Расчет транзисторного усилителя переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Расчет усилителя напряжения переменного тока

1.1 Схемы транзисторных усилителей

1.2 Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

1.3 Основные принципы расчета транзисторного усилителя с ОЭ

1.4 Расчет каскада транзисторного усилителя для схемы с ОЭ

2. Расчет источника питания электронного усилителя

2.1 Описание работы однополупериодного выпрямителя

2.2 Расчет однофазного мостового выпрямителя на полупроводниковых диодах

Заключение

Список литературы

Приложение 1

Приложение 2



Введение

В настоящее время трудно определить область техники, в которой не применяются усилители электрических сигналов. Это объясняется необходимостью преобразования параметров электрических сигналов, получаемых при первичном преобразовании неэлектрических физических величин в электрические параметры, необходимые для нормальной работы исполнительных (нагрузочных) устройств. Так, мощность электрического сигнала на выходе типового датчика температуры составляет десятки милливатт. В то же время стабилизация температурного режима, например, ядерного реактора требует электрического сигнала мощностью в десятки и даже сотни киловатт. Следовательно, электрический сигнал датчика должен быть преобразован.

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.



1. Расчет усилителя переменного тока

1.1 Схемы транзисторных усилителей

Усилители являются одним из самых распространенных электронных устройств, применяемых в системах автоматики и радиосхемах. Усилители подразделяются на усилители предварительные (усилители напряжения) и усилители мощности. Предварительные транзисторные усилители, как и ламповые, состоят из одного или нескольких каскадов усиления. При этом все каскады усилителя обладают общими свойствами, различие между ними может быть только количественное: разные токи, напряжения, различные значения резисторов, конденсаторов и т. п.

Для каскадов предварительного усилителя наиболее распространены резистивные схемы (с реостатно-емкостной связью). В зависимости от способа подачи входного сигнала и получения выходного сигнала усилительные схемы получили следующие названия:

1) с общей базой ОБ (рис. 1, а);

2) с общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель) (рис. 1, б);

3) с общим эмиттером - ОЭ (рис. 1, в).

Рис. 1, а - С общей базой ОБ



Рис. 1, б - С общим коллектором ОК (эмиттерный повторитель)

Рис. 1, в - С общим эмиттером - ОЭ

транзисторный усилитель полупроводниковый диод

Наиболее распространенной является схема с ОЭ. Схема с ОБ в предварительных усилителях встречается редко. Эмиттерный повторитель обладает наибольшим из всех трех схем входным и наименьший выходным сопротивлениями, поэтому его применяют при работе с высокоомными преобразователями в качестве первого каскада усилителя, а также для согласования с низкоомным нагрузочным резистором. В табл. 1 дается сопоставление различных схем включения транзисторов.



Таблица 1 - Сопоставление различных схем включения транзисторов

Параметры	с общей базой (ОБ)	с общим эмиттером (ОЭ)	с общим коллектором (OK)
Коэффициент усиления по напряжению	30--400	30--1000	<I
Коэффициент усиления по току	<I	10--200	10-200
Коэффициент усиления по мощности	30--400	3000--30000	10--200
Входное сопротивление	50--100 Ом	200--2000 Ом	10--500 кОм
Выходное сопротивление	0,1--0,5 мОм	30--70 кОм	50--100 ОМ

1.2 Назначение элементов и принцип работы усилительного каскада по схеме с ОЭ

Существует множество вариантов выполнения схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ. Это обусловлено главным образом особенностями задания режима покоя каскада. Особенности усилительных каскадов и рассмотрим на примере схемы рисунок 2, получившей наибольшее применение при реализации каскада на дискретных компонентах.

Основными элементами схемы являются источник питания , управляемый элемент - транзистор и резистор . Эти элементы образуют главную цепь усилительного каскада, в которой за счет протекания управляемого по цепи базы коллекторного тока создается усиленное переменное напряжение на выходе схемы.

Остальные элементы каскада выполняют вспомогательную роль. Конденсаторы , являются разделительными. Конденсатор исключает шунтирование входной цепи каскада цепью источника входного сигнала по постоянному току, что позволяет, во-первых, исключить протекание постоянного тока через источник входного сигнала по цепи > > и, во-вторых, обеспечить независимость от внутреннего сопротивления этого источника напряжения на базе в режиме покоя. Функция конденсатора сводится к пропусканию в цепь нагрузки переменной составляющей напряжения и задержанию постоянной составляющей.

Рис.2 - Схемы усилительного каскада на транзисторе ОЭ

Резисторы и используются для задания режима покоя каскада. Поскольку биполярный транзистор управляется током, ток покоя управляемого элемента (в данном случае ток ) создается заданием соответствующей величины тока базы покоя . Резистор предназначен для создания цепи протекания тока . Совместно с резистор обеспечивает исходное напряжение на базе относительно зажима ”+” источника питания.

Резистор является элементом отрицательной обратной связи, предназначенным для стабилизации режима покоя каскада при изменении температуры. Температурная зависимость параметров режима покоя обусловливается зависимостью коллекторного тока покоя от температуры. Основными причинами такой зависимости являются изменения от температуры начального тока коллектора , напряжения и коэффициента . Температурная нестабильность указанных параметров приводит к прямой зависимости тока от температуры. При отсутствии мер по стабилизации тока , его температурные изменения вызывают изменение режима покоя каскада, что может привести, как будет показано далее, к режиму работы каскада в нелинейной области характеристик транзистора и искажению формы кривой выходного сигнала. Вероятность появления искажений повышается с увеличением амплитуды выходного сигнала.

Проявление отрицательной обратной связи и ее стабилизирующего действия на ток нетрудно показать непосредственно на схеме рис. 2. Предположим, что под влиянием температуры ток увеличился. Это отражается на увеличении тока , повышении напряжения соответственно снижении напряжения . Ток базы уменьшается, вызывая уменьшение тока , чем создается препятствие наметившемуся увеличению тока . Иными словами, стабилизирующее действие отрицательной обратной связи, создаваемой резистором , проявляется в том, что температурные изменения параметров режима покоя передаются цепью обратной связи в противофазе на вход каскада, препятствуя тем самым изменению тока , а, следовательно, и напряжения .

Конденсатор шунтирует резистор по переменному току, исключая тем самым проявление отрицательной обратной связи в каскаде по переменным составляющим. Отсутствие конденсатора привело бы к уменьшению коэффициентов усиления схемы.

Название схемы «с общим эмиттером» означает, что вывод эмиттера транзистора по переменному току является общим для входной и выходной цепи каскада.

Принцип действия каскада ОЭ заключается в следующем. При наличии постоянных составляющих токов и напряжений в схеме подача на вход каскада переменного напряжения приводит к появлению переменной составляющей тока базы транзистора, а, следовательно, переменной составляющей тока в выходной цепи каскада (в коллекторном токе транзистора). За счет падения напряжения на резисторе создается переменная составляющая напряжения на коллекторе, которая через конденсатор передается на выход каскада - в цепь нагрузки.



Рис.3- Выходная и входная ВАХ транзистора

1.3 Основные принцы расчета транзисторного усилителя с ОЭ

Рассмотрим основные положения, на которых базируется расчет элементов схемы каскада, предназначенных для обеспечения требуемых параметров режима покоя (расчет по постоянному току).

Анализ каскада по постоянному току проводят графоаналитическим методом, основанным на использовании графических построений и расчетных соотношений. Графические построения проводятся с помощью выходных (коллекторных) характеристик транзистора (рис. 3, а). Удобство метода заключается в наглядности нахождения связи параметров режима покоя каскада и амплитудными значениями его переменных составляющих (выходного напряжения и тока , являющимися исходными при расчете каскада.

На выходных характеристиках рис. 3, а проводят так называемую линию нагрузки каскада по постоянному току , представляющую собой геометрические места точек, координаты и которых соответствуют возможным значениям точки (режима) покоя каскада.

В связи с этим построение линии нагрузки каскада по постоянному току удобно провести по двум точкам, характеризующим режим холостого хода (точка ) и режим покоя (точка ) выходной цепи каскада (рис. 3, а). Для точки ”а” , и для точки ”” , , где выбирают из условия работы транзистора в режиме отсечки напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Определив координаты точки находим значение тока базы , соответствующего режиму покоя, и определяем координаты точки на входной характеристике (рис. 3, б).

При определении переменных составляющих выходного напряжения каскада и коллекторного тока транзистора используют линию нагрузки каскада по переменному току. При этом необходимо учесть, что по переменному току сопротивление в цепи эмиттера транзистора равно нулю, так как резистор шунтируется конденсатором , а к коллекторной цепи подключается нагрузка, поскольку сопротивление конденсатора по переменному току мало. Если к тому же учесть, что сопротивление источника питания по переменному току также близко к нулю, то окажется, что задача определения этих показателей решается при расчете усилительного каскада по переменному току. Метод расчета основан на замене транзистора и всего каскада его схемой замещения по переменному току. Схема замещения каскада ОЭ приведена на рис. 4, где транзистор представлен его схемой замещения в физических параметрах. Сопротивление каскада по переменному току определяется сопротивлениями резисторов и , включенных параллельно, т. е. ¦. Сопротивление нагрузки каскада по постоянному току больше, чем по переменному току ¦.

Рис.4-Схема замещения усилителя с ОЭ

Поскольку при наличии входного сигнала напряжение и ток транзистора представляют собой суммы постоянных и переменных составляющих, линия нагрузки по переменному току проходит через точку покоя (рис. 3, а). Наклон линии нагрузки по переменному току будет больше, чем по постоянному току. Линию нагрузки по переменному току строят по отношению приращений напряжения к току:.

1.4 Расчет каскада транзисторного усилителя напряжения для схемы с общим эмиттером

1.4.1 Исходные данные

Амплитуда выходного напряжения U_вых.м= 2,0 В

Сопротивление нагрузки R_н = 400 ОМ

Частота напряжения нагрузки f_н= 90 Гц

Напряжение питания усилителя Е_пит = 16 В

Коэффициент частотных искажений М_н = 1,2

Примечание. Считать, что каскад работает в стационарных условиях (Т_min=+15°С; Т_min=25°C). При расчете влиянием температуры на режим транзистора пренебрегаем.

Определить:

1) тип транзистора;

2) режим работы транзистора;

3) сопротивление коллекторной нагрузки R_k;

4) сопротивление в цели эмиттера R_э;

5) сопротивления делителя напряжения R₁ и R_2, стабилизирующие режим работы транзистора;

6) емкость разделительного конденсатора Ср;

7) емкость конденсатора в цепи эмиттера Сэ;

8) коэффициент усиления каскада по напряжению.

1.4.2 Порядок расчета

Выбираем тип транзистора, руководствуясь следующими соображениями:

а) , где

- наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером

б) , где

- наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки;

- наибольший допустимый ток коллектора.

Выбираем транзистор используя Справочник под редакцией Н.Н.Горюнова «Полупроводниковые приборы: транзисторы»: ГТ122А, для которого

Режим работы транзистора определяем по нагрузочной прямой, построенной на семействе входных статических (коллекторных) характеристик для ОЭ. Построение нагрузочной прямой показано на рис 1.2. Нагрузочная прямая строится по двум точкам: 0- точка покоя (рабочая) и 1, определяемая значением напряжения источника питания Е_пит. Координатами 0 являются ток покоя и напряжения покоя (т. е. ток и напряжение, соответствующие =0).

Примем .

Напряжение покоя: ,

где - напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора.

Для маломощных транзисторов можно принять .

Вторая точка нагрузочной прямой

По полученным значениям строится нагрузочная прямая в масштабе:

для : 1см = 2мА

для : 1см = 2В

Определяем значения сопротивлений R_K и R_э. По выходным характеристикам (рис. 1.2) определяем R_об.= R_K + R_э. Общее сопротивление в цепи эмиттер - коллектор

где - это ток, определяемый точкой Б, т.е. точкой пересечения нагрузочной прямой с осью токов.

Принимая ;

;

Определяем наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока и напряжения , необходимые для обеспечения заданного значения . Задавшись наименьшим значением коэффициента усиления транзистора по току , получаем:

причем ток не должен превышать значения , где для маломощных транзисторов .

Амплитуда входного тока

По входной статической характеристике для схем с ОЭ (рис. 1.3) и найденным значениям находят значение размаха входного напряжения 2U_вxm. [Справочник под редакцией Н.Н.Горюнова «Полупроводниковые приборы: транзисторы»]

Определяем входное сопротивление R_вх каскада переменному
току (без учета делителя напряжения R₁ и R₂):

Рассчитываем сопротивления делителя R₁ и R₂. Для уменьшения шунтирующего действия делителя на входную цель каскада по переменному току принимают

Тогда

Определяем, будет ли схема достаточно стабильна:

где - наибольший возможный коэффициент усиления по току для транзистора типа ГТ122А.

Для нормальной работы каскада коэффициент нестабильности не должен превышать нескольких единиц.

Так как S=4,03 , то работа рассчитанного каскада достаточно стабильна.

Определяем емкость разделительного конденсатора С_р:

где - выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным статическим характеристикам для схемы ОЭ. В большинстве случаев , поэтому можно принять .

Следовательно:

Находим емкость конденсатора в цепи эмиттера С_э.

Для полного устранения отрицательной обратной связи необходимо включить . Эта емкость слишком велика.

Обычно используют емкость .

Принимаем

Рассчитываем коэффициент усиления каскада по напряжению:

Рис.5-ВАХ транзистора ГТ122А



2. Расчет источника питания электронного усилителя

2.1 Описание работы однополупериодного выпрямителя

Выпрямителем называется устройство для преобразования электрического переменного тока в постоянный. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что электростанции вырабатывают энергию переменного тока, а многие промышленные силовые электроустановки и цепи автоматики и радиоэлектроники работают на постоянном токе. Промышленные силовые электроустановки постоянного тока получают питание от трёхфазных выпрямителей, а цепи автоматики и радиоэлектроники от однофазных.

Выпрямители бывают управляемые и неуправляемые. В зависимости от числа фаз источника питания существуют однофазные и трехфазные выпрямители. По способам преобразования переменного тока различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители.

Основными характеристиками выпрямителей являются:

- средние выпрямленные значения напряжения U _н.ср. , тока I _н.ср. , мощности

Р _н.ср. = U _н.ср. I _н.ср. ;

- амплитуда первой (основной) гармоники выпрямленного напряжения U _осн.m ;

- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

р = U _осн.m/ U _н.ср. ;

- действующие значения напряжения и тока первичной и вторичной обмоток трансформатора U₁ , I₁ , U_{2 ,} I₂ ;

- типовая мощность трансформатора

S _mp = 0,5 ( S₁ + S₂ ), где S₁ = U₁I₁ ;S₂ = U₂I₂

Простейшим является однополупериодный выпрямитель (рис. 6). Напряжение и ток нагрузки имеют форму, показанную на рис.7. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.

Рис.6-Схема однополупериодного выпрямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

где - действующее значение входного напряжения. С помощью формулы (1.1.1) по заданному значению напряжения можно найти входное напряжение выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диоде:

Максимальный ток диода:

.

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, равный отношению максимального и среднего напряжений. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

.

Рис.7-График зависимости u(t) однополупериодного выпрямителя.

Выпрямленные напряжение и ток в схеме на рис.7 имеют большой уровень пульсаций. Поэтому на практике такую схему применяют в маломощных устройствах в тех случаях, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения.

2.2 Расчет источника питания по схеме однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде

Исходные данные: =127 В, =12 В, =1,5 А,

Рассчитываемые параметры: , n, , , , ,

Расчет параметров трансформатора выполняем, используя формулы (9.5) - (9.8) «Основы промышленной электроники» под редакцией проф. В.Г.Герасимова.

Находим напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

По определению коэффициента трансформации его значение

Ток i_н(t) является током вторичной обмотки трансформатора: i_н(t)= i₂(t). Поэтому действующее этого тока

.

В идеальном трансформаторе токи связаны через коэффициент трансформации:

По определению типовая мощность трансформатора

Таким образом, расчетные параметры трансформатора, по которым он проектируется или выбирается из электротехнических каталогов, такие:

Определение расчетных параметров диода.

Из схемы выпрямителя и описания ее работы /I, c.227/ следует, что

В соответствии с данными выбор останавливаем на диоде КД202Г, для которого

более чем на 50%.

Расчет сглаживающего фильтра.

Исходные данные:

R_н=50 Ом; Р_вх=1,57; Р_вых=0,157; f₌50Гц; q=10

Рассчитаем С_ф и сравним его с поставленным условием при q=10, С_ф?1000мкФ, для этого воспользуемся формулой:

,

где m-фазность выпрямителя, Rн-сопротивление нагрузки.

где f-рабочая частота.

Отсюда находим Сф, подставляя численные значения в формулу. Получаем Сф=6,369Ф. Условие приведенное выше выполнено, следовательно для условия q=10 может быть применен в схеме выпрямителя емкостной фильтр на базе конденсатора емкостью 10мкф напряжением 25В.



Заключение

При решении многих инженерных задач, например при измерении электрических и неэлектрических величин, приеме радиосигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, возникает необходимость в усилении электрических сигналов. Для этой цели служат усилители, т. е. устройства, предназначенные для усиления напряжения, тока и мощности. В современных усилителях, широко применяемых в промышленной электронике, обычно используют биполярные и полевые транзисторы, а в последнее время интегральные микросхемы. Усилители на микросхемах обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют чрезвычайно малые размеры и массу, высокую чувствительность. Они позволяют усиливать очень слабые электрические сигналы (напряжение порядка 10^-13 В, токи до 10^-17 А, мощность порядка 10^-24 Вт).

Простейшим усилителем является усилительный каскад, содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило, биполярный или полевой.

Современный этап развития радиоэлектроники характеризуется широким внедрением микроэлектроники во все радиоэлектронные устройства. /1, с.91/.

Если рассматривать усилительные устройства, то в интегральной схемотехнике почти всегда используют непосредственные (гальванические) связи между каскадами, т.е. применяют только усилители постоянного тока независимо от того, является ли схема усилителем низкой или высокой частоты.

Другая особенность интегральной схемотехники заставляет отказаться от большого числа схем, ограничившись сравнительно небольшим количеством избранных вариантов.

Создание дифференциальных каскадов в интегральном исполнении позволило успешно решить задачу построения универсальных усилительных интегральных схем - операционных усилителей.

Наиболее перспективным направлением усовершенствования средств вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры является повышение частоты преобразования электрической энергии. В настоящее время реализованы источники с частотой преобразования порядка единиц мегагерц. Однако их широкое применение и дальнейшее развитие ограничиваются рядом технологических трудностей и несовершенством элементной базы.



Список литературы

1. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники: Учеб. для неэлектротехн. спец. вузов/ В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; 3-е изд., перераб. и доп. - М.: высш. шк. 1986. - 336с., ил.

2. Жаворонков М.А., Кузин А.В. Электротехника и электроника: Учебное пособие для студ. Высш. учеб. Заведений - М.: Издательский центр «Академия», 2015-400с.

3. В.В. Сурков Электроника, Электроника и микропроцессорная техника. Конспект лекций для студентов направления 551300, 181300, 552800, 220100, 551800, 120300, 120400, 120700, 170100, 170600, 170900 очной формы обучения - Тула, 1999г. - 138с.

4. http://eeo.tula.ru/?go=study «Электротехника и основы электроники. Базовый конспект лекций. Часть 1»

5. http://eeo.tula.ru/?go=study «Электротехника и основы электроники. Базовый конспект лекций. Часть 2»

6. Сухинин Б.В., Баженов В.И., Ловчаков В.И., Глазов В.М. Методические указания для студентов всех форм обучения. Часть вторая «Основы электроники» - Тула, 2000г. - 38с.

Размещено на Allbest.ru