Розрахунок вихідного двотактного трансформаторного підсилювача потужності в режимі роботи класу А або В

Міністерство освіти України

Львівський технічний коледж

Радіотехнічний факультет Кафедра електронних апаратів

 

На тему: ’’Розрахунок вихідного двотактного трансформаторного підсилювача потужності в режимі роботи класу А або В’’

з курсу ’’Основи радіоелектроніки’’.

Виконав студент групи 32-РТ:

Гайчук Павло Юрійович

Прийняв викладач:

Васін Анатолій Олексійович

Львів 2000

Зміст

.	Завдання		……………………………………………..					3	ст
.	Вступ	…………………………………………………..						4	ст
.	Розрахунково-пояснюавльна записка						……..	7	ст
.	Специфікація………………………………………….							16	ст
.	Графічна частина			…………………………………				18	ст
.	Аналіз і висновки				……………………………..			20	ст
	Використана література					………………………..		22	ст

Завдання:

№ варіанта	Режим роботи	Рвх. Вт	Кг, %	mН=mв дБ	fH , Гц	fB, кГц	RН, Ом	Тр.н.с.. С°
5	А	2,0	3,5	2,0	120	16	12	33

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.

Зміст

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 (Е_і) і внутрішнім опором (Z_і).

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.

І. Вибір типу транзистора:

 

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

[Вт],

де η_т=0,8 – ККД вихідного трансформатора.

2) Потужність, яка розсіюється на колекторі транзистора:

,

де η_А=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 Р_kmaxp. – максимально допустима розрахункова потужність транзистора, який вибирається.

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

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

Т_дс=+33⁰С – температура довколишнього середовища

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

[кГц],

де М_в – визначається у відносних одиницях:М_в=М_н(дБ)=20lgМ_в

М_в=М_н=

5) Вибираємо тип транзистора виходячи з умов:

Вибрав транзистор ГТ403А:

f_h21e=1000 кГц;

P_kmax=4 Вт (з тепловідводом).

Так, як умова P_kmaxр≤ P_kmax виконується тільки при наявності тепловідводу, то проводжу розрахунок поверхні охолодження радіатора:

[см²],

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

6) Тип вибраного транзистора та параметри вибраного транзистора:

P_kmax=4 Вт (з тепловідводом);

f_h21e=1000 кГц;

U_{ke max}=30 В;

h_21e=20¸60;

I_kmax=1,25 А;

R_TT=15⁰С/Вт

ІІ. Розрахунок режиму роботи транзистора по

постійному струму:

 

1)  Напруга на колекторі транзистора в режимі спокою:

U_ke0=(0.3¸0.5)U_{ke max} = 0,3∙20 = 6 [B]

2)  Напруга джерела живлення:

E_k=2.25U_ke0= 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: {I_k0; U_ke0; І_б0} (див. графічну частину РИС.1):

U_ke0=6 B;

I_k0=0.46 A;

I_б0≈23 mA.

5) Величинаемітрного струму в режимі спокою:

I_e0=I_k0+I_б0=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 R_к~:

U_Rk~=Ik0∙R_к~= 0.46∙14.4 = 6.6 [B]

3) Напруга між колектором і емітером транзистора:

U_ke~=U_k0+U_Rk~= 6+6.6 = 12.6 [B]

4) На РИС.1 наносимо точки {0, U_ke~} та {I_k0, U_ke0}.

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

I_{k min}=2.0 mA;

I_{k max}=0.88 A;

U_{ke max}=12.6 B;

U_{k 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:

P_k~=0.125∙(I_{k max} - I_{k min})²∙R_k~=

=0.125∙(0.88-2)²∙14.4 = 2,26 [Bт]

2) Перевірка виконання умови:

P_k~≥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):

{I_б0;U_бe0}, {I_бmax;U_бemax}, {I_бmin;U_бemin}

I_б0 = 23 mA;

U_бe0 = 0.47 B;

I_{б max} = 64 mA;

U_{бe max} = 0.68 B;

I_{б min} = 2 mA;

U_бemin = 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:

K_UдБ=20lg K_U =26,19 [дБ]

6) Коефіцієнт підсилення по потужності:

K_PдБ=10lgK_P =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 І_к=f(E_i): для цього визначаємо значення U_ke 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.

	т. А	т. Р	т. В
Uke, B	2,8	6	9
Ik, A	0,66	0,46	0,26
Iб, mA	48	23	8
Uбe, B	0,6	0,47	0,36
E, B	24,6	11,97	4,36

 

3) Виділяємо на наскрізній характеристиці (РИС.3) п'ять ординат - значень колекторного струму у характерних точках:

I_{k min}=0.26 A;

I_{k сер}=0.46 A;

I_{k max}=0.66 A;

I_k1=0.36 A;

I_k2=0.56 A.

4) Амплітудні значення 2, 3, 4 гармонік колекторного струму:

I_km1=[(I_{k max}-I_{k min})+(I_k2-I_k1)]= [(0.66-0.26)+(0.56-0.36)]=0.2 A

I_km2=[(I_{k max}+I_{k min})-2I_{k cер}]=[0.66+0.26-2∙0.46)]=0 A

I_km3=[(I_{k max}-I_{k min})-2∙(I_k2-I_k1)] = [(0.66-0.26)- -2*(0.56-0.36)]=0 A

I_km4 = [(I_kmax+I_kmin)-4∙(I_k2+I_k1)+6∙I_kcер] = [0.92- -4∙0.92+6∙0.46]=0 A

5) Перевіряємо правильність розрахунків амплітудних значень гармонік колекторного струму^

I_{k max}= I_km1+I_km2+I_km3+I_km4+I_kcер, де

I_{k cер}=[ I_{k max}+I_{k min}+2I_k2+2I_k1]= [0.92+1.12+0.72]=0.46 A

I_{k max}=0.46+0.2=0.66 (Умова виконується).

6) Обчислюємо значення К_Гр%:

К_Гр%

7) Перевіряємо виконання умови:

К_Гр%≤К_Г%.

0<3.5

(умова виконується).

VII. Розрахунок елементів схеми підсилювача:

 

Елементи ланки емітерної термостабілізації транзистора:

1)  Значення резистора R_e:

R_e=

2)  Значення резисторів R_e1 R_e2 звичайно приймають рівним 1 Ом:

R_e0=

R_e1 =R_e2=1 [Oм]

3)  Вибираємо стандартне значення опорів

R_е1ст=R5_{1 ст}= 1 Ом;

R_е2ст=R5_{2 ст}= 1 Ом;

R_е0ст=R5_ст= 3,6 Ом.

Елементи розв'язуючого фільтра R_ф і С_ф:

1)  Значення резистора R_ф:

U_Rф=(0.1¸0.3)E_k

U_Rф=0.2∙E_k=0.2∙13.5=2.7 [B]

I_П=(3¸10)І_б0

I_П=7∙І_б0=7,23∙10^-3161 mA

 

2)  Вибір стандартного значення

R_{ф ст}=R6_ст=9.1 Ом

3) Ємність розв'язуючого фільтру С_ф

С_ф≥[Ф]

4) Вибір стандартного значення С_Фст=СЗ_ст:

С_Фст=СЗ_ст=3∙10^-3 [Ф]

5) Вибір робочої напруги на С_Ф=СЗ. Вибирається з умови: U_Cфр≥1.5∙(E_k-U_Rф)

U_Cфр≥1.5∙(13.5-2.7)=16.2 [B]

Елементи подільника напруги:

1)   Значення резисторів R2=R4, R1=RЗ, при умові, що R2=R4≥(3¸5)R_{вх VT}:

R2=R4= [Ом]

R1=RЗ=[Ом]

2)  Вибір стандартного значення опорів:

R1_ст=RЗ_ст=16 Ом

R2_ст=R4_ст=51 Ом

Потужність, яка розсіюється на резисторах:

P_Re0=2∙∙R_eocm=2∙(0.5)²∙3.6≈1 [Bт]

P_Rф=2∙(I_П+I_б0)²∙R_фcm=2∙((161+23)∙10^-3)²∙9,1=0,62 [Вт]

P_Re=P_Re1=(I_П+I_б0)²∙R_e1cm=(0.5)²∙1=0.25 [Вт]

P_R1=P_R3=(I_П+I_б0)²∙R1_cm=(184∙10^-3)²∙16=0.54 [Вт]

P_R2=P_R4=(I_П)²∙R2_cm=(161∙10^-3)²∙51=0.98 [Вт]

Вибір типу резисторів:

(Див. специфікацію)

Роздільні конденсатори:

1)   Значення ємностей роздільних конденсаторів С1 і С2:

С1 і С2=[Ф]

2) Вибираємо стандартне значення конденсаторів С1_ст, С2_ст:

С1_ст=С2_ст=4,3 [мкФ]

3)  Робоча напруга на роздільних конденсаторах С1 і С2:

U_C1p,C2p≥1.5∙E_k

U_C1p,C2p=1.5∙13.5=20.25 [В]

Вибираємо тип конденсаторів:

(Див. специфікацію)

VIII Розрахунок вихідного трансформатора:

 

1) Коефіцієнт трансформації.

n=

 

2) Опір первинної і вторинної обмоток трансформатора.

r₁=[Ом]

r₂=[Ом]

C=0.5 – коефіцієнт, який врахохвує наявність в первинній обмотці трансформатора постійної складової струму і лежить в межах (0,2¸0,7)

 

3) Індуктивність первинної обмотки трансформатора.

L₁=[Гн]

Поз. познач.	Назва		К-ть	Приміт-ки
	Резистори
R51, R52	C2-27-0.25-1 Ом±0.5%	2
R2, R4	C2-23-1.0-51 Ом±2%		2
R1, R3	C2-23-1.0-16 Ом±2%		2
R6	C2-23-1.0-9.1 Ом±2%		1
	Конденсатори
С1, С2	K71-3-160 B-4.3 мкФ±1%	2
С3	K71-3-160 B-3 мкФ±1%		1
	Транзистори
VT1, VT2	ГТ403А		2

Типова схема двотактного трансформаторного підсилювача та транзисторах включених по схемі з спільним емітером

В даній курсовій роботі я спроектував вихідний двотактний трансформаторний підсилювач потужності в режимі роботи класу А.

Так як в даній роботі мені було потрібно одержати максимальний коефіцієнт підсилення по потужності при коефіцієнті гармонік 4%, я вибрав схему включення транзисторів зі спільним емітером. Як відомо саме таке включення дає найбільший коефіцієнт підсилення при, великому коефіцієнті гармонік.

Для підсилювача було вибрано транзистори типу ГТ403А структури n-p-n, тому для відкриття транзисторів на їх бази потрібно подавати додатні пів хвилі відносно “землі ”.

Так як вибраний транзистор задовільняє потрібній потужності лише за умови присутності радіатора, було проведено розрахунок його площі охолодження.

За напругу живлення було прийнято нестандартну напругу 13,5 В, тому потрібний розрахунок фільтра.

Максимальні значення колекторного і базового струмів не перевищують заданих для даного транзистора в довіднику.

Розрахував, що попередній каскад повинен бути інверсний і забеспечувати вихідну напругу 0,26 В і потужність 4,03 mВт . При цьому вихідна потужність буде рівна заданій, а коефіцієнт підсилення по потужності буде складати 27,49 дБ.

Розрахунковий коефіцієнт гармонік рівний 0, що не перевищує заданого. Тому каскад вносить допустимі нелінійні спотворення і не потребує введення від’ємного зворотного зв’язку.

Також були розраховані елементи емітерної термостабілізації, елементи подільників напруги зміщення робочої точки фіксованою напругою бази, роздільні конденсатори, що служать для затримання постійної складової попереднього каскаду і частковий розрахунок електричних параметрів вихідного трансформатора.

Список використаної літератури

1) Цыкина Г.В. Проэктирование транзисторних усилителей низкой частоты «Связь», 1978.

2) Гершунский Б.С. Справочник по расчету електрон-ных схем «Вища школа», 1983.

3) Транзисторы широкого использования. Справочник Под ред. Перельмана. 1981.

4) Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник. Под ред. Горюнова Н.Н.

5) Р.М. Терещук, К.М. Терещук, С.А. Седов «Полупроводниковые приемно-усилительные устройства» Справочник кадиолюбителя. К.-«Наукова думка», 1987.

6) . Під ред. Горюнова Н.Н. «Справочник по полупро-водниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам» «Энегния» – Москва – 1976.

7) Під ред. Горюнова Н.Н. «Справочник по полупро-водниковым диодам и транзисторам». Випуск №2 – «Энегния» – Москва – 1968.

8) Е.И. Манаев «Основы радиоэлектроники» - «Радио и связь» - 1985.

9) А.О. Васін. Конспект лекцій – ЛТК – Львів – 2000.