Розрахунок вихідного двотактного трансформаторного підсилювача

Зміст

 Завдання:

Завдання на курсову роботу передбачає:

1)    Вибір типу транзисторів та схеми їх включення.

2)    Визначення найбільшої потужності, яка виділяється в транзисторі.

3)    Розрахунок режимів роботи транзисторів по постійному і змінному струму.

4)    Визначення напруги джерела живлення підсилювача

5)    5.Визначення потужності сигналу, яка віддається транзисторами у вибраному режимі їх роботи.

6)    Визначення коефіцієнта підсилення плеча каскаду по напрузі і потужності.

7)    Розрахунок коефіцієнта нелінійних спотворень вхідного сигналу.

8)    Визначення номінальних значень елементів схеми підсилювача і вибір 'їх типу.

9)    Електричний розрахунок трансформатора у вихідному колі підсилювача.

 Вступ

Підсилення електричних сигналів – один з видів перетворення електромагнітної енергії, який відноситься до процесів її керування. Пристрій, який призначений для керування електричною енергією, для збільшення її потужності називають підсилювачем.

Структурна схема підсилювача має вигляд:

Вхідне коло підсилювача – коло підсилювача, до якоговмикається джерело керованої енергії, яке характеризується миттєвим значенням ЕРС (Еі) і внутрішнім опором (Zі).

Підсилювальний елемент – активний елемент електричного кола, який має управляючу властивість (транзистори, ЕВП, ІМС).

Вихідне коло – коло підсилювача, до якого підмикається навантаження, яке в загальному випадку носить комплексний характер.

Джерело живлення – джерело керуючої енергії, яка петворються підсилювальним елементом в енергію підсилювальних сигналів. Найчастіше в якості джерела живлення використовують гальванічні елементи.

Підсилювачі класифікують за такими ознаками:

Ø     За характером підсилювального сигналу:

-      підсилювачі гармонічних сигналів;

-      підсилювачі дискретних сигналів.

Ø     По діапазону підсилювальних частот:

-      підсилювачі постійного струму;

-      підсилювачі змінного струму.

Ø     За видом електричних параметрів підсилювального сигналу:

-      підсилювачі струму;

-      підсилювачі напруги;

-      підсилювачі потужності.

Ø     По типу підсилювальних елементів:

-      транзисторні;

-      ІМС;

-      електровакуумні.

Ø     По типу підсилюваних сигналів:

-      аперіодичні;

-      резонансні.

Ø   По призначенню:

-      телевізійні;

-      радіомовні;

-      радіотрансляційні;

-      вимірювальні.

Властивості підсилювачів характеризуються технічними показниками, які регламентуються відповідними стандартними. Число технічних показників визначається пизначенням підсилювача.

До основних технічних показників відносяться:

Ø   вхідні/вихідні праметри;

Ø   ККД і споживана потужність;

Ø   коефіцієнт підсилення;

Ø   амплітудна характеристика і динамічний діапазон;

Ø   лінійні і нелінійні спотворення;

Ø   перехідні спотворення;

Ø   шуми.

Підсилювачем потужності називається підсилювач в якому вихідна потужність підсиленого сигналу співрозмірна з потужністю, яка підводиться до колекторного кола підсилювача від джерела живлення.

Підсилювальний каскад – це сукупність підсилюваль-них елементів з усіма додатковими елементами, які забезпечують заданий режим роботи.

Принцип підсилення підсилювальним каскадом на біполярних транзисторах полянає в тому, що підсилення напруги, струму або вихідної потужності відбувається за рахунок частини енергії або потужності джерела живлення по постійному струму.

Потужнім каскадом прийнято вважати каскад в якому транзистори віддають в навантаження потужність, близьку до максимально можливої. Основними вимогами, які ставляться до потужних вихідних каскадів, є одержання необхідної потужності в навантаженні і її максимальний коефіцієнт корисної дії при допустимих спотвореннях сигналу. Вимога максимального ККД має найбільше значення для підсилювачів з живленням від автономних джерел. Максимальне підсилення – другорядна вимога, оскільки необхідне підсилення може бути одержане в інших каскадах.

Транзистори, які стоять в підсилювачах потужності можуть працювати в режимах класів А, В, АВ.

Режим А – це такий режим, при якому робоча точка знаходиться по середині лінійної частини прохідної характеристики. Амплітуда вихідного струму змінюється напротязі повного періоду підсилювального сигналу. Тобто кут відсікання θ=180°

Режим В – режим з такою відсічкою, при якій вихідний струм тече практично тільки напротязі півперіода сигналу θ=90°. При цьому робоча точка лежить на початку прохідної характеристики.

Режим АВ – проміжний режим, при якому вихідний струм протікає напротязі більш, як одного півперіоду. Кут відсікання лежить в межах 30° < θ <180°

Вибір режиму здійснюється прикладенням відповідної напруги між базою та емітентом. В режимах класів АВ і В можуть працювати тільки двотактні каскади.

Однотактні вихідні каскади застосовуються деколи в підсилювачах з малою вихідною потужністю, оскільки їх ККД не перевищує 40%

Трансформаторні двотактні вихідні каскади в основному використовуються в режимі АВ, при якому ККД перевищує 50%. В цьому режимі втрати енергії джерелом живлення досить малі при відсутності сигналу і підвищується з підвищенням рівня сигналу, а рівень нелінійних спотворень більший, ніж при роботі в режимі класу А.

Розрахунково-пояснюавльна записка

І.  Вибір типу транзистора:

1) Вихідна (коливальна) потужність сигналу в колекторному колі трансформатора:

[Вт],

де ηт=0,8 – ККД вихідного трансформатора.

2) Потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора:

,

де ηА=0,45 – ККД колекторного кола транзистора в режимі роботи А (лежить в межах 0,4¸0,45).

3) Максимальна потужність яка розсіюється на колекторі транзистора з врахуванням температури навколишнього середовища:

,

де Рkmaxp. – максимально допустима розрахункова потужність транзистора, який вибирається.

       Трмах=+850С – максимальна температура колектор-ного переходу для германієвих транзисторів.

       Тр ном=+200С – номінальна температура, при якій значення потужності, яка розсіюється на колекторі транзистора максимальна.

       Тдс=+330С – температура довколишнього середовища

4) Розрахункове значення граничної частоти транзистора для схеми з спільним емітером:

[кГц],

де Мв – визначається у відносних одиницях:Мв=Мн(дБ)=20lgМв

Мв=Мн=

5) Вибираємо тип транзистора виходячи з умов:

Вибрав транзистор ГТ403А:

fh21e=1000 кГц;

Pk max=4 Вт (з тепловідводом).

Так, як умова Pk maxр≤ Pk max виконується тільки при наявності тепловідводу, то проводжу розрахунок поверхні охолодження радіатора:

[см2],

де RTT=150С/Вт — величина теплового опору колекторного переходу.

6) Тип вибраного транзистора та параметри вибраного транзистора:

Pk max=4 Вт (з тепловідводом);

fh21e=1000 кГц;

Uke max=30 В;

h21e=20¸60;

Ik max=1,25 А;

RTT=150С/Вт

ІІ.  Розрахунок режиму роботи транзистора по

постійному струму:

1)   Напруга на колекторі транзистора в режимі спокою:

Uke0=(0.3¸0.5)Uke max = 0,3∙20 = 6 [B]

2)   Напруга джерела живлення:

Ek=2.25Uke0= 2.25∙6 = 13.5 [B]

3)   Величина колекторного струму в режимі спокою:

 [A]

4)   Побудова ЛН_ на вихідних статичних характеристиках транзистора і визначчення координати робочої точки:            {Ik0; Uke0; Іб0} (див. графічну частину РИС.1):

Uke0=6 B;

Ik0=0.46 A;

Iб0≈23 mA.

5) Величинаемітрного струму в режимі спокою:

Ie0=Ik0+Iб0=0.46+23=23∙10-3+0.46=0.483 [A]≈0.5 [A]

ІІІ. Розрахунок режиму роботи транзистора

по змінному струму:

1) Опір колекторного навантаження по змінному струму для одного плеча схеми:

[Oм]

2) Спад напруги на Rк~:

URk~=Ik0∙Rк~= 0.46∙14.4 = 6.6 [B]

3) Напруга між колектором і емітером транзистора:

Uke~=Uk0+URk~= 6+6.6 = 12.6 [B]

4) На РИС.1 наносимо точки {0, Uke~} та {Ik0, Uke0}.

5) За графіком на РИС.1 визначаємо мінімальне і максимальне значення вихідного струму та напруги транзистора:

Ik min=2.0 mA;

Ik max=0.88 A;

Uke max=12.6 B;

Uk min=2.0 B

IV.  Визначення потужності сигналу, яка віддається транзисторами у вибраному режимі їх роботи:

1) Потужність, яку віддає транзистор у вибраному режимі роботи:

Pk~=0.125∙(Ik max - Ik min)2∙Rk~=

=0.125∙(0.88-2)2∙14.4 = 2,26 [Bт]

2) Перевірка виконання умови:

Pk~≥P~.

2.26>1.25 [Вт]

(умова виконується)

V.  Визначення коефіцієнта підсилення плеча каскаду по напрузі і потужності:

1) На вхідній динамічній характеристиці транзистора відкладаємо відповідні координати робочої точки і граничних точок (див графічну частину РИС.2):

{Iб0;Uбe0}, {Iб max;Uбe max}, {Iб min;Uбe min}

Iб0 = 23 mA;

Uбe0 = 0.47 B;

Iб max = 64 mA;

Uбe max = 0.68 B;

Iб min = 2 mA;

Uбe min = 0.17 B.

2) Амплітудні значення вхідного струму та напруги:

3) Вхідний опір транзистора по змінному струму:

4) Потужність на вході підсилювача:

5)             Коефіцієнт підсилення по напрузі:

KUдБ=20lg KU =26,19 [дБ]

6) Коефіцієнт підсилення по потужності:

KPдБ=10lgKP =27,49 [дБ]

VI.      Розрахунок коефіцієнта нелінійних

спотворень сигналу:

1) Формуємо наскрізну динамічну ВАХ підсилювального елемента за сім'єю вхідних і вихідних статичних характеристик і навантажувальної прямої змінного струму каскаду Ік=f(Ei): для цього визначаємо значення Uke для трьох точок (А, Р, В) по вхідних і вихідних статичних характеристиках транзистора (див. графічну частину РИС.3).

2) Дані заносимо в таблицю і будуємо наскрізну динамічну ВАХ транзистора по табличним даним.

1	2	3