллектор подключи вольтметр постоянного тока PU2 (с относительным входным сопротивлением не менее 5 кОм/В), чтобы можно было следить за изменениями напряжения между этими электродами транзистора. В исходном состоянии вольтметр должен Показывать примерно половину напряжения источника питания.

Источником низкочастотного сигнала может быть радиотрансляционная сеть, к которой усилитель подключай через делитель напряжения, составленный из резисторов R3 и R4-. Сопротивление резистора R3 подбери таким, чтобы высокоомные телефоны, подключенные к выходу усилителя через конденсатор С2, звучали со средней громкостью.

Теперь зажми транзистор между пальцами, чтобы нагреть его до температуры тела (около 36 °С), и внимательно следи за стрелками измерительных приборов. Что получается? Да, даже при таком незначительном нагреве транзистора (на. 12...15 °С) коллекторный ток, хотя и немного, но все же увеличился, а напряжение на коллекторе (относительно эмиттера) уменьшилось.

Для следующих опытов потребуются лед, например из холодильника, горячая вода и термометр, которым можно измерить температуру воды от 0 до 60..70°C. Слушая радиопередачу, опусти транзистор в баночку со льдом (рис. 72, а). По мере охлаждения транзистора его коллекторный ток станет уменьшаться (примерно до 0,5...0,7 мА), а напряжение на коллекторе увеличиваться. Изменений качества и громкости звука в телефонах уловить не удается, таи мак они незначительны.

Запиши минимальное значение коллекторного тона и максимальное напряжение на коллекторе, а затем корпус транзистора опусти в воду, нагретую до 50...60°C (рис. 72, б). Теперь, по мере нагрева транзистора, коллекторный ток станет увеличиваться, а напряжение на коллекторе уменьшаться. При этом звук в телефонах начнет искажаться, а громкость падать. Когда коллекторный ток достигнет наибольшего значения (1,6...1,8 мА), звук в телефонах может вообще исчезнуть.

Извлеки транзистор из горячей воды. Через несколько минут он остынет, ток покоя коллекторной цепи уменьшится до первоначального значения (1 мА) и к усилителю вернется его прежняя работоспособность.

Чем объясняются такие колебания коллекторного тока, нарушающие нормальную работу усилителя? Влиянием температуры транзистора на его режим работы.

Ты знаешь, что одним из основных параметров транзистора является обратный ток коллектора I_ко, текущий через коллекторный р-n переход в непропускном направлении и совпадающий ho направлению с коллекторным током. Чтобы его измерить, надо положительный полюс источника питания соединить с вазой, отрицательный -- с коллектором, а в образовавшуюся цепь включить микроамперметр (рис, 73).

Ток I_ко по своей природе подобен обратному току диода и зависит в основном от качества коллекторного р-n перехода. Это неуправляемый ток. Он-то и является первопричиной нестабильности режима работы транзистора при изменении окружающей температуры.

Сам по себе ток I_кo -- величина небольшая. У низкочастотных германиевых транзисторов малой мощности, например, этот ток, измеренный при обратном напряжении 5 В и температуре 20 °С, не превышает 20...30 мкА, а у кремниевых транзисторов он не более 1 мкА. Неприятность же заключается в том, что он изменяется при воздействии температуры. С повышением температуры на 10°С ток I_ка германиевого транзистора увеличивается примерно вдвое, а кремниевого транзистора -- в 2,5 раза, если, например, при температуре 20 °С ток I_ко германиевого транзистора составляет 10 мкА, то при повышении температуры до 60°С он может возрасти до 150...160 мкA.

Toк I_КО характеризует свойства только коллекторного p-n перехода. В реальных же рабочих условиях напряжение источника питания оказывается приложенным не к одному, а к двум р-n переходам. При этом обратный ток коллектора течет и через эмиттерный переход и как бы усиливает сам себя, В результата значение неуправляемого, но самопроизвольно изменяющегося под воздействием, температуры тока увеличивается, в несколько раз. А чем больше его доля а коллекторном токе, тем нестабильнее режим работы транзистора в различных температурных условиях.

Что же происходило с транзистором первого опытного усилителя НЧ (рис, 72)? G повышением температуры общий ток коллекторной цепи увеличился, вызывая все большее падение напряжения на нагрузочном резисторе R2. Напряжение же между коллектором и. эмиттером при атом уменьшилось, что привело к появлению искажений звука. При дальнейшем повышении температуры напряжение на коя лекторе стало столь малым, что транзистор вообще перестал усиливать входной сигнал.

И все же германиевые транзисторы могут нормально работать при температуре окружающей среды от -- 60 до +70°С, а кремниевые -- от -- 60 до +120°С. Уменьшение влияния температуры на ток коллектора возможно либо путем использования т аппаратуре, предназначенной для работы со значительными колебаниями температуры, транзисторов с очень малым током I_ко, либо применением специальных мер, термостабилизирующих режим работы транзисторов.

В связи с этим проделай следующий опыт (рис. 74). Базовый резистор R1 включи между базой и коллектором. Его сопротивление должно быть таким, чтобы коллекторный ток покоя, как и в первом опыте, был 1 мА.

Погрузи корпус транзистора в лед, а через две...три минуты -- в воду, нагретую до температуры 50...60°С. Как теперь изменяется коллекторный ток транзистора? Значительно меньше, чем в первом опыте. Попробуй довести температуру воды до 80...90°С. Транзистор сохранит работоспособность, хотя, возможно, появятся небольшие искажения звука.

Что изменилось при таком включении базового резистора? Оставаясь элементом, через который на базу транзистора подаётся отрицательное напряжение смещения (0,1...0,2 В), он в то же время образовал между коллектором и базой цепь отрицательной обратной связи по постоянному и переменному току, что несколько снизило усиление, но улучшило качество работы усилителя. Обратная связь действует следующим образом. При нагревании транзистора коллекторный ток увеличивается, а напряжение на коллекторе уменьшается. Одновременно уменьшается и отрицательное напряжение смещения на базе транзистора, что влечет за собой уменьшение коллекторного тока. Таким образом, за счет автоматического воздействия коллекторного тока на ток базы и тока базы на ток коллектора режим работы транзистора стабилизируется.

Теперь рассмотри схему усилителя, показанную на рис. 75. Здесь резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения источника питания U_пит, с которого на базу транзистора подается фиксированное напряжение смещения. В цепь эмиттера включен резистор R4, создающий отрицательную обратную связь по постоянному и переменному току. Чтобы устранить обратную связь по переменному току, сильно снижающую усиление каскада, эмиттерный резистор шунтируют конденсатором (на рис. 80 показан штриховыми линиями). При таком способе включения транзистора на его базе относительно эмиттера должно быть отрицательное напряжение, равное минус 0,1...0,2 В, что обеспечивает транзистору нормальную работу в режиме усиления.



Как в этом случае термостабилизируется работа усилителя? Увеличение коллекторного тока, вызываемое повышением температуры транзистора, сопровождается увеличением падения напряжения на резисторе R4, а значит, и увеличением напряжения на эмиттере. При этом напряжение между базой И эмиттером уменьшается, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению коллекторного тока транзистора.

Повтори опыт с изменением температуры транзистора такого усилителя. Сравни изменения коллекторного тока и качество работы с результатами первых двух опытов. Преимущество окажется на стороне третьего варианта усилителя. Да, такой способ термостабилизации режима работы транзистора является наиболее эффективным.

Какие практические выводы позволяют сделать проведенные опыты? Первый опытный усилитель (см. рис. 72) самый нестабильный. Такое включение транзисторов можно использовать для аппаратуры, работающей при небольших колебаниях температуры. А вот если приемник или усилитель предполагается эксплуатировать в различных температурных условиях, транзисторы следует включать вторым (рис. 74) или третьим (рис. 75) способами.

Второй способ хорош простотой, но при нем снижается усиление сигнала. Третий способ требует дополнительных деталей, зато дает лучший эффект термостабилизации и не снижает усиление. Он, кроме того, позволяет производить замену транзисторов без дополнительного подбора деталей, определяющих их режим работы.

Эти выводы, которые относятся и к каскадам усиления колебаний высокой частоты, ты сможешь проверить опытным путем на тех усилителях или приемниках, которые конструируешь или собираешься конструировать.

Подобные опыты можно провести и с транзисторами структуры n-р-n, например, серий МП35...МП38, КТ315.

Надо только изменить полярность включения источника питания на обратную. В зависимости от значений томов I_ко и статических коэффициентов передачи ток» используемых транзисторов изменения коллекторных токов могут быть больше или меньше, но общие результаты окажутся примерно такими же.

Исходные данные

1. Напряжение на выходе каскада U_вых.м=2,5 В;

2. Сопротивление нагрузки R_н=130 Ом;

3. Напряжение источника питания E_к=10 В;

4. Нижняя граница частот f_н=100 Гц;

5. Допустимое значение коэффициента искажений в области нижних частот М_н=2.

Считаем, что усилитель низкой частоты работает в стационарных условиях.

Необходимо определить:

1. Тип транзистора;

2. Режим работы транзистора;

3. Сопротивления резисторов делителя R₁, R₂;

4. Сопротивление резистора коллекторной нагрузки R₃;

5. Сопротивление резистора в цепи эмиттера R₄;

6. Емкость разделяющего конденсатора С₂;

7. Емкость конденсатора в цепи эмиттера С₃;

8. Гарантированные значения коэффициентов усиления каскада по току К_i, по напряжению К_u, по мощности К_р;

9. h-параметры.

Расчёт усилителя низкой частоты

1 Выбор транзистора.

· допустимое напряжение между коллектором и эмиттером должно превышать напряжение источника питания

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

,

где - ток покоя в цепи коллектора,

- амплитуда переменной составляющей тока в цепи коллектора

,

где - эквивалентное сопротивление нагрузки каскада по переменному току. При этом - нагрузка по постоянному току.

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

,

то есть

(при условии усиления напряжения задают , а при усилении по току ), тогда

Для обеспечения экономичности каскада при минимальных линейных искажениях выбирают

На основании и необходимо выбрать транзистор, который бы обеспечивал:

По результатам предварительного расчета был выбран в качестве усилительного элемента транзистор типа КТ360. Из справочных данных выбираем транзистор КТ360А, у которого , , , .

2. Находим напряжение между коллектором и эмиттером транзистора в режиме покоя

,

где - напряжение между коллектором и эмиттером, ниже которого при работе каскада возникают значительные нелинейные искажения из-за того, что в рабочую зону попадают участки характеристик транзистора со значительной кривизной.

Для маломощных транзисторов, как правило, задают . Тогда

3. Находим мощность, выделяющуюся на коллекторе транзистора:

При этом необходимо обеспечивать условие:

Таким образом, выбранный тип транзистора отвечает требованиям по мощности.

4. Находим сопротивление нагрузки в цепи коллектора. Исходя из , имеем:

Рассеиваемая мощность в резисторе:

Таким образом

Из справочника выбираем резистор типа С2-33 мощностью 0,25 Вт с сопротивлением 130 Ом.

5. Находим сопротивление в цепи термостабилизации

При этом необходимо выполнять соотношение

,

которое обеспечивает незначительное снижение динамического диапазона каскада и падение напряжения на , которое превышает значение контактного потенциала p-n перехода транзистора (для обеспечения условий температурной стабилизации режима покоя каскада). И так:

Эта величина соответствует условию .

Рассеиваемая мощность в :

Из справочника выбираем резистор типа С2-33 P=0,25 Вт; R=50 Ом.

6. Находим емкость конденсатора , которая шунтирует при условии, что его сопротивление на частоте должно быть в 10 раз меньшим, чем сопротивление резистора :



где множитель 10⁶ позволяет получать значение емкости в микрофарадах.

,

Рабочее напряжение на :

Из справочника выбираем конденсатор типа К50-35 C=700 мкФ;U=1 В.

7. Находим величину тока покоя базы транзистора аналитически:

Определяем значение величины тока покоя базы транзистора графически. Нагрузочная прямая пересекает кривые выходной статической характеристики, каждая из которых соответствует определенному значению тока базы. Величина тока базы будет равна значению той кривой, на которой находится точка покоя.

8. Отложить это значение по оси Y на входной статической характеристике. Провести (пунктиром) линию, параллельную оси Х до пересечения с кривой со значением, соответствующим значению напряжения точки покоя на выходной характеристики. От точки пересечения опустить перпендикуляр на ось Х. Это и буде значение Uоб. Для нашего примера, так как в открытом состоянии транзистора напряжение между его базой и эмиттером составляет примерно 0,81 В, то напряжение покоя базы

Теперь можно найти ориентировочное значение входного сопротивления транзистора:

,

9. Находим величины сопротивлений резисторов делителя . Делитель подключен к напряжению

.

Величина тока в делителе выбирается в пределах

,

что обеспечивает независимость задания режима покоя транзистора при изменении его параметров под действием температуры, при замене на другой и т.д.

.

Падение напряжения на составляет:

,

Тогда:

;

.

То есть

Из справочников выбираем R₁ = 1,5кОм; R₂ = 0,5 кОм.

Находим мощность, которая выделяется в резисторах :

;

;

Из справочников выбираем резисторы типа С2-33 мощностью 0,125 Вт;

10. Находим емкость конденсатора С₂ при условии обеспечения допустимого значения коэффициента частотных искажений М_Н:

,

значение которой получаем в микрофарадах.

Рабочее напряжение С₂ принимаем равным

.

Тогда

Из справочников выбираем конденсатор типа К73-17 C=5 мкФ;U=250 В.

11. Находим амплитудные значения тока и напряжения на входе каскада:

,

где - минимальное значение коэффициента передачи тока в схеме СОЭ для выбранного транзистора.

Необходимая мощность входного сигнала

,

12. Находим расчетные коэффициенты усиления каскада по току, по напряжению, по мощности:

;

;

;

Наличие минимального значения коэффициента усиления транзистора = 40 имеем запас по усилению. Диапазон возможных значений коэффициента усиления у транзисторов достаточно широкий: для КТ630А он составляет = 40 - 120.

Расчет h-параметров

термостабилизация транзистор усилитель температура

Транзистор можно представить в виде активного линейного четырёхполюсника, т.е. устройства имеющего два входных и два выходных зажима.

Режим работы четырёхполюсника характеризуется двумя входными параметрами (U₁и i₁) и двумя выходными (U₂ и i₂).

Рисунок 1 - Транзистор как активный четырёхполюсник

Достаточно задать две из этих входных величин, чтобы графически (по характеристикам) или аналитически вычислить две остальные. В зависимости того, какие величины принимают независимыми переменными, получают различные системы параметров.

Наиболее близко соответствует рабочему режиму транзистора система h-параметров.

В этой системе в качестве независимых переменных выбирают i₂ и U₂, что приводит к следующим уравнениям:

Входное сопротивление транзистора при короткозамкнутой выходной цепи.

Коэффициент обратной передачи напряжения при разомкнутой выходной цепи

Коэффициент прямой передачи тока при короткозамкнутой выходной цепи

Выходная проводимость при разомкнутой входной цепи



Однотипные h -параметры получаются различными для различных схем включения транзисторов, поэтому их снабжают дополнительным индексом. Например: h_11б, h_22б и т.д. - для схемы с ОБ, h_11Э, h_22Э, и т.д. - для схемы с ОЭ.

h -параметры можно определить по статическим характеристикам. По входным характеристикам определяют h₁₁, h₂₂.

В качестве примера рассмотрим определение h-параметров транзистора, включенного по схеме с ОЭ. В этом случае

Необходимо определить h -параметры.

Давая приращение току базы ±I_б вблизи выбранной точки, находим приращение ±U_6э при U_K = 0, после чего определяем

Вычисляем h_12Э :

Определяем h_21Э :

Определяем h_22Э.

Литература

1. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник/ А. В. Баюков и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. М.: Энергоиздат, 1982. - 744 с.

2. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов/Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков; Под ред. В. А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

3. Галкин В.И., Прохоренко В.А. Полупроводниковые приборы: (диоды и транзисторы).-Мн.: Беларусь, 1979.

Размещено на Allbest.ru