Расчет усилителя мощности низкой частоты

Расчет усилителя мощности низкой частоты

Содержание

1. Блок-схема усилителя мощности

. Расчёт выходного каскада усилителя

. Расчёт предварительного каскада усилителя

. Расчёт фильтра нижних частот

1. Блок-схема усилителя мощности

Рис. 1. Блок схема транзисторного двухкаскадного усилителя мощности низких частот.

Блок-схема содержит фильтр нижних частот, однотактный транзисторный предварительный каскад усиления мощности, однотактный транзисторный выходной каскад усиления мощности, источники питания фильтра и транзисторного каскада.

В усилителях мощностью до 10 Вт используют однотактный каскад, работающий в режиме класса А. Нагрузку к выходу усилителя подключаю через выходной трансформатор. В случае, если коэффициент усиления выходного каскада менее требуемого значения, необходимо использовать предварительный каскад усиления.

Усилитель следящей системы работает в составе аппаратуры промышленной автоматики, подверженной воздействию индустриальных электромагнитных помех как по цепям питания, так и по линиям связи. С целью увеличения надёжности и устойчивости работы системы регулирования, усилитель системы рассогласования целесообразно дополнять помехоподавляющим частотным фильтром, очищающим усиливаемый сигнал от помех. Характер фильтра определяется требуемой формой полосы пропускания и полосы задерживания.

2. Расчёт выходного каскада усилителя

Рис. 2. Выходной транзисторный однотактный каскад усилителя.

Мощность, которая должна отдаваться транзистором:

Ротд = Рн/ ηтрн = 8/0,83 = 9,639Вт

ηтрн = 0,83 - КПД выходного трансформатора.

Мощность, потребляемая цепью коллектора от источника питания, связана с отдаваемой мощностью выражением:

= Ротд/ηk = 9,639/0,45 = 21,419Вт

ηk - КПД каскада в режиме класса А.

Выбираю тип транзистора из условия:

≤ Pkдоп.

доп - допустимая мощность рассеяния на коллекторе транзистора.

Выбираю кремниевый биполярный транзистор n-p-n типа КТ925В.

Параметры КТ925В:

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе: Рkmax = 25Вт;

Максимальный ток коллектора: Ikmax = 3,3А;

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер: Ukэmax = 36В;

Максимальное напряжение эмиттер-база: Uбэmax = 3,5В;

Коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером: β = 80;

- Обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером: Iko= 0,1мА.

Выбираю напряжение питания из условия:

≤ 0,5·Ukэmax

Принимаю напряжение питания Еk = 18В.

Коэффициент передачи тока в схеме с общей базой:

Задаюсь падениями напряжения на эмиттерном сопротивлении и на сопротивлении первичной обмотки трансформатора:

э = 0,1·Ek = 0,1·18 = 1,8В, Uтрн = 0,1·Ек = 0,1·18 = 1,8В.

Напряжение на коллекторе в точке покоя:

П = Ek - Urэ - ∆Uтрн = 18 - 1,8 - 1,8 = 14,4В.

Коллекторный ток покоя:

П = Рkmax/UkП = 21,419/14,4 = 1,487А

Приведенное сопротивление нагрузки в цепи коллектора:

Коэффициент трансформации выходного трансформатора:

На выходной характеристике строю линию нагрузки по переменному току.

Отмечаю точку А (абсолютного закрытого транзистора) с координатами

(Ukэ = UkП + ІkП∙Rнk = 14,4 + 1,487∙10,757 = 30,4В; Іk = 0).

Наношу рабочую точку покоя П’ (UкП = 30,4В; ІkП = 1,487А).

Через точки А и П’ провожу линию нагрузки. Точка Б’ соответствует

Іб = 33,125 мА, точка П’ - Іб = 18,59 мА, точка А’ - Іб = 4,05 мА.

бэmin = 0,8В, UбэП = 1,1В, Uбэmax = 1,4В.

Рис. 3. Выходные и входная характеристики транзистора.

Определяю амплитудные значения тока и напряжения на входе каскада:

Входное сопротивление каскада:

Входная мощность:

вх = 0,5·Uбэm·Ібm = 0,5·0,3·0,015 = 2,181мВт

Коэффициент усиления каскада по мощности:

Коэффициент усиления по мощности выходного каскада заметно меньше требуемого значения. Необходим предварительный каскад усиления.

Рассчитываю значение сопротивления Rэ:

Принимаю Rэ = 2 Ом.

Рассчитываю величину резисторов смещения.

Задаюсь коэффициентом нестабильности Si = 3.

Принимаю R1 = 27Ом.

Принимаю R2 = 5,1Ом.

Ёмкость конденсатора Сэ цепи эмиттерной стабилизации каскада выбираю из условия: сопротивление конденсатора на самой низкой частоте сигнала должно быть на порядок меньше величины сопротивления Rэ.

усилитель частота транзисторный коллектор

Принимаю Сэ = 330мкФ.

Рассчитываю величину входной ёмкости из условия: сопротивление конденсатора на самой низкой частоте сигнала должно быть на порядок меньше величины сопротивления Rвхср.

Принимаю Cр = 150мкФ.

. Расчёт предварительного каскада усилителя

Из расчёта выходного каскада усилителя:

Рис. 4. Входной транзисторный однотактный каскад усилителя.

Мощность, потребляемая цепью коллектора от источника питания:

= Рвх/ηк1 = 4,847мВт

ηк1 = 0,45 - КПД каскада в режиме класса А.

Определяю амплитуду переменной составляющей коллекторного тока.

Задаюсь величиной напряжения питания: Ek1 = 15 В.

Рассчитываю Rk:

Амплитудное значение коллекторного тока покоя:

Выбираю транзистор из условия:

Выбираю кремниевый биполярный транзистор n-p-n типа КТ603А.

Параметры КТ603А:

Максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе: Рkmax = 500 мВт;

Максимальный ток коллектора: Ikmax = 300 мА;

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер: Ukэmax = 30 В;

Максимальное напряжение эмиттер-база: Uбэmax = 3 В;

Коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером: β1 = 80;

- Обратный ток коллектора в схеме с общим эмиттером: Iko= 10мкА.

Коэффициент передачи тока в схеме с общей базой:

Уточняю величину Rk:

Принимаю Rk = 68 Ом.

Нахожу Rэ:

Принимаю Rэ1 = 27 Ом.

Задаюсь падениями напряжения на эмиттерном и коллекторном сопротивлениях.

Напряжение на коллекторе в точке покоя:

На выходной характеристике строю линию нагрузки по переменному току.

Отмечаю точку Б (абсолютного открытого транзистора) с координатами (Іk = 0,8·Ikmax = 240А; Ukэ = 0).

Наношу рабочую точку покоя П’ (UкП = 12В; ІkП = 114мА).

Через точки А и П’ провожу линию нагрузки.

Переношу точки А’, П’, Б’ на входную характеристику транзистора и по положению этих точек нахожу:бэmin = 0,8В; Uбэп = 1,1В; Uбэmax = 1,4В.

Ібmin = 0,01мА; Ібп = 1,425мА; Ібmax = 2,86мА.

Рис. 5. Выходные и входная характеристики транзистора.

Определяю амплитудные значения тока и напряжения на входе каскада:

Входное сопротивление каскада:

Входная мощность:

Коэффициент усиления каскада по мощности:

Коэффициент усиления по мощности двух транзисторных каскадов:

Коэффициент усиления двух каскадов незначительно меньше требуемого значения (5∙104). С учётом коэффициента усиления фильтра нижних частот суммарный коэффициент усиления по мощности схемы будет больше заданного значения.

Задаюсь коэффициентом нестабильности Si = 3.

Принимаю Rб1 = 330Ом.

Принимаю Rб2 = 68Ом.

Ёмкость конденсатора Сэ цепи эмиттерной стабилизации каскада выбираю из условия: сопротивление конденсатора на самой низкой частоте сигнала должно быть на порядок меньше величины сопротивления Rэ.

Принимаю Сэ = 68 мкФ.

Рассчитываю величину входной ёмкости из условия: сопротивление конденсатора на самой низкой частоте сигнала должно быть на порядок меньше величины сопротивления Rвхср.

Принимаю Cр = 8,2 мкФ.

. Расчёт фильтра нижних частот

ФНЧ используется для подавления высокочастотных помех.

Выбираю ОУ для фильтра, исходя из условия:

выходное сопротивление ОУ должно быть не менее входного сопротивления предварительного транзисторного каскада усилителя.

Данному условию соответствует микросхема типа К157УД1.

Напряжение питания: Uп = 15В;

Минимально допустимое сопротивление нагрузки: Rнmin = 200Ом;

Минимально допустимое входное сопротивление: Rвхmin = 1МОм;

Частота единичного усиления микросхемы: f1 = 0,5МГц.

Рис. 6. Фильтр нижних частот на операционном усилителе.

Принимаю R1 = R2 = R = 510кОм, обеспечивая требуемое значение входного сопротивления ОУ.

Частоту среза принимаю в 1,1 раз больше частоты несущего сигнала:

Задаюсь добротностью: Q = 10

Коэффициент затухания: γ = 1/Q = 0,1

Для удобства расчёта принимаю С1 = С2 = С

Принимаю С = 3,3нФ

Коэффициент усиления фильтра:

Коэффициент усиления по мощности всей схемы:

Коэффициент усиления по мощности всей схемы превышает требуемый.

Коэффициент усиления фильтра

Принимаю R4 = 100 кОм.

Принимаю R3 = 200 кОм.

Рис. 7. Частотная характеристика фильтра нижних частот.