Пример 2. Расчет бестрансформаторного усилителя мощности с двухполярным питанием

Принципиальная электрическая схема УМ приведена на рис. 4.

Для снижения уровня нелинейных искажений в усилителе используются два параллельно

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема УМ с двухполярным питанием

 

включенных выходных каскада. Основной каскад выполнен на транзисторах VT3, VT4 и работает в режиме усиления класса B, вспомогательный - на транзисторах VT5...VT8 и

работает в режиме класса AB. Резисторы R₅... R₁₄, диоды VD3, VD4, транзисторы VT1, VT2 и стабилитроны VD1, VD2 обеспечивают необходимое смещение напряжения на базах выходных транзисторов VT3...VT8 и задают режим работы обоих каскадов.

При малых уровнях входного сигнала транзисторы основного каскада закрыты и работает только вспомогательный каскад. Резисторы R₁₉, R₂₀ создают необходимую термостабилизацию вспомогательного каскада, а резисторы R₁₅, R₁₆ ограничивают базовый ток транзисторов VT5, VT6.

С ростом входного напряжения начинают открываться транзисторы VT3, VT4 и увеличивается ток, поступающий в нагрузку от включенных параллельно выходных каскадов.

Увеличение тока, протекающего через резисторы R₁₉, R₂₀, приводит к росту падения напряжения на них и ограничению тока транзисторов VT7, VT8. Обычно сопротивление резисторов R₁₇, R₁₈ выбирается равным 2 ... 10 Ом, что ограничивает ток транзисторов VT5, VT6 на уровне 40... 200 мА.

Каскад предварительного усиления выполнен на операционном усилителе DA1 широкого применения. Операционный усилитель (ОУ) лучше выбирать быстродействующего типа. Корректирующие элементы подключаются к микросхеме DA1 согласно паспортным данным. Стабилитроны VD1, VD2 стабилизируют напряжение питания микросхемы DA1, которое одновременно используется для создания необходимого напряжения смещения выходного каскада. Конденсаторы С₂, С₃ - сглаживающие фильтры.

Резистор обратной связи R₂ и резистор R₁ определяют коэффициент усиления операционного усилителя. Конденсаторы C₄...C₇ корректируют частотную и фазовую характеристики каскада.

Переменный резистор R₁₀ используется для установки тока покоя транзисторов VT7 и VT8, работающих в режиме класса АB, при одновременной установке нулевого тока покоя транзисторов VT3 и VT4, работающих в режиме класса B.

При выборе транзисторов необходимо иметь в виду, что транзисторы VT1 и VT2, VT3 и VT4, VT5 и VT6, VT7 и VT8 составляют комплементарные пары и технические характеристики каждой пары должны быть примерно одинаковыми. Кроме того, транзисторы VT3, VT4 могут быть составными.

Защиту от перегрузок и короткого замыкания усилитель не имеет, поэтому ее необходимо предусмотреть в источнике питания.

Учитывая, что в современных справочниках, как правило, ВАХ транзисторов не приводятся, расчет параметров усилителя мощности осуществляем аналитическим методом.

 

Исходные данные для расчета:

- максимальная выходная мощность усилителя, Вт;

- сопротивление нагрузки, Ом.

Расчет

1. Определяем с небольшим запасом мощность, отдаваемую резисторами выходного каскада в нагрузку

, Вт.

2. Находим максимальное и среднее значения коллекторного тока транзисторов одного плеча за период

3. Рассчитываем амплитуду напряжения на нагрузке

, В.

4. Вычисляем напряжение источника питания и округляем его до ближайшего из рядарекомендованных напряжений [6]

, В

5. Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзисторов одного плеча за полный период сигнала:

6. Распределяем мощности рассеивания и токи коллекторов транзисторов одного плеча

7. Выбираем из справочника [7] или приложения 1учебно-методического пособия типы транзисторов VT1, VT3 из условий, что

где - максимальное постоянное напряжение коллектор-эмиттер выбранного типа транзистора,

- максимальная постоянная рассеиваемая мощность коллектора,

- максимальный импульсный ток коллектора,

- максимальный постоянный ток коллектора.

Желательно также выбирать транзистор VT3, чтобы

- минимальные значения коэффициентов усиления по току транзистора схем с общим эмиттером (ОЭ).

В противном случае необходимо вместо транзистора VT3 устанавливать составной, как это сделано во вспомогательном каскаде. Обычно параметры транзисторов выбирают с 40-50% запасом по напряжению, а по току и мощности запас может быть и гораздо выше (10-20) раз. Выписываем из справочника основные паспортные данные выбранных типов транзисторов.

8. Выбираем также из справочника типы транзисторов VT4, VT6, VT8 другого плеча усилителя, имеющих другую проводимость и составляющих комплементарную пару с транзисторами VT3, VT5, VT7 соответственно.

Параметры транзисторов комплементарной пары должны быть примерно одинаковыми.

9. Рассчитываем площадь радиаторов под транзисторы VT3, VT4, VT5, VT6, VT7, VT8оконечного каскада по формуле

,

где - температура перехода транзистора, °С,

- максимальная температура окружающей среды, °С,

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

Максимальную температуру окружающей среды выбираем произвольно с учетом предполагаемой области использования усилителя.

10. Определяем значения резисторов

Выбираем ближайшее стандартное значение резисторов из ряда номинальных значений Е24 [8] или приложения 2.

11. Рассчитываем максимальное значение базового тока транзистора VT5

где - минимальное значение коэффициента усиления по току транзистораVT5.

12. Рассчитываем значения сопротивлений резисторов , и ,

- напряжение питания выбранного типа ОУ. Выбираем значение =15В. Если напряжение УМ 18В и меньше, то ОУ выбираем с меньшем на 2…3В напряжением питания.

13. Выбираем из справочника [10] или приложения 1тип диодов VD3, VD4и выписываем их характеристики исходя из условия

,

где - максимальный ток делителя R₁₁, VD3, VT1, R₁₃;

- постоянный прямой ток диода.

Максимальный ток делителя принимаем равным = 10 мА.

14. Выбираем VT1 и VT2 из расчёта:

 

15. Находим значения резисторов R₁₁, R₁₂

16. Вычисляем значения резисторов R₇, R₈ и R₁₀

,

где - ток базы транзистора VT1.

Выходной ток ОУ принимаем равным . Значение резистора R₁₀ находим как

17. Определяем значения резисторов начального смещения R₅, R₆

.

18. Из справочника [11]выбираем быстродействующий тип ОУ и выписываем его основные параметры. Уточняем необходимые внешние корректирующие элементы (если таковые необходимы). Если выбран такой ОУ, что , тогда цепочка элементовR3, R4, VD1, VD2, C1, C2 удаляют из цепи.

19. Из справочника [10] выбираем тип стабилитронов VD1, VD2 с напряжением стабилизации . Выписываем основные параметры стабилитрона.

20. Рассчитываем значения сопротивлений балластных резисторов R₃, R₄

где - напряжение стабилизации выбранного типа стабилитрона, т.е. равное напряжению питания операционного усилителя ,

- ток нагрузки параметрического стабилизатора,

- минимальный ток стабилизации стабилитрона.

Проверяем, чтобы

где - максимальный ток стабилизации выбранного типа стабилитрона.

21. Конденсаторы фильтра С₂, С_З по цепи питания микросхемы DA1 выбираем 10,0...30,0 мкФ. Корректирующие конденсаторы С₄, С₅, С₆, С₇ выбираем

В процессе наладки УМ емкость конденсаторов С₄...С₇ может быть скорректирована.

22. Находим коэффициент усиления по напряжению усилителя при стандартном значении линейного входного напряжения по формуле

и значение резистора R₂

Резистор R₁ определяет входное сопротивление усилителя. Принимаем = 10 кОм.

23. Вычисляем емкость раздельного конденсатора C₁

где ,

- минимальная рабочая частота, Гц,

,

- коэффициент нелинейных искажений, дБ.

Принимаем

Из справочника [9] или приложения 2выбираем стандартное значение емкости конденсатора C₁ и его тип.

24. Для всех резисторов УМ определяем мощность рассеивания по формуле

и выбираем их типы [8].

25. Примерно оцениваем КПД усилителя

где - выходная мощность усилителя,

- примерная сумма мощностей, выделяемая на электро-радиоэлементах схемы (транзисторах, резисторах, диодах).

26. Найдем ток, потребляемый усилителем :

Потребляемый усилителем является выходным током стабилизатора .