Расчет двухтактного оконечного усилителя мощности в режиме B - файл n1.doc

Расчет двухтактного оконечного усилителя мощности в режиме B
Скачать все файлы (397.5 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc398kb.18.02.2014 20:22скачать

n1.doc

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Пермский институт железнодорожного транспорта -
филиал государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»


Кафедра __________________________


Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине: электроника

Проверил: Выполнил:
преподаватель студент 3 курса

(должность, ученое звание)


Пермь

2008

Двухтактный каскад отдаёт вдвое большую мощность, чем однотактный, имеет меньший коэффициент гармоник, выходной трансформатор без постоянного подмагничивания и допускает в три-пять раз большую пульсацию источника питания. С другой стороны требует двух транзисторов, выходной трансформатор с удвоенным числом витков первичной обмотки и средней точкой, а также инверсную схему предыдущего каскада. Зато эта схема позволяет использовать экономичный режим В (в отличие от однотактной), что уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя и позволяет достаточно высоко поднять кпд.

Способ включения транзистора выбирают из следующих условий:

- включение с ОК также критично к замене транзистора, хотя требует примерно такой же входной мощности, как в схеме с ОБ. Включение с ОК даёт очень малый коэффициент гармоник при малом сопротивлении источника сигнала промежуточных каскадов от сопротивления нагрузки.

В трансформаторных каскадах напряжение питания U0 следует брать равным U0 = (0,3 - 0,5) Uдоп, где Uдоп - максимальное допустимое мгновенное значение напряжения между выходными электродами


транзистора для различных схем включения транзистора. Оно приводится в справочниках. Более высокое напряжение брать не следует, т. к. при этом транзистор может выйти из строя.

Двухтактная схема (в режиме В) теоретически может обеспечить кпд до 78% (практически до 75%). Минимальный коэффициент гармоник Кг при этом примерно равен 6-10%. Габариты выходного трансформатора из-за отсутствия тока подмагничивания значительно уменьшаются.

Транзисторы, количество которых зависит от схемы оконечного каскада, должны удовлетворять трём условиям:

а) допустимая мощность рассеяния на коллекторе Р к доп (по справочнику) должна быть больше рассеиваемой мощности при заданной максимальной температуре среды (см. исходные данные):

Р к доп ? Р к (1 мак).

б) граничная частота f ? - в схеме с ОЭ или в схемах с ОБ и ОК должна быть выше F в (см. исходные данные), чтобы частотные искажения, вносимые транзистором, были малы.

в) транзистор должен вносить небольшие нелинейные искажения

Для реализации первого условия величину Р к определяем по эмпирическому выражению:

для двухтактного трансформаторного в режиме В



где Р н - мощность в нагрузке;

? т — кпд трансформатора

Примерные кпд трансформаторов и значений
магнитной индукции в сердечнике


Мощность
трансформатора, ВА

? т

Вт,Гс
(не более)

0,1-1

0,7-0,85

5000

10-100

0,9-0,94

9000

По формуле Р к доп (t мак ) = I U задаемся током коллектора и по известной Р к доп (t мак ) находим напряжение коллектора U и наносим на семейство выходных статических характеристик допустимую кривую мощности (см. рис. 1). Затем в этом же семействе выходных статических характеристик по двум точкам строим нагрузочную прямую. Точка а задана из соображений достаточной величины коллекторного тока для нормального режима работы транзистора. При этом ток коллектора не должен быть больше максимально допустимого коллекторного тока по справочнику с одной стороны и не слишком маленьким при использовании транзистора при пониженной мощности с другой стороны. Вторая точка б выбирается в зависимости от режима работы транзистора с учётом максимального допустимого напряжения на коллекторе U к мак. Напряжение питания Е к не должно превышать значения, определяемого по формуле

Е к ? (0,3 – 0,5) U к мак

где U к мак - максимальное допустимое напряжение между выходными электродами транзистора по справочнику.

В режиме В рабочая точка располагается внизу при нулевом токе коллектора.

В режиме работы В выходная, входная мощности и коэффициент усиления мощности оконечного каскада определяют по формулам и рис. 1:

Р вых ~ = 0,5 (U вых 0 - U ост) Iґмакс ,

Р вх ~ = 0,5 U вх m I вх m ,

где U вх m = U вх макс , I вх m m = I вх макс - I вх 0



Составляем блок-схему (рис.3) и принципиальную электрическую схему усилителя низкой частоты (рис. 4) по следующим исходным данным:

Источником усиливаемого сигнала является Ес = 0,4 В и Rс = 15000 Ом. Источник питания выбрать самостоятельно.

Произвести детальный расчёт оконечного и предоконечного каскадов проектируемого усилителя.

2. Эскизный расчёт усилителя низкой частоты

1. Выбираем транзистор для оконечного каскада и определяем способ его включения. Так как сопротивление нагрузки мало, а выходная мощность велика, то оконечный каскад должен быть трансформаторным. Для обеспечения высокого к.п.д. при сравнительно больших допустимых нелинейных искажениях можно выбрать двухтактную схему оконечного каскада, работающую в режиме В. Транзистор можно включить по схеме с ОЭ.

Выбираем по справочнику транзистор КТ818А с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе с теплоотводом Рк доп = 60 Вт при температуре окружающей среды 40 °С с радиатором S = 10см2. Параметры выбранного транзистора следующие:

fгр = 3 МГц - граничная частота;

Uк доп = 40 В - наибольшее напряжение коллектора в схеме с ОЭ;

Iк доп = 10 А - наибольший ток коллектора;

2. Определение коэффициента усиления мощности оконечного каскада. В семействе выходных статических характеристик транзистора КТ818А строим кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе при t = 40°С (см. рис. 1). Строим линию нагрузки аб. Ориентировочно задаёмся величиной напряжения источника питания по допустимому напряжению на коллекторе:

Ек ? 0,5 40 = 20 В,

выбираем Е к = 19 В.

Выбираем на нагрузочной прямой рабочую точку. Определяем выходные амплитуды тока и напряжения.

Определяем выходную колебательную мощность, отдаваемую транзисторами в нагрузку,



Определяем входную колебательную мощность оконечного каскада по входной динамической характеристике (см. рис. 1):

Коэффициент усиления мощности оконечного каскада усилителя равен:
Для стабильной работы оконечного каскада введем отрицательную обратную связь:

при

Тогда

Для получения входной мощности, составляющей 1,24 Вт, требуется введение в схему усилителя дополнительного каскада малой мощности, т. е. предоконечного каскада.

Выходная мощность предоконечного каскада должна быть не меньше входной мощности оконечного каскада, а даже больше из-за возможных потерь при согласовании каскадов.

По справочнику выбираем транзистор П212А. Он имеет следующие параметры:

fгр = 1 МГц - граничная частота;

Uк доп = 70 В - наибольшее напряжение коллектора в схеме с ОЭ;

Iк доп = 12 А - наибольший ток коллектора;

На выходные статические характеристики транзистора П212А наносим расчетную кривую допустимой мощности рассеяния на коллекторе.

Строим линию нагрузки аб, выбираем рабочую точку с учетом предварительно заданного уровня напряжения питания для оконечного каскада, но без учета цепей температурной стабилизации и потерь в первичной обмотке согласующего трансформатора:

Ек ? 0,5 70 = 35 В

Определяем выходную мощность, отдаваемую предоконечным каскадом



Определяем входную мощность на входе предоконечного каскада:



Коэффициент усиления мощности предоконечного каскада усилителя равен:
Для стабильной работы предоконечного каскада введем отрицательную обратную связь:

при

Тогда


РАСЧЁТ ДВУХТАКТНОГО ОКОНЕЧНОГО
УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ В

Расчёт производится по схеме оконечного каскада на транзистора КТ818А (см. рис.) и следующим исходным данным: Рн = 80 Вт, FH= 40 Гц FB = 12000 Гц, Мн = 3 дБ, Мв = 3 дБ, КГ = 6 %, Rн = 9 Ом. Рабочий диапазон температур Тс = (-40... +40) °С.

1. По справочнику выбираем транзистор КТ818А с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе с теплоотводом при температуре корпуса до 40 °С Р K т max.= 60 Вт.

Использование данного транзистора в двухтактной схеме с выходным и согласующим трансформаторами позволит развить колебательную мощность в нагрузке, равную 80 Вт.

2. Параметры выбранного транзистора следующие:

граничная частота усиления f гр = 3 МГц;

наибольшее напряжение на коллекторе в схеме с ОЭ U к max = 40 В;

наибольший ток коллектора I к max = 10 А;

наибольший обратный ток коллектора I kоэ = 1 мА.

3. На этапе эскизного проектирования построены (см. рис.):


выбрана рабочая точка и показаны входные и выходные амплитуды токов и напряжений на входных и выходных характеристиках транзистора;

получены:

К р ок = 91 - коэффициент усиления мощности оконечного каска да без учёта КПД трансформатора;

Ек = 19 В - величина ЭДС источника питания усилителя.

В рабочей точке определены I р.т = 0,4 А и U р.т = 18,7 В.

4. Определяем оптимальное нагрузочное сопротивление между концами первичной обмотки выходного трансформатора:



5. Определяем потребляемую оконечным каскадом мощность без учёта потерь в трансформаторе:

6. Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторах:




следовательно, на один транзистор приходится

7. По входной динамической характеристике определяем амплитуды возбуждающего напряжения (U вх т) и тока (I вх т), а также среднее за период входное сопротивление каскада переменному току (см. рис.):

8. Выбираем оптимальное сопротивление источника входного сигнала для одного плеча каскада от предварительно найденного значения по формуле Rc = Rвх /4. Линейность проходной динамической характеристики обеспечивается при сопротивлении 0,34 Ома.

9. По расчетным координатам в точках 0, 1, 2, 3, 4, р.т, тока коллектора Iк и сигнала Ес строим проходную динамическую характеристику (рис.):

Ес = Iб · Rc + Uб.э , Iк = f(Ес);

Еса = 0,8 · 0,34 + 0,27 = 0,54 В, Iка = 9,8 А;

Ес1 = 0,6 · 0,34 + 0,25 = 0,45 В, Iк1 = 9,1 А;

Ес2 = 0,5 · 0,34 + 0,21 = 0,38 В, Iк2 = 8,1 А;

Ес3 = 0,4 · 0,34 + 0,19 = 0,33 В, Iк3 = 7 А;

Ес4 = 0,3 · 0,34 + 0,17 = 0,27 В, Iк4 = 6,2 А;

Ес5 = 0,2 · 0,34 + 0,15 = 0,22 В, Iк5 = 5,1 А;

Ес6 = 0,1 · 0,34 + 0,11 = 0,14 В, Iк1 = 4,2 А;

Ес7 = 0,06 · 0,34 + 0,08 = 0,1 В, Iк4 = 3 А;

Ес р.т. = 0,01 · 0,34 + 0 = 0,003 В, Iк р.т. = 0,4 А.

Проходная динамическая характеристика Iк = f(Ec) транзистора КТ818А в режиме В с р.т. (см. рис.)

10. На проходной характеристике определяем положение рабочей точки и амплитуду ЭДС возбуждающего сигнала Ест:

Ес т = Ес max - Ес min = 0,54 – 0,003 = 0,537 В;

Ес р.т. = Ес min = 0,003 В, I р.т. = 0,4 А.

11. Методом пяти ординат определяем составляющие коллекторного тока и коэффициент нелинейных искажений КГ (см. рис.):

Iк max = Iа - I р.т. = 9,8 – 0,4 = 9,4 А;

Iк1 = I1 - I р.т. = 6 – 0,4 = 5,6 А;

Задаёмся коэффициентом асимметрии ? = 0,05, тогда










12. Уточняем колебательную мощность, отдаваемую каскадом в нагрузку:



13. Определяем мощность, развиваемую транзистором предоконечного каскада:




14. Определяем полный коэффициент усиления по мощности:
15. Определяем коэффициент трансформации выходного трансформатора:



16. Определяем сопротивление обмоток выходного трансформатора:






17. Определяем индуктивность первичной обмотки:



18. Определяем частотные искажения в области верхних частот, вносимые трансформатором:



19. Определяем частотные искажения МВ2, приходящиеся на до трансформатора




20. Определяем допустимую индуктивность рассеяния:



21. Определяем падение напряжения на первичной обмотке трансформатора:



22. Уточняем напряжение источника питания:

Е'к = Ek + Ut0 = 19 + 0,374 = 19,374 В.

23. Уточняем потребляемую мощность:



24. Определяем КПД оконечного каскада:

РАСЧЁТ ПРЕДОКОНЕЧНОГО УСИЛИТЕЛЯ
МОЩНОСТИ В РЕЖИМЕ В

1. По справочнику выбираем транзистор П212А с допустимой мощностью рассеяния на коллекторе без теплоотвода при +60 °С Р K т max = = 0,75 Вт.

В задании на проектирование максимальная температура среды составляет 40 °С, а входная расчетная мощность оконечного каскада равна 0,275 Вт, поэтому выбранный транзистор проходит по допустимой мощности рассеяния на коллекторе. При этом запас по допустимой мощности рассеяния на коллекторе позволяет использовать выбранный транзистор в режиме В. Схема включения транзистора с ОБ обоснована в эскизном расчёте.

2. Параметры выбранного транзистора следующие:

граничная частота усиления f гр = 1 МГц;

наибольшее напряжение коллектора U к max = 70 В;

наибольший ток коллектора I к max = 0,5 А;

? ? 0,980-0,995 - коэффициент передачи тока в схеме с ОБ;

? ? 50-200 - коэффициент передачи тока при T = 70 °С;

наибольший обратный ток эмиттера I kоэ = 50 мкА.

3. На этапе эскизного проектирования построены (см. рис.):

выбрана рабочая точка, показаны входные и выходные амплитуды токов и напряжений на входных и выходных характеристиках транзистора;

получены:

- коэффициент усиления мощности предоконечного каскада КР пок = = 99;

- коллекторное напряжение источника питания Ек = 19 В.

В рабочей точке определены I р.т = 0 A, U р.т = 19 В.

4. Определяем оптимальное нагрузочное сопротивление в цепи коллектора между концами первичной обмотки промежуточного трансформатора:



5. Потребляемая каскадом мощность без учёта цепей стабилизации:



6. Определяем среднее за период входное сопротивление каскада переменному току:



7. Для уменьшения коэффициента гармоник выбираем величину сопротивления источника сигнала для предоконечного каскада по формуле:

Rc = 6 · Rвх / 4 = 3930 Ом

8. Для расчёта коэффициента гармоник КГ и определения амплитуды первой гармоники Iт1 по проходной динамической характеристике Iк = f(Ec) получены следующие данные (рис.):

Ес = Iб · Rc + Uб.э , Iк = f(Ес);

Еса = 0,00055 · 3930 + 0,36 = 2,52 В, Iка = 0,137 А;

Ес1 = 0,0005 · 3930 + 0,35 = 2,32 В, Iк1 = 0,127 А;

Ес2 = 0,0004 · 3930 + 0,33 = 1,9 В, Iк2 = 0,11 А;

Ес3 = 0,0003 · 3930 + 0,32 = 1,5 В, Iк3 = 0,082 А;

Ес4 = 0,0002 · 3930 + 0,3 = 1,1 В, Iк4 = 0,05 А;

Ес5 = 0,0001 · 3930 + 0,26 = 0,653 В, Iк5 = 0,023 А;

Ес6 = 0,00005 · 3930 + 0,19 = 0,39 В, Iк6 = 0,01 А;

Ес р.т. = 0 · 2 + 0 = 0 В, Iк р.т. = 0 А.

Ес.т. = Ес.maxЕс.min = 2,52 В,

Iк max = Iа - I р.т. = 0,137 А; Iк1 = I1 - I р.т. = 0,066 А.

Проходная динамическая характеристика Iк = f(Ec) транзистора П212А в режиме В с р.т. (см. рис.)

Задаёмся коэффициентом асимметрии ? = 0,05, тогда











9. Уточняем колебательную мощность, отдаваемую каскадом в нагрузку:



где ?т - КПД согласующего (промежуточного) трансформатора.

10. Определяем мощность, развиваемую промежуточным каскадом на входе предоконечного усилителя:




11. Определяем полный коэффициент усиления мощности рассчиты­ваемого предоконечного каскада:




12. Определяем коэффициент трансформации:



13. Определяем сопротивления обмоток согласующего трансформатора:





14. Определяем индуктивность первичной обмотки:



15. Определяем частотные искажения в области верхних частот, вносимые транзистором:


16. Определяем частотные искажения, приходящиеся на долю трансформатора:



17. Определяем допустимую индуктивность рассеяния:

18. Определяем падение постоянного напряжения на первичной обмотке согласующего трансформатора:



19. Выбираем элементы цепи термостабилизации. Принимаем то базового делителя R7-R8

Iдел = (5-10) Iбп = 10 · 0,0014 = 0,014 А,




где

Вычисляем сопротивление R7:


округляем его до ближайшего стандартного значения 16 Ом.

Вычисляем ёмкость конденсатора, шунтирующего сопротивление R7:



Вычисляем сопротивление R8:



и округляем его до стандартного значения 200 Ом.

Уточняем ЭДС источника питания:

Еґк = Ек + UТ0 = 19 + 0,26 = 19,26 В.

20. Определяем полную мощность, потребляемую каскадом от источника питания:

21. Определяем КПД предоконечного каскада:

Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации