Розрахунок підсилювача низької частоти

ЗАВДАННЯ

Розрахувати кінцевий двотактний трансформаторний підсилювач потужності, який працює в режимі В з трансформаторним попереднім підсилювачем.

ВИХІДНІ ДАНІ

Вихідна потужність підсилювача Pвих=2 ,1 Вm

Напруга джерела живлення Ek= +20 В

Опір навантаження RH=4 Oм

Коефіцієнт гармонік Kг=6 %

Робочий діапазон частот (FH та Fb ) 100 – 20000 Гц

Коефіцієнт частотних спотворень на верхніх

та нижніх частотах відповідно: Мн=1,2 та Мв=1,4

Чутливість підсилювача 0,05 B

Зобразимо ПНЧ з використанням кінцевого двотактного трансформаторного каскаду підсилювача і попереднього трансформаторного каскаду на рис. 1

1.РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ

1.1. Проведемо вибір транзистора.

Вибір проведемо по значеннях розсіюваної потужності на колекторі, граничної частоти підсилення максимального значення колекторного струму та напруги.

1.1.1. Знаходимо ККД вихідного трансформатора Tp2 у відповідності [1] (табл.3, с.14)

1.1.2. Визначимо вихідну потужність транзисторів VT2, VT3 [1]

1.1.3. Визначимо загальну вихідну потужність транзисторів [1]

1.1.4. Знаходимо потужність, яка розсіюється на колекторі кожного транзистора [1]

де - ККД колекторного кола в режимі В

З врахуванням коефіцієнту запасу [1]

отримаємо

1.1.5. Визначимо вимоги до транзистора по граничній частоті, виходячи з заданого Мв [1]

1.1.6. Визначимо мінімальне та максимальне значення напруги між колектором та емітером [1]

Приймаємо

1.1.7. Знаходимо величину постійної складової колекторної напруги [1]

1.1.8. Знаходимо амплітуду колекторної напруги з умови [1]

При цьому повинні виконуватися умови:

1)

2)

1.1.9. Знаходимо максимальне значення колекторного струму [1]

де Ikm – значення амплітуди колекторного струму, яке визначає коливальну потужність в колекторних колах транзисторів

1.1.10. Проведемо вибір транзистора по таких значеннях:

тип n-p-n

По даних значеннях вибираємо транзистор KT801A, у якого

- Максимальна потужність розсіювання на колекторі

- Максимальна напруга колектор-емітер

- Максимальний постійний струм колектора

- Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі

з загальним емітером

- Гранична частота передачі струму

- Транзистор n-p-n типу

Розрахунок проводимо по значенню

Для задовільної симетрії двотактного підсилювача потужності, підбирається 2 транзистори, у яких різниця коефіцієнтів складає не більше 30%, тобто

1.2. Визначимо режим роботи транзистора по постійному струму

1.2.1. Визначаємо постійну складову струму бази по вхідній характеристиці (рис.2)

Для цього до майже прямолінійної ділянки вхідної характеристики проведемо дотичну лінію, точка перетину якої з віссю абсцис (т. М рис.2)

Отже та (точка Р на рис.2)

1.2.2.Визначимо постійну складову колекторного струму Ikc по вихідних характеристиках (рис.1)

При значення (т. Р на рис.1)

1.2.3.Визначимо по вихідних характеристиках максимальне значення струму бази ІбN та по вхідних, максимальне значення UбеN [1]

та (точка N на рис.2 і рис.1)

отже насправді даний режим є режимом АВ, оскільки при малому рівні вхідного сигналу даний ПП працює в режимі А, завдяки чому зникають нелінійні спотворення (по парним гармонікам) на початкових ділянках вхідної характеристики. Але так як

та

то при великому сигналі ПП фактично працює в режимі В.

1.3. Визначимо режим роботи транзистора по змінному струму

Динамічна лінія навантаження одного транзистора, без врахування впливу колекторного струму іншого транзистора визначається точками N та P, але оскільки в моменти часу , коли Uвх=0, ПП переходить в режим А (при якому , то еквівалентна динамічна лінія навантаження буде визначатися точками N

та M(рис.1) )

1.3.1. Визначимо еквівалентний опір колекторного кола по змінному

струму [1]

1.3.2. По рис.2 визначаємо вхідний опір транзистора в схемі з загальним емітером [1]

Тоді

1.4. Визначимо електричні параметри трансформатора.

1.4.1. Знайдемо необхідний коефіцієнт трансформації n вихідного трансформатора (для одного плеча) [1]

1.4.2. Знайдемо активний опір первинної обмотки вихідного трансформатора (для одного плеча)[1]

1.4.3. Знайдемо активний опір вторинної обмотки вихідного

трансформатора [1]

1.4.4. Знайдемо частотні спотворення на нижній частоті [1]

Приймаємо індуктивність первинної обмотки (для одного плеча)

1.4.5. Знаходимо частотні спотворення на верхній частоті [1]

1.5. Визначимо елементи підсилювача потужності, які задають його режим роботи по постійному струму.

1.5.1.Резистор R6 забезпечує температурну стабільність струму емітера, крім того він вирівнює амплітудні значення емітерного струму транзистора, що покращує симетричність плеч двотактного підсилювача потужності [1]

Приймаємо R6=1,8 Ом

Визначимо потужність, що розсіюється на R6

В відповідності до номінальних рядів[2], приймаємо

1.5.2 Визначимо необхідну напругу живлення для схеми підсилювача потужності [1]

1.5.3 Визначимо величину струму дільника Iдiл[1]

Струм дільника повинен задовольняти наступним трьом умовам:

де Ікcр - середнє значення струму яке споживається колекторними колами транзисторів від джерела живлення Ек

Отже приймаємо струм дільника Ідiл=0,042 A

1.5.4 Знайдемо величину опору та потужність резистора R5[1]

Спочатку визначимо напругу на резисторі U5

Визначимо потужність, що розсіюється на R5

В відповідності до номінальних рядів[2], приймаємо

1.5.5 Визначаємо величину опору та потужність резистора R4[1]

тоді

Визначимо потужність, що розсіюється на R4

В відповідності до номінальних рядів[2], приймаємо

1.6 Проведемо приблизну оцінку нелінійних спотворень

161 Знайдемо коефіцієнт нелінійних спотворень по другій гармоніці [1]

Враховуючи можливу асиметрію плечей ПП

,таке відношення значень струмів отримується, якщо

або 2,4%

1.6.2 Визначимо струм колектора при струмі бази Іб0.5=0.5 ІбN по вихідних характеристиках (рис.1) [1]

Тоді та

1.6.3 Знайдемо коефіцієнт спотворень по третій гармоніці [1]

або 16,7%

1.6.4 Знаходимо загальний коефіцієнт гармонік [1]

1.7 Визначимо вихідні дані для розрахунку попереднього підсилювача низької частоти

1.7.1 Визначимо загальну потужність яка споживається від джерела живлення при максимальному сигналі[1]

1.7.2 Знаходимо ККД двотактного ПП [1]

або 16,7%

1.7.3 Знаходимо потрібну напругу сигналу на одному з плечей вторинної обмотки вхідного трансформатора[1]

1.7.4 Визначимо опір навантаження вхідного трансформатора [1]

1.7.5 Визначимо потужність сигналу яка споживається навантаженням вхідного трансформатора

Розрахуємо площу радіатора

Площа радіатора повинна задовольняти умову

звідки

2.РОЗРАХУНОК ПОПЕРЕДНЬОГО ПІДСИЛЮВАЧА

НИЗЬКОЇ ЧАСТОТИ (ПНЧ)

Для розрахунку будемо користуватися даними визначеними в п.1.7 попереднього розділу

2.1 Визначимо коливальну потужність в колекторному колі транзистора[1]

Приймаємо коефіцієнт корисної дії вхідного трансформатора [1]

2.2 Визначимо величину напруги на емітерному опорі U2[1]

Приймаємо

2.3 Оцінимо можливе значення амплітуди колекторної напруги [1]

де Uke min-мінімальна напруга колектор-емітер, вона становить для малопотужних транзисторів Uke min=2 B

Приймаємо з деяким запасом Ukem=10 B

2.4 Знаходимо амплітуду колекторного струму [1]

2.5 Визначимо постійну складову колекторного струму[1]

Приймемо коефіцієнт запасу рівним [1] kз=0,8

2.6. Визначимо потужність, яка розсіюється в колекторному колі [1]

2.7. Проведемо вибір транзистора[1]

По значенях

mun n-p-n

По даних значеннях вибираємо транзистор КТ503В, у якого [3]

Максимальна розсіювальна потужність на колекторі Pk max=350 мВт

Максимальна напруга колектор-емітер Uke max=40 В

Максимальний постійний струм колектора Ik max=150 мА

Статичний коефіцієнт передачі струму в схемі з загальним

емітером h21e=40 .120

Напруга насичення Uke min=0,5 В

Гранична частота передачі струму fh21e=5 МГц

Транзистор n-p-n

2.8. Знаходимо опір колекторного кола по змінному струму [1]

=

2.9. Знаходимо коефіцієнт трансформації для одного плеча трансформатора [1]

2.10. Визначимо опір первинної обмотки трансформатора[1]

2.11. Знаходимо постійну складову напруги Uкес транзистора[1] VT1

Оскільки , то вибраний режим забезпечує необхідну амплітуду колекторної напруги

2.12. По вихідних характеристиках знаходимо точку спокою А по координатах B та визначаємо постійну складову струму бази та

2.13. Визначимо вхідний опір транзистора Rвх.е[1]

Згідно умови, вхідна напруга тобто тоді по вхідних характеристиках , отже

2.14. Визначимо необхідну кількість каскадів n попереднього підсилювача [1]

Кn*=K1K2 …Kn

де К1К2…К(n-1) h21e

тоді як Кn=h21e

звідки

де n – необхідна кількість каскадів

Приймемо, що наш попередній підсилювач низької частоти (ПНЧ) складається з одного каскаду підсилення, тобто n=1, тоді вибраний транзистор повинен мети коефіцієнт передачі струму бази не менше

Вибраний транзистор КТ503В має , отже достатньо одного каскаду попереднього підсилення, при умові що вибраний транзистор буде мати

h21>100,4

2.15. Визначаємо опір резистора R3 в колі емітера [1]

Визначимо потужність, що розсіюється на R3

2.16. Визначимо параметри резисторів базового подільника R2, R1 [1]

а) опір

Прийнявши струм подільника

знайдемо

б) потужність

Отже тоді вхідний опір підсилювача [1]

2.17. Визначимо величину ємності роздільного конденсатора С2 [1]

Вважаємо опір джерела сигналу за умовою Rсиг=RвхД=0

Коефіцієнт частотних спотворень розділимо порівну між ємностями С1 та С2:

2.18. Визначимо величину ємності роздільного конденсатора С1[1]

2.19. Визначимо робочу напругу для конденсаторів С1 та С2[1]

3.РОЗРАХУНОК ВХІДНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

3.1 Проведемо вибір осердя трансформатора[2]

Визначимо необхідну індуктивність первинної обмотки (для цього будемо користуватися параметрами знайденими в попередньому розділі)

3.1.1 Визначимо параметр LI02

З попередньогорозділу I0=Ikc=3,6 mA

3.1.2 По значенню добутку LI02=28,8 Гн мА2 визначимо [2]

Для пермолою 45Н - =870

3.1.3 Визначимо постійну [2]

3.1.4 Знайдемо конструктивну постійну А [2]

3.1.5 Вибираємо магнітопровід по довіднику [2]

Вибираємо магнітопровід ШЛ6x12,5 з наступними розмірами (рис.3.1)

Товщина листа 0,35 мм

Рис.3.1

При даних розмірах магнітопроводу повинна виконуватися наступна умова[2]

Де Sм- площина січення магнітопровода, см2

Де Sok- площина січення вікна магнітопровода, см2

Км- коефіцєнт заповнення міді. Приймаємо км =0,91 для товщини листа 0,35 мм

Кок-коефіцієнт вікна магнітопроводу.

Для броневих трансформаторів, приймаємо кок=0,25

lm- середня довжина шляху магнітної лінії, см

lв- середня довжина витка обмотки, см

Умова виконується.

3.2 Визначимо число витків первинної обмотки, яке необхідне для отримання заданої індуктивності [2]

витка

3.3 Приймоємо В=0,2 Тл [2]

Тоді

витка

де Um=Uekm=10 В

Серед значень ma вибираємо найбільше, отже витка

3.4 Визначимо число витків вторинної обмотки [2]

витка, тобто

=800 витка

3.5 Визначимо діаметр провідників первинної обмотки d1 та вторинної d2 обмотки[2]

В відповідності до стандартів приймаємо [2]

Для намотування обмоток стандартний провід ПЭЛ,

діаметру d1=0,08 мм, та діаметром з ізоляцією

та ,

3.6 Перевіримо розміщення обмоток в магнітопроводі [2]

3.6.1 Визначимо кількість витків в шарі циліндричної обмотки

витків в одному шарі

витків

де - товщина матеріалу каркасу, приймаємо =0,5 мм

3.6.2 Визначимо кількість шарів

3.6.3 Визначимо товщину кожної з обмоток та

де - товщина ізоляції між шарами, мм

Приймаємо

Перевіримо умову, якщо сумарна товщина прокладок між обмотками

Умова виконується.

3.7 Визначимо габаритні розміри трансформатора (рис.3.2)

Рис.3.2

4. РОЗРАХУНОК ВИХІДНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

4.1. Проведемо вибір осердя трансформатора [2]

Визначимо необхідну індуктивність половини первинної обмотки (використовуємо в якості вихідних даних параметри, визначені в першому розділі)

Тоді індуктивність всієї первинної обмотки становить

Приймаємо L=0,02 Гн та (з розділу 1) I=I=3,6 mA

Визначимо добуток LI

По значенню добутку визначимо μ[2]

Для сталь електрохімічна Э46 - μ=700

Визначимо постійну τ[2]

Знайдемо конструктивну постійну A [2]

Вибираємо магнітопровід по довіднику [2]

Вибираємо магнітопровід ШЛ20x25 з наступними розмірами (рис. 4.1)

Товщина листа 0,35 мм

Рис.4.1

y=20 мм y=25 мм

h=50 мм b=20 мм

L=80 мм H=70 мм

l=17,1 см

При даних розмірах магнітопровода повинна виконуватися наступна умова [2]

7

де S - площина січення магнітопровода, см

S см

де S- площина січення вікна магнітопровода, см

S см

k- коефіцієнт заповнення міді. Приймаємо k=0,91 для товщини листа 0,35 мм

k- коефіцієнт вікна магнітопроводу.

Для броневих потужних трансформаторів, приймаємо k= 0,37

l- середня довжина шляху магнітної лінії, см

l - середня довжина витка обмотки, см

Умова виконується

4.2. Визначимо число витків половини первинної обмотки, яке необхідне для отримання заданої індуктивності [2]

витка

4.3. Приймаємо В=0,3 Тл [2]

Тоді

витка

де

Серед значень ω та ω вибираємо найбільше, отже ω=89 витка

Число витків всієї первинної обмотки

4.4. Визначимо число витків вторинної обмотки вихідного трансформатора [2]

витка

витка

4.5. Визначимо діаметри провідників первинної d та вторинної dобмотки [2]

В відповідності до стандартів приймаємо [2]

Для намотування обмоток стандартний провід ПЭВ-1,

діаметру dмм, та діаметром з ізоляцією d=0,89 мм

та d=1,2 мм , d=1,28 мм

4.6. Перевіримо розміщення обмоток в магнітопроводі [2]

Визначимо кількість витків в шарі циліндричної обмотки витків в одному шарі

витків в одному шарі

витків

де δ - товщина матеріалу каркаса, приймаємо δ =1,2 мм

Визначимо кількість шарів

N

N

Визначимо товщину кожної з обмоток δ та δ

де δ- товщина ізоляції між шарами, мм

Приймаємо δ=0,1

Перевіримо умову, якщо сумарна товщина прокладок між обмотками

Умова виконується

4.7. Визначимо габаритні розміри трансформатора (рис. 4.2)

Рис.4.2

L = 80 мм = 8 см

Н = 70 мм = 7 см

Визначимо об’єм, який займає трансформатор

Для цього вважаємо, що трансформатор має форму в вигляді куба

ЛІТЕРАТУРА

1. Бочаров Л. Н. и др. “Ращет электронных устройств на

транзисторах” – М. “Энергия”, 1978 г.

2. Лавриненко В. Ю. “Справочник по полупроводниковым

прибором”- К. “Техніка”, 1984 г.

3. Терещук Р. М. “Полупроводниковые приемно-усилительные

устройства. Справочник радиолюбителя.” – К. “Наукова

думка”, 1988 г.

4. Галкин В. И. и др. “Полупроводниковые приборы: Справочник”

- Минск, “Беларусь”, 1987 г.