С однополярным питанием

Принципиальная электрическая схема усилителя мощности приведена на рис. 2.

Транзистор VT1 УМ работает в режиме класса А. Выходные транзисторы VT4, VT5 работают в режиме АВ. «Вольт-добавка» в схеме осуществляется с помощью

Конденсатора C₂. В режиме покоя на нижней пластине конденсатора C₂ имеется напряжение . На верхней пластине с учётом того, что обычно принимается , и

U_кэ1= , напряжение составляет . Соответственно напряжение на конденсаторе будет _. При достаточно большой постоянной времени это напряжение во время работы усилителя не изменяется.Если сигнал на выходе максимальный, т.е. , постоянная составляющая на выходе (правая пластина конденсатора C₄ и нижняя – C₂ приближается к значению , а напряжение питания каскада на транзисторе VT1 в точке соединения R₂ и R₄ будет . Таким образом,напряжение питания каскада предварительного усиления на транзистореVT1 будет выше напряжения . Это позволяет получить на базе выходного транзистора VT4 напряжение усиливаемого сигнала выше, чем , что требуется для схемы с общим коллектором, чтобы обеспечить максимальное использование напряжения питания и наибольший коэффициент полезного действия (КПД) выходного каскада.

С помощью резистора R₁ и конденсатора C₅ обеспечивается отрицательная обратная связь усилителя по напряжению.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема УМ с однополярным питанием

 

На транзисторах VT2, VT3 собрана защита УМ от перегрузки, которая работает

следующим образом. При большом входном сигнале (больше номинального) в выходном каскаде может возникнуть перегрузка транзисторов VТ4, VT5 по току, из-за увеличения напряжения источника питания больше номинального или подключения к УМ сопротивления нагрузки меньше номинального значения. Когда ток в нагрузке имеет номинальное значение, то он вызывает малое падение напряжения на резисторах R₇, R₈, поэтому транзисторы VT2, VT3 закрыты.

При увеличении тока нагрузки возрастает падение напряжения на резисторах R₇, R₈ и транзисторы VT2, VT3 приоткрываются и прикрывают транзисторыVT4, VT5, тем самым ограничивая значение выходного тока на уровне максимально-допустимого значения. Возрастающий ток коллектора транзистораVT2 уменьшает ток базы транзистора VT4. Аналогично работают транзисторыVT3 и VT5.

 

Исходные данные для расчета:

- максимальная выходная мощность усилителя, Вт;

- сопротивление нагрузки, Ом.

Расчет

1. Определяем с небольшим запасом мощность, отдаваемую транзистором VT4 в нагрузку

, Вт.

2. Находим амплитуду тока коллектора транзистора VT4 .

3. Вычисляем амплитуду выходного напряжения

.

4.Находим напряжение питания УМ и округляем его до ближайшего из ряда рекомендованных значений питающих напряжений [6]

,

где - остаточное напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора VT4;

для кремниевых транзисторов;

для германиевых транзисторов.

5. Вычисляем мощность, рассеиваемую транзистором VT4 за период сигнала:

.

6. Из справочника [7]или приложения 1 учебно-методического пособия выбираем типы транзисторов VT4, VT5, составляющих комплементарную пару, с примерно одинаковыми параметрами из условия:

где в левой части рассчитанные выше параметры, а в правой – паспортные параметры транзисторов:

-максимальное напряжение коллектор-эмиттер выбранного типа транзистора;

- максимальный импульсный ток коллектора;

- максимальная мощность транзистора на коллекторе.

Следует выбирать транзисторы с максимальным коэффициентом усиления (500 выше) и с минимальным тепловым сопротивлением .

Выписываем основные технические данные выбранных типов транзисторов VT4, VT5.

7. Рассчитываем, если требуется, площадь радиаторов под транзисторы VT4, VT5 по формуле

,

где - температура перехода выбранного типа транзистора, °С,

- максимальная температура окружающей среды, °С (выбирается студентами самостоятельно с учетом предполагаемой области использования усилителя),

- тепловое сопротивление переход-корпус выбранного типа транзистора, °С/Вт.

8. Вычерчиваем из справочника семейство статических выходных и входных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора VT4. На рис. 3 приведено семейство статических выходных и входных ВАХ транзистора.

Ток покоя составляет примерно 2% от тока коллектора.

 

а)

 

Рис. 3. Семейство а) выходных характеристик транзистора

ТП - точка покоя

 

б)

Рис.3. Семейство б) входных характеристик транзистора

 

9. На семействе выходных ВАХ транзистора вычерчиваем динамическую нагрузочную характеристику. Выбираем положение точки покоя транзисторов VT4, VT5. Определяем с помощью графиков значения

10. Находим амплитуду напряжения между базой и эмиттером транзистора VT4

.

11. Вычисляем амплитуду тока базы транзистора VТ4

.

12. Определяем амплитуду напряжения на входе выходного каскада

.

13. Перейдем к определению параметров транзистора VT1. Находим значение напряжения коллектор-эмиттер транзистора VT1 в точке покоя

, где

– соответствует значению линейного выходного напряжения предварительного усилителя и составляет 200 мВ.

14. С учетом «вольт-добавки» находим напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT5

15. Вычисляем напряжение коллектор-эмиттер транзистора VТ4в точке покоя

.

16. Составляем уравнения для амплитуды тока коллектора транзистора VT1и тока коллектора в точке покоя

 

Решаем полученные уравнения с учетом, что обычно , находим R4 и R2

.

 

Находим значение резистораR₂и округляем его до ближайшего значения ряда Е24 из справочника [8] или приложения 2.Так поступаем дальше для всех рассчитанных значений резисторов и конденсаторов. Находим значение тока , а затем . Значения тока и напряжений и для транзистора VT1 берем из семейства входных ВАХ (рис. 3б) выбранного типа транзистора.

17. Выбираем из справочника [7] тип транзистора VT1 из условий

,

где , –соответственно максимальные значения постоянной мощности, тока коллектора и напряжение на коллекторе-эмиттере выбранного типа транзистора VT1.

Выписываем основные технические данные транзистора.

18. Вычисляем падение напряжения на конденсатореC₂

.

Тогда

.

Убеждаемся, что транзистора VT1.

19. Находим напряжение смещения

.

20. Определяем значение резистора R₃

,

тогда .

Проверяем необходимость шунтирования резистора R₃ емкостью.

Если

то конденсатор C₃не требуется. Входное сопротивление (выбирается из справочника c учетом минимального значения ) или можно принять равным 30…100 Ом.

21. Выбираем значения конденсаторовC₂,C₃ ориентировочно

 

= (1...100) нФ.

Из справочника [9] или приложения 2 выбираем стандартный тип конденсаторовC₂,C₃.

22. Вычисляем значение резистора R₁

- минимальное значение коэффициента усиления транзистора по току, включенного по схеме с общим эмиттером,

.

Значение конденсатора уточняем при наладке схемы усилителя. Моделирование работы схемы усилителя в программе Multisim показало, что типовое значение конденсатора составляет 2 мкФ.

23. Определяем значение емкостей разделительных конденсаторов _,

 

,

где ,

- минимальная рабочая частота, Гц,

- входное сопротивление транзистора, Ом,

- коэффициент нелинейных искажений, дБ.

 

 

Принимаем

.

Значение сопротивления транзистора VT1 выбирается из его паспортных данных или семейства входных ВАХ.

24. Рассчитываем параметры схемы защиты усилителя от перегрузки. Выбираем типы транзисторов VT2, VT3. Эти транзисторы должны работать при малых напряжениях, т.е. должны иметь малое остаточное напряжение. Желательно использовать транзисторы с наибольшим . Граничная частота работы должна быть больше, чем у транзисторов VT4, VT5.

25. Находим значения резисторов R₇, R₈ и R₅, R₆

где (напряжение отпирания транзисторовVT4, VT5),

Если в справочных данных семейства входных и выходных ВАХ выбранных типов транзисторов не приведены, тогда расчет следует проверить, используя другие технические данные, приведенные в справочнике.

26. Приблизительно оцениваем КПД усилителя по формуле

,

где .

 

Мощности, выделяемые на резисторах, рассчитываются по формуле

где и можно найти в расчетах резисторов.

27. Найдем ток, потребляемый усилителем

Потребляемый усилителем является выходным током стабилизатора .