Проектирование усилителя мощности

Примем Ек=5.1   (В)

 

43. Выбираем транзисторы VT1, VT2, в соответствии с полученными параметрами, основные характеристики сводим в таблицу вида:

	Модель	Тип	P, Вт	Uкэ доп, В	Ikmax, A	βmin	fгр, МГц	Cк, пФ	Iко, мА
VT1	KT815A	n-p-n	1	40	1.5	40
VT2	KT815A	n-p-n	1	40	1.5	40

 

44. Определим ток базы транзистора VT2:

 (мА)

45. Определим ток базы и ток покоя транзистора VT1:

По графику  зависимости  от тока эмиттера определяем, что ≈7,5.

 (А)

 (А)

46. Примем значение тока делителя равным: (А)
47. Определим значение сопротивления резистора в цепи эмиттера транзистора VT2:

I_R8=I_б2+I_П2=5.125*10^-3   (А)

 (Ом)

Принимаем R₈ =620   (Oм)

U_КЭ2=Е_К-R₈∙I_R8=1.922  (В)

U_R8=R₈∙I_R8 =3.178   (В)

48. Примем значение сопротивления резистора R₇ =6200 Ом:

Тогда:

I_R7= I_б1 =3.049*10^-6 (А)

U_R7=R₇∙I_R7 =0.019 (В)

49. Определим значение сопротивлений резисторов в цепи делителя:

=0.7   (А)

(Ом)

Принимаем R₅ =120000    (Ом)

U_R5=R₅∙I_R5 =3.659 (В)

 (В)

 (А)

 (Ом)

Принимаем R₆ =150000   (Ом)

Будем вести  расчет эмиттерного повторителя  по переменному току:

50. Определим эквивалентное сопротивление эмиттера R_Э~ :

R_Э~ = R_H || R₅ || R₆ || R₈ =156.387 (Ом)

51. Определим коэффициент передачи повторителя:

 (Ом)

.

52. Определим входное сопротивление повторителя:

(Ом)

53. Определим выходное сопротивление повторителя:

R_ВЫХ.П = r_Э2 =4.878   (Ом)

54. Определим значение емкости конденсатора С₁₄:

 (Ф)

 

Примем С₁₄=0.91 (мкФ)

55. Определим входное напряжение повторителя:

 (В)

 

РАСЧЕТ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

 

Значения емкости разделительных конденсаторов рассчитываются исходя из приходящихся на них частотных  искажений в области нижних частот. Имеется 9 разделительных конденсаторов. Распределим искажения равномерно между ними:

,

где n - количество разделительных емкостей.

Заданные коэффициенты частотных искажений в области нижних частот приведены в техническом задании. Определим, какие частотные искажения приходятся на одну разделительную емкость:

Следовательно емкость конденсатора должна быть:

Разделительные  емкости рассчитываются следующим  образом:

во входной  цепи   (Ф),

где М_ВХ - частотные искажения, вносимые входной цепью.

Определим значение емкостей конденсаторов С_{13 ,}С₁₅, С₁₇, С₂₀,  С₂₂,  С₂₃,  С₂₅,  С₂₆,  С₃₁:

 

Конденсатор С13.

 (Ом);

 (Ом);

  (Ф),

Выбираем конденсатор С₁₃ типа (  )  на(  ) мкФ, (  ) В.

Конденсатор С15.

(Ом);

 (Ом);

  (Ф),

Конденсатор С17.

   (Ом);

 (Ом);

  (Ф),

Конденсатор С20.

   (Ом);

   (Ом);

  (Ф),

Конденсатор С22.

  (Ом);

  (Ом);

  (Ф),

Конденсатор С23.

   (Ом);

  (Ом);

  (Ф),

Конденсатор С25.

   (Ом);

   (Ом);

  (Ф),

Конденсатор С26.

 (Ом);

  (Ом);

  (Ф),

Конденсатор С31.

 (Ом);

 (Ом);

  (Ф),

 

РАСЧЕТ  ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

 

Так как выходной усилительный каскад питается от источника питания Е_К = В, а остальным каскадам и эмиттерным повторителям необходимы другие значения напряжений источников питания, то необходимо уменьшить напряжение  питания выходного каскада для остальных элементов схемы.  Для решения этой задачи  применяется схема параметрического стабилизатора напряжения:

 

 

    Принципиальная электрическая  схема параметрического стабилизатора  напряжения на стабилитроне приведена  на рисунке:

  

 
       Принцип  действия данного стабилизатора  основан на стабилизации напряжения на нагрузке (на Rн) на уровне напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Данный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, одним из плечей которого является балластный резистор R₁, а вторым - соединенные стабилитрон VD1 и нагрузка Rн. Расчет делителя напряжения проще всего производить, используя закон Ома для участка цепи. т.о. расчет сводится к выбору номинала и мощности балластного резистора R₁.       

 Исходными данными для расчета  являются:           

a) Входное напряжение (U_вх =Е_к), в данном случае равное напряжению источника питания всего устройства или напряжению питания выходного каскада.            

b) Необходимое напряжение на  нагрузке (U_Rн =Ек _{э.п. на VTi}  или U_Rн =Ек _{ус на VTi}), в данном случае равное напряжению питания для какого-либо эмиттерного повторителя либо предварительного усилителя.            

c) Ток, потребляемый нагрузкой  (Iн), в данном случае равный  току для какого-либо эмиттерного повторителя либо предварительного усилителя. 

 

1. С  учетом исходных данных выбирается  стабилитрон с напряжением стабилизации U_VD1 (или U_ст), равным или близким U_Rн , и током стабилизации I_ст, большим примерно в 2 раза, чем ток, потребляемый нагрузкой. Далее,  у выбранного  стабилитрона сводим  основные характеристики в таблицу вида:

Позиционное обозначение	Тип	Uст min, В	Uст max, В	Uст ном, В	Iст ном, A
VD1	Д816Г	35	43	39	0,01
VD2	КС175Ц	7,1	7,9	7,5	0,0001
VD3	2С220Ж	19	21	20	0,0005

 

2. Как видно из рисунка, ток протекающий через балластный резистор R₁ является суммой тока стабилизации стабилитрона VD1  -  I_ст и тока, потребляемого нагрузкой Iн. Именно этот ток (I_н=I_R1) и следует использовать в дальнейших расчетах. В качестве I_R1 принимается сумма токов протекающих через эмиттерный повторитель или предварительный усилитель:

 (А)

Например, для эмиттерного повторителя  на VT7-VT8 значение тока I_R1 определяется следующим образом:

I_R1VT7,8=I_ст+I_д + I_б7 + I_к7 + I_к8 =10·10^-3+4,573·10^-5+3·4,573·10^-6 =0,01(А)

Для эмиттерного повторителя на транзисторах VT5-VT6:

I_R1VT5,6= I_ст+I_д + I_б5 + I_к5 + I_к6 =0,1·10^-3+3,049·10^-5+3·3,049·10^-6 =1,396·10^-4 (А)

Для эмиттерного повторителя на транзисторах VT1-VT2:

I_R1VT1,2= I_ст+I_д + I_б1 + I_к1 + I_к2 =0,5·10^-3+3,049·10^-5+3·3,049·10^-6 =5,396·10^-4 (А)

Для предварительного усилителя на транзисторах VT3,VT4:

I_R1VT3,4= I_ст+I_д + I_б5 + I_к5+I_б6 + I_к6 =0,5·10^-3+1,215·10^-4+3·2,43·10^-5 =6,944·10^-4 (А)

Из  закона Ома для участка цепи определяем значение тока, проходящего через  балластный резистор:

 (А)

3. Значение балластного сопротивления определяется из предыдущего пункта т.е.:

  (Ом)

  (Ом)

  (Ом)

  (Ом)

 

Реальное значение сопротивления R₁ выбирается, как ближайшее к полученному из ряда Е24.

4. Имея значение сопротивления резистора R₁ и ток, протекающий через него, рассчитывается  мощность рассеяния резистора R₁:

 

   (Вт)

   (Вт)

   (Вт)

   (Вт)

 

РАСЧЕТ  РАДИАТОРОВ

 

Радиаторы предназначены для отвода  тепла от транзисторов в схеме, при  мощности, превышающей 1,5 Вт. Т.о. те транзисторы, на которых рассеивается мощность более 1,5 Вт необходимо вынести за разъем, а также рассчитать для каждого площадь радиатора.

Площадь радиатора определим следующим  образом:

  (см²)  ,  где

sТ-коэффициент теплоизлучения от теплоотвода в окружающую среду (для дюралюминия  sТ = 1,5 ( мВт / см²×°С );

R_Тп-с – тепловое сопротивление переход-среда, определяется следующим образом:

  (К/Вт),  где

Т_с - температура среды (в техническом задании задан диапазон рабочих температур усилителя – от 10 до 30 °С , выбираем верхнее значение этого диапазона → Т_с=30°С);

Т_п - температура р-п - перехода, (определяется исходя из справочных данных, можно принять в пределах от 125 до 200 °С);

Р_с – мощность, которую необходимо рассеять.

(В)

  (К/Вт),

  (см²) 

 

(В)

  (К/Вт),

  (см²) 

 

Затем необходимо привести рисунок  радиатора с указанием его  линейных размеров (в см).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок:

VT12,13

 

5см

5см

4см

 

VT10,11

3см

4см

 

РАСЧЕТ АЧХ И ФЧХ УСИЛИТЕЛЯ  НА ТРАНЗИСТОРЕ VT4

 

Рассчитаем амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики для предварительного усилителя на транзисторе VT4, без ОС, для диапазона частот, где частотные искажения не превышают .

 Для расчета АЧХ воспользуемся формулами:

, где 

К₄ – коэффициент усиления на средних частотах для усилительного каскада на транзисторе VT4.

1. Рассчитаем зависимость  коэффициента усиления на НЧ  от частоты:  

Определим значение коэффициента частотных искажений  в области низких частот:

-

,  где

  (с)

  (с)

Определим частоту, на которой Мн= :

=

∙ =

Решив это уравнение  относительно f_н получим значение нижней граничной частоты полосы пропускания. Т.О. f_н=   Гц.

Задаваясь различными значениями частот fн  найдем значения соответствующих коэффициенту усиления K_нч:

№	fн, Гц		Mн	Kнч
1	1	6,283	20,556	1,733
2	5	31,416	4,921	7,238
3	20	125,664	1,985	17,944
4	50,30	316,044	,393	25,57
5	4820	30280	1,004	35,473
6	9590	60260	1,002	35,545
7	14360	90230	1,001	35,57
8	19130	120200	1,001	35,582
9	23900	150200	1,001	35,589

 

2. Рассчитаем зависимость  коэффициента усиления на ВЧ  от частоты: