Проектирование усилителя мощности

Изменение частоты  производится дискретно (грубо) с помощью  конденсаторов и плавно с помощью  переменных резисторов.

Входное сопротивление  моста Вина определяется следующим  образом:

На частоте  квазирезонанса  следовательно:

Выходное сопротивление  моста Вина определяется:

На частоте  квазирезонанса   

Нагрузкой для  моста Вина является эмиттерный повторитель  на транзисторах VT1 и VT2 , поэтому предположим, что входное сопротивление эмиттерного повторителя будет максимально большим – в пределах от 150 до 250 кОм. Для того, чтобы R_вхп не шунтировало мост Вина:

 (Ом)

 (Ом)

Примем значения сопротивлений резисторов цепи Вина R1 и R3, равными максимальному значению сопротивления цепи Вина (R_maxЦВ), а значения R2 и R4, равными минимальному значению (R_mixЦВ).

R₁=R₃=20000 (Ом), а R₂=R₄= 2000 (Ом).

Определим значение выходного сопротивления цепи Вина:

 (Ом)

 (Ом)

Определим значение входного сопротивления цепи Вина:

  (Ом)

 (Ом)

 

Рассчитаем ёмкости  C1÷С12:

 

  

Для первого диапазона (X) Гц ¸ (10X)  Гц  при R1+R2= Ом :

 (Ф), 

принимаем = 1.5*10^-7   (Ф)

Пересчитаем значения первого частотного диапазона  в соответствии с принятыми значениями емкостей конденсаторов С₁,С₂:

2.411  (Ф),    26.526   (Ф)

Для второго диапазона (10X) Гц ¸ (100X) Гц:

 (Ф) 

принимаем C₃=C₄= 1.5*10^-8 (Ф)

Пересчитаем значения второго частотного диапазона в соответствии с принятыми значениями емкостей конденсаторов С₃,С₄:

24.114  (Ф),    265.258   (Ф)

 

Для третьего диапазона (100X) Гц ¸ (1000X) Гц:

 (Ф)

принимаем C₅=C₆=1.5*10^-9 (Ф)

Пересчитаем значения третьего частотного диапазона в соответствии с принятыми значениями емкостей конденсаторов C₅=C₆:

241.144  (Ф),    2653   (Ф)

 

Определим токи, протекающие в резисторах:

 

(А)

 (А)

 

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ НЕЛИНЕЙНАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ

 

В качестве нелинейного  элемента выбираем лампу накаливания. Нелинейный элемент (НЭ)  вводится нами в схему для ограничения амплитуды. Сопротивление НЭ зависит от температуры, а та в свою очередь от баланса  мощностей.  При этом постоянная времени НЭ, работающего в автогенераторе, должна быть намного больше периода колебаний на самой нижней рабочей частоте, в этом случае температура НЭ на протяжении периода колебаний не может следовать за изменениями мгновенной мощности и остается постоянной с высокой степенью точности. Таким образом, сопротивление НЭ является функцией действующего значения тока или напряжения, а получаемые автоколебания - синусоидальными. Характеристики нелинейного элемента – лампы накаливания:

Тип	Uст, В	Iср, мА	Iр.о., мА	Iн, мА	t, с
НСМ12х5	0,5 ¸ 3	1	0,6 ¸ 1,8	6	0,4

 

Найдем напряжение лампы:

   (В)

Рассчитаем  значения элементов, через которые  реализована обратная связь.

Найдем  сопротивление лампочки с помощью  ом-амперной характеристики.

I_л=0,0013 А, R_л = 1200 Ом

Выбираем  резистор R₁₂ из условия R₁₂ >> R_л , предположим, что R₁₂=3∙R_л=3600 Ом.

Принимаем R₁₂ = 3,6 (кОм)

R_э~=R₁₂ || Rл  = 0.9   (кОм)

R_СВ = 2·(R₁₂ || R_л ) = 1.8  (кОм)

R₁₃ = R_СВ = 1.8   (кОм)

 

Посчитаем сопротивление ООС:

 (Ом)

Определим коэффициент  отрицательной обратной связи и  коэффициент усиления:

Определим значения напряжений на резисторах R₁₂ и R₁₃

U_R12 = U_H = 0.804(В)

U_R13 = 2U_H = 1.608  (В)

Определим значение емкости конденсатор в цепи ОС:

  (Ф)

Принимаем С₁₈=0.36  (мкФ)

 

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

 

 

Этот усилитель  выполняет две основные функции:

• обеспечивает баланс фаз
• обеспечивает коэффициент усиления ³ 3

 

Рассчитаем  элементы, относящиеся к усилительному  каскаду на транзисторе VT4.

Усилитель напряжения работает на нагрузку (эмиттерный повторитель), на мост Вина, на ООС.

U_вых.у = U_вх.п2 =0.804   (В)

R_{н. у} = R_ООС||R_вхЦВmin.||R_вхп2=1664   (Ом)

 

1. Определим ток в нагрузке:

 (мА)

2. Зададимся  I_Kmin4 и U_КЭmin4 :

 (мА)

          (В)

 

3. Определим I_KMAX4

I_Kmax4 = (2~5) ∙ (2·I_H4 + I_Kmin4)=18   (мА)

4. Определим l₄ :

5. Определим напряжение питания:

Зададимся g₄ = 0,05

 (В)

Принимаем Е_К = 20   (В)

Пересчитаем g₄

6. Определяем значение сопротивления резистора в цепи коллектора транзистора VT4:

  (Ом)

Принимаем R16 = 820 (Ом)

7. Определим падение напряжения на резисторе R₁₇ и величину напряжения, до которого зарядится конденсатор С₂₀:

U_R17 = E_K · g₄ =15.108 (В)

U_C20 = ∙U_вых.у. + U_КЭmin4 + U_R17=18.406   (В)

8. Определим покоя транзистора VT_{4 -} I_П4:

  (мА)

9. Определим напряжение на участке коллектор-эмиттер транзистора VT4 - U_КЭ4:

U_КЭ4 = E_K – (I_П4+ I_Kmin4) ∙ R₁₆ - U_R17=1.544 (В)

10. Определим допустимую мощность, рассеиваемую на транзисторе VT4:

P_КДОП = I_П4 · U_КЭ4 =3.002*10^-3  (Вт)

11. Выбираем транзистор VT4, в соответствии с полученными параметрами, основные характеристики сводим в таблицу вида:

	Модель	Тип	P, мВт	Uкэ доп, В	Ikmax, мкA	βmin	Iко, мА
VT4	KT307A1	n-p-n	15	10	20	80	0,0005

 

12.  Так как значение I_k0 сильно отличается от I_Kmin4, то произведем перерасчет с учетом того, что I_Kmin4= I_ko=30 мкА
13. Определим максимальный ток коллектора транзистора VT4 - I_Kmax4 :

I_Kmax4 = (2~5) ∙· (2·I_H4 + I_Kmin4)=7,064   (мА)

14. Определим ток базы транзистора VT4:

(мА)

15. Определим резистор в цепи эмиттера

 (Ом)

По ряду Е24 принимаем R₁₇=7500   Ом.

16. Определим ток делителя:

I_Д = (2~5)· I_Б4 =0,1215 (мА)

17. Определим значения сопротивлений  резисторов делителя базы:

U_R16=R₁₆∙( )=0,045 (В)

 (Ом)

Принимаем R₁₄=22000   (Ом)

U_БЭ4= -R14∙( )=0,837 (В)

 (Ом)

Принимаем R₁₅=110000 (Ом)

 (А)

18. Определим значение емкости конденсатора в цепи эмиттера:

 (Ф)

Принимаем С₁₉ = 6,2(мкФ)

19. Определим коэффициент усиления каскада на транзисторе VT4:

,

где значение сопротивления в области базы примем r_Б4 = 400 (Ом).

 

(Ом)

R_к~4 = R_H4 || R₁₆=547,162  (Ом)

 

20. Определим входное и выходное сопротивления каскада на транзисторе VT4:

 

R_ВХ4= R₁₄ || R₁₅ || (r_Б4 + r_Э4· (1+b₄))=1152 (Ом)

 r_К4 = =2045  (Ом)

R_ВЫХ4 = r_K4 || R₁₆ =585,317 (Ом)

21. Определим входное напряжение каскада на транзисторе VT4:

   (В)

Рассчитаем  элементы, относящиеся к усилительному  каскаду на транзисторе VT3.

U_ВЫХ.У. = U_вх4 =0,023(В)

R_Н.У. = R_ВХ4=1152 (Ом)

22. Определим ток в нагрузке:

 (мА)

23. Зададимся значениями тока и напряжения I_Kmin3 и U_КЭmin3:

 (мА)

 (В)

 

24. Определим максимальное значение тока коллектора транзистора VT3 - I_KMAX3 :

 

I_Kmax3 = (2~5) · (2·I_H3 + I_Kmin3)=4,387  (мА)

25. Определим величину :

 

26. Определяем значение сопротивления резистора в цепи коллектора транзистора VT3:

  (Ом)

Принимаем R₁₁ =3900 (Ом)

Определим падение  напряжения на разделительном конденсаторе С₁₇:

 

     U_C17 = ∙U_ВЫХ.У. + U_КЭmin3 + U_R12 =2,84 (В)

 

27. Определим ток покоя транзистора VT3I_П3 :

  (мА)

28. Определим значения напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора VT3:

 

U_КЭ3 = E_K – (I_П3+ I_Kmin3)· R₁₁ - U_R12 =19,171 (В)

Определим допустимую мощность, рассеиваемую на транзисторе VT3:

 

P_КДОП = I_П3 · U_КЭ3 =0,084 (Вт)

 

29. Выбираем транзистор VT3, в соответствии с полученными параметрами, основные характеристики сводим в таблицу вида:

	Модель	Тип	P, мВт	Uкэ доп, В	Ikmax, мA	βmin	Iко, мА
VT3	KT361B	n-p-n	150	40	50	40

 

30. Определим ток базы транзистора VT3:

(мА)

31. Определим значение сопротивления резистора в цепи эмиттера:

 (Ом)

По ряду Е24 принимаем R₁₂=16000   (Ом)

32. Определим ток делителя:

I_Д = (2~5)· I_б3 =2,2 (мА)

33. Определим значение сопротивлений  резисторов делителя базы:

U_R11=R₁₁∙( )=196,716   (В)

  (Ом)

Принимаем R10=75000      (Ом)

 

U_БЭ3= -R₁₀∙( )=17,891  (В)

 

 (Ом)

Принимаем R₉= 390   (Ом)

 (А)

34. Определим значение емкости конденсатора в цепи эмиттера :

 (Ф)

Принимаем С₁₆ =1,3*10^-3   (Ф)

35. Определим коэффициент усиления каскада (без ООС) на транзисторе VT3:

где: r_Б3 = 400 (Ом)

 (Ом)

R_K~3 = R_H3 || R₁₁=889,143   (Ом)

36. Определим входное сопротивление  каскада на транзисторе VT3:

R_ВХ3=R₁₀||R₉||(r_б3+r_э3 (1+b₃))=209,798 (Ом)

Определим выходное сопротивление  каскада на транзисторе VT3:

r_К3 =    (Ом)

R_ВЫХ4 = r_K3 || R₁₁=2057    (Ом)

37. Определим общий коэффициент усиления каскадов:

 

K=K₃∙K₄=693,281

 

38.  Определим входное напряжение  предварительного усилителя:

 (В)

 

ЭМИТТЕРНЫЙ ПОВТОРИТЕЛЬ №1 НА ТРАНЗИСТОРАХ VT1, VT2.

 

 

Нагрузкой этого  эмиттерного повторителя является предварительный усилитель, поэтому:

U_Н = U_BX.У=0.015    (В)

R_Н = R_ВХ.3=209.798    (Ом)

 

39. Примем значение тока покоя транзистора  VT2 равным 5 мА

I_П2 = 5 (мА)

40. Примем значение максимального напряжения на участке коллектор-эмиттер равным 20 В, тогда минимальное значение этого напряжения составит:

U_КЭ2min= 0,1∙U_КЭ2max = 2 (В)

Рассчитаем  значение напряжения U_КЭ2:

U_КЭ2=Uн+ U_КЭ2min=2.015 (В)

41. Определим мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT2:

P_К2= U_КЭ2·I_П2 =0.01  (Вт)

42. Определим напряжение источника питания:

Ек=2∙U_КЭ2=4.03 (В)