Uтр ( Uб-э , Uб-э )

Uтр2 ( Uб-э1, Uб-э2 )
Uб-э1
Uб-э2
0
t
а)
Iк1
0
t
б)
Iк2
0
t
в)
iк1+ (-iк2)
0
t
г)
Uвых
0
t
д)
Рисунок 2
Введение
Низкочастотный усилитель мощности (УМ) предназначен для создания требуемой
мощности сигнала в нагрузке. Обычно нагрузкой УМ служит акустический прибор
(головные телефоны или громкоговорители), воспроизводящий звуковые сигналы.
При расчёте УМ обычно требуется одновременно удовлетворить ряд
противоречивых требований: наиболее полно использовать усилительные свойства
транзисторов, получить хорошую стабильность параметров УМ и, по возможности,
большой коэффициент полезного действия (к.п.д.), обеспечить требуемую полосу
пропускания FН– FВи относительно малые искажения, которые оцениваются
коэффициентом гармоник КГ.
В данной работе, в соответствии с заданием, производится расчёт двухтактного
УМ, работающего в режиме АВ.
Iк1
Тр2
Uвх
Тр1
VT1
Uтр2м
Uтр
R2
R1 Uб-э1
Uб-э2
R3
Iкср
Iдел +2Iбп
- Ек
+
Рисунок 1
Двухтактный УМ, работающий в режиме В, обладает лучшим к.п.д. Кроме того, во
всех двухтактных схемах практически устраняются нелинейные искажения сигнала по
чётным гармоникам. На рисунке 1 представлена одна из возможных схем двухтактного
УМ с транзисторами, включенными по схеме ОЭ. В этом УМ транзисторы работают
поочерёдно. Один из транзисторов формирует положительные полупериоды сигнала,
другой – отрицательные. В выходном трансформаторе токи транзисторов суммируются и
в нагрузку поступает полный сигнал.
Работа двухтактного УМ в режиме В иллюстрируется временными диаграммами (рис.2).
Вторичная обмотка входного трансформатора Тр2 имеет
вывод от средней точки и подключена к транзисторам так, что на их базы поступают
сигналы, равные по амплитуде, но сдвинутые один относительно другого на 1800 (
рис.2,а). Ток в коллекторной цепи каждого транзистора появляется при UБ-Э< 0, то есть
транзисторы работают поочередно (рис.2, б, в). Но так как токи iК1 и iК2 по первичной
обмотке выходного трансформатора текут в противоположных направлениях, то общий
ток, определяющий магнитный поток в сердечнике трансформатора, представляет собой
алгебраическую сумму токов iК1 + (- iК2 ) ( рис.2,г). Напряжение, которое индуцируется во
вторичной обмотке трансформатора UВЫХ, является выходным напряжением УМ (рис.2,д)
1.Выбор громкоговорителя
Поскольку громкоговоритель является нагрузкой УМ, расчет усилителя начинается с
выбора громкоговорителя. Этот выбор производится по мощности в нагрузке РН и полосе
воспроизводимых частот из [1]. Мощность громкоговорителя РГ должна быть больше РН,
а диапазон усиливаемых частот должен лежать внутри полосы воспроизводимых частот
громкоговорителя.
2. Выбор транзистора усилителя
Выбор активного усилительного элемента УМ производится по рассеиваемой на
коллекторе мощности и предельной частоте усиления. Транзистор должен обеспечить
выходную колебательную мощность сигнала в коллекторной цепи, которая с учетом того,
что каждый транзистор обеспечивает мощность в нагрузке, равную РН / 2, определяется по
формуле:
РВЫХ1 = РН / 2ŋТР = IКМ UКМ / 4 ŋТР
(1)
где IКМ - амплитуда переменного тока в коллекторной цепи, А;
UКМ- амплитуда переменного напряжения в коллекторной цепи, В;
ŋТР - к.п.д. трансформатора
Соответственно общая выходная мощность обоих транзисторов
РВЫХ = 2РВЫХ 1
(2)
Мощность, рассеиваемая на коллекторе каждого транзистора
Р1к =Рвых1 (1 / ŋк -1)
(3)
где, ŋк – к.п.д. коллекторной цепи транзистора.
В режиме АВ для схемы включения транзистора с ОЭ ŋк = 0,6.
Учитывая некоторый разброс параметров транзистора в пределах
+/-10…20 % при определении требуемой мощности транзистора обычно вводят
коэффициент запаса Кз = 0,8…0,9, с учетом которого определяют
Р1к = Рк / Кз
(4)
Если УМ работает при повышенной температуре окружающей среды, то максимально
допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Pкmaх должна удовлетворять условию
вычисляется по формуле
Pкmaх
1
≥Р к
Pкmaх рассчитывается по формуле
(5)
Pкmaх
где
=
Pкmax t ͦт
𝒕 °к𝒎𝒂𝒙−𝒕 ° окр
𝒕 °к𝒎𝒂𝒙−𝒕 ° т
,
(6)
Pкmax tͦ т
- максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе
транзистора при температуре t ͦ T, В
t0T
- значение температуры, указываемое в справочнике (обычно200 С);
t0к мах
- максимальная температура коллекторного перехода (для германиевых транзисторов 850С, для кремниевых 1500 С).
Таким образом, с учетом (5) и (6) выбор транзистора производится по мощности Pкmax tͦT.
Pкmax t ͦ T
𝒕 °к𝒎𝒂𝒙−𝒕 ° т
≥ 𝒕 °к𝒎𝒂𝒙−𝒕 ° окр P1к
(7)
Следующим параметром, определяющим выбор транзистора, является его предельная
частота
Fh21э ≥
𝐹в
√ М𝟐в – 𝟏
(8)
По условиям (7) и (8) выбирают транзистор из справочника, выписывают его основные
параметры Рmax20 , Uкэmax , fh21э , Iкб0, приводят коллекторные (выходные) и базовые
(входные) характеристики. Дальнейший расчет производится для среднего значения h21э.
Для удовлетворительной симметрии двухтактного УМ подбираются два транзистора, у
которых различие f h21э, не превышает 30%, т.е. h121э / h1121э =1,3.
3. Расчёт режима работы транзистора по постоянному току
Вначале на выходных коллекторных характеристиках наносят линии Uкэмах и Uкэmin и
характеристику максимально допустимой мощности.
Iк =
𝑃к𝑚𝑎𝑥
𝑈кэ
,
(9)
где 𝑃к𝑚𝑎𝑥 определяется по формуле (6).
Для транзисторов малой мощности 𝑈кэ𝑚𝑖𝑛 напряжение на коллекторе ,
соответствующее началу прямолинейного участка выходных статических характеристик,
равно 1В, а для мощных транзисторов - 2 В.
Все построения приведены на рисунке 3.
Затем определяются координаты точки покоя П.
Напряжение на коллекторе в режиме покоя определяется по условию
|𝐔кэп| =
|𝐔кэ𝐦𝐚𝐱| − |𝐔кэ𝐦𝐢𝐧|
𝟐
+ |Uкэmin|
(10)
Амплитуду коллекторного напряжения определяют по условию:
Uкэm ≤ | UкэII - |Uкэmin|
(11)
Из выражения (1) можно определить амплитуду тока коллектора:
I1к max ≈ Iкm =
𝟐𝑷вых
𝑼к𝒎
(12)
Для нормальной работы схемы должно выполняться условие:
|UкэII| + Uкэm ≤ Uкэmax
(13)
Вначале выбирается точка покоя на входной статической характеристике,
снятой при ненулевом Uкэ, которая практически совпадает со входной динамической
характеристи-кой. Если на этой характеристике выбрать точку покоя П1 с координатами
IбэП , UбэП ,
соответствующей режиму В, то из-за нелинейности начальных участков входных
характеристик в УМ возникнут значительные нелинейные искажения при малом уровне
входного сигнала. Для уменьшения этих искажений постоянную составляющую тока базы
обычно выбирают следующим образом. К почти прямолинейной части входной
характеристики проводят касательную линию, точка пересечения которой с осью абсцисс
(точка М на рисунке 3) определяет UбэП . По этой точке на входной характеристике
определяют значение IбэП (точка П на рисунке 2) и по коллекторным характеристикам
при UкэП – значение IкП ( точка П на рисунке 3).
Строго говоря, данный режим является режимом АВ, так как при малом уровне
входного сигнала УМ работает в режиме А, благодаря чему и устраняются нелинейные
искажения (по чётным гармоникам) на начальных участках входных характеристик. Но
так как IкП =10мА≤ I1кmax и Iб = 0,1мА≤IбN = 2.5мА, то при большом сигнале УМ
практически работает в режиме В, что и определяет соответствующую методику его
расчёта [ 1].
4.Построение динамической линии нагрузки
Построение линии нагрузки по переменному току также показано на рисунке 3.
Динамическая линия нагрузки одного транзистора без учёта влияния коллекторного тока
другого определяется точкой N (I1КМАUКЭНАС точкой покоя П (IКП, UКЭП). Но так как
моменты времени, когда Uвх=0, УМ попадает в режим А, при котором IКП1 +(-IКП2) = 0, то
эквивалентная динамическая линия нагрузки будет определяться точками N и М
(UКЭ=UКЭП и Iк=IКП1 -IКП2=0).
Определяем эквивалентное сопротивление коллекторной цепи по переменному току
R1Н =
𝑼кэ𝒎
𝑰к𝒎
(14)
По рисунку 3 определяем входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ и Uбэm
Rвхэ =
𝑼бэ𝒎
(15)
𝑰б𝒎
Откуда
𝑹вхэ
Rвхб ≈ 𝒉𝟐𝟏э
(16)
5. Расчёт параметров трансформатора
Схема замещения выходного трансформатора представлена на рисунке 4.
r1
L1
r2
первичная
обмотка
L2
вторичная
обмотка
Ls
Рисунок 4.
Требуемое значение коэффициента трансформации, равное отношению числа
витков в первичной – ω1 и во вторичной – ω2 обмотках трансформатора, определяется по
формуле:
Rн
n = ω2 / ω1 = √ ηТРR1Н
r1 =
𝐑𝟏н( 𝟏− 𝛈ТР )
2
(17)
(18)
Обычно полагают, что
𝒓
r2 =r12 = 𝒏𝟐𝟐
откуда активное сопротивление вторичной обмотки
r2 = r1·n2
(19)
Индуктивность первичной обмотки малогабаритного маломощного трансформатора обычно находится в пределах 0,5…2 Гн. Задаются значением L1, выбранным из этих
пределов.
Далее рассчитывают частотные искажения, вносимые трансформатором на нижней
частоте, которые, в основном, определяются индуктивностью L1
R1к – r1
М HL1 =√ 1+ 2π FнL1
2
(20)
Индуктивность рассеяния Ls обычно не превышает значения ( 0,01…0,02) L1, поэтому
ей, а также индуктивностью вторичной обмотки L1 можно пренебречь.
При этом частотными искажениями, вносимыми выходным трансформатором
на верхних частотах, также можно пренебречь
Следовательно, единственным фактором, определяющим Мв, является сам транзистор.
Решая уравнение (8) относительно Мв получаем
Fв
М в = √ 1 + f h21э
2
(21)
Найденные значения параметров выходного трансформатора n1r1,r2,L1,Ls являются
исходными данными для его электрического и конструктивного расчёта.
Однако, в этом нет необходимости, так как практически для любого
усилителя можно подобрать готовый трансформатор, выпускаемый промышленностью,
что и следует выполнить, исходя из вышеприведённого расчёта, и пользуясь данными,
приведёнными в [ 1 ].
6. Расчёт элементов схемы УМ
Резистор R1 обеспечивает температурную стабилизацию тока эмиттера. В
схеме, приведённой на рисунке 1, кроме стабилизации постоянной составляющей тока
эмиттера резистор R1 выравнивает амплитудные значения эмиттерного тока транзисторов,
что способствует улучшению симметричности плеч двухтактного УМ, то есть уменьшает
нелинейные искажения по чётным гармоникам, возникающим из-за различных значений
коэффициентов h21Э транзисторов.
Для обеспечения удовлетворительной стабилизации симметрии плеч принимают
R1 ≥ (5…10) Rвх.б / 2
(22)
В этом случае при h121Э / h1121Э = 1,3 отношение амплитуд коллекторных токов
I1Кmax / I11Кmax =1,1. Определяется значение
E к = |UКЭП| + 2IЭПR1 + I КП r1
(23)
Для определения сопротивлений резисторов делителя R2 и R3 необходимо задаться
током делителя IДЕЛ. Так как по резистору R2 в отдельные моменты времени протекает
ток базы, равный IБN, то ток делителя не должен быть меньше IБN, то есть IДЕЛ ≥ IБN
Одновременно он должен удовлетворять условиям:
Iдел = (2…10)·IБП
Iдел ≤ (0,1…0,15)·Iкср
(24)
где Iкср - среднее значение тока, потребляемого коллекторными цепями
транзисторов от источника питания.
Iкср ≈ 0,635 (Iкm + IКП ·π )
(25)
Определяется сопротивление резистора R2, на котором выделяется напряжение
U2 = |U БЭП| + 2IЭП·R1
(26)
откуда
R2 = U2 / Iдел
(27)
Находится сопротивление резистора R3,на котором падает напряжение
U3 = Eк – U2
(28)
и протекает ток
IR3 = Iдел + 2IБП
(29)
R3 = U3 / IR3
(30)
7.Оценка нелинейных искажений
Проводится ориентировочная оценка нелинейных искажений.
Коэффициент искажений по второй гармонике находим, учитывая возможную
асимметрию плеч УМ ( I1Кmax = 1,IIIКmax ) по формуле:
КГ2 ≈ (I1Кmax - I11Кmax )/ 2* ( I1Кmax - I11Кmax )
(31)
Искажения, создаваемые входными цепями транзисторов, по второй гармонике в
двухтактных УМ взаимно компенсируются.
Основными нелинейными искажениями в двухтактных УМ являются искажения по
третьей гармонике, возникающие в коллекторных цепях транзисторов. Для их
определения по коллекторным характеристикам найдём значение тока коллектора при
токе базы IБN*0,5. Токи I1К0,5и I1Кmax тоже определяются по коллекторным
характеристикам.
Коэффициент искажений по третьей гармонике
2*( I1К0,5 + I11К0,5 ) – ( I1Кmax + I11Кmax )
2*( I1К0,5 + I11К0,5 + I1Кmax + I11Кmax )
(32)
Общий коэффициент гармоник
КГ = √ К2Г2 + К2Г3
должен удовлетворять исходным данным.
(33)
8. Расчёт потребляемой мощности и к.п.д.
Общая мощность, потребляемая от источника питания при максимальном сигнале
Р = ЕК (Iкср + 2IБП + Iдел ),
(34)
а к.п.д. при этом
η = РН / Р
(35)
Требуемое напряжение сигнала на одном из плеч вторичной обмотки входного
трансформатора
UТР2m = IБN ( RВХ.Э + R2 + R1·h21Э )
(36)
Сопротивление нагрузки входного трансформатора
R3 ( RВХ.Э + R2 + R1h21Э )
R3 + RВХ.Э + R2 +R1h21Э
(37)
Мощность сигнала, потребляемая нагрузкой входного трансформатора
РН.ТР2 = РВХ.М = U2ТР2m / 2RН.ТР2
(38)
Числовые значения, найденные по формулам (36) – (38), являются исходными данными
для расчета предшествующего каскада.
9. Расчёт коэффициентов усиления
Коэффициент усиления по току
КI = Iкm / Iбm
(39)
Коэффициент усиления по напряжению
КU = UКЭm / UБЭm
(40)
Коэффициент усиления по мощности
КР = КI · КU
(41)
Правила оформления курсовой работы
1. Курсовая работа состоит из пояснительной записки. Выполнение пояснительной записки
должно соответствовать ГОСТ 2.105-95, ГОСТ 2.106-68.
2. Порядок расположения документов:
 титульный лист;
 задание;
 отзыв (заключение);
 содержание (оглавление);
 введение;
 основной материал пояснительной записки;
 список литературы;
 приложение (при необходимости).
3. Основные надписи должны быть оформлены в соответствии с ГОСТ 2.104-68
4.
Титульный лист – это первая страница пояснительной записки. Номер страницы на ней не
ставится, но включается в общую нумерацию. Титульный лист должен быть выполнен в
соответствии с приложением А.
5.
Текстовую часть пояснительной записки выполняют по форме, установленной
соответствующими стандартами ЕСКД. Оканчивается каждый лист пояснительной
записки штампом по форме 2,2а ГОСТ 2.104-68.
6. Текстовые документы выполняют одним из следующих способов:
- машинописным , с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ
(ГОСТ2.004-88). Текст рукописи должен быть набран на компьютере в любом текстовом
редакторе с обычным межстрочным интервалом (до 40 строк на странице) на одной
стороне бумаги формата А4. Абзацный отступ не менее 1,2см. размер шрифта : для текста
– 14, для формул – 16, для таблиц – 10,12 или14. Рисунки, качественно выполненные на
белой бумаге помещают в текст. Графики, чертежи, схемы могут быть выполнены на
миллиметровой бумаге. Заголовки разделов печатаются прописными буквами
(СОДЕРЖАНИЕ, ВВЕДЕНИЕ и т.д.). Расстояние между заголовком и текстом должно
быть равно 3 или 4 интервалам. Номер страницы проставляется в нижнем правом углу ;
- рукописным – чертежным шрифтом по ГОСТ 2.304 с высотой букв и цифр не менее
2,5мм. Текст пишется аккуратно темными чернилами или пастой ( черного, темнофиолетового или темно-синего цвета) с расстоянием между строчками 8 – 10 мм. Весь
текст должен быть написан чернилами (пастой) одного цвета и оттенка. Расстояние между
заголовком и текстом 15мм;
7.
В пояснительной записке помещают содержание, включающее номера и наименования
разделов с указанием номеров листов (страниц). Содержание включают в общее
количество листов пояснительной записки. Слово «СОДЕРЖАНИЕ» записывают в виде
заголовка с прописной буквы. Наименования, включенные в содержание, записывают
строчными буквами. Начиная с прописной буквы.
8.
В конце пояснительной записки приводят список литературы, которая была использована
при ее составлении. Сведения об источниках должны включать : фамилию, инициалы
автора. Название источника, место издания, издательство, год издания, количество
страниц.
Титульный лист и техническое задание не нумеруются. Титульный лист является первым
листом пояснительной записки.
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский колледж транспорта и коммуникаций
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
По выполнению курсовой работы
По предмету: «Цифровые устройства и МПС»
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский колледж транспорта и коммуникаций
ЗАЩИЩЕНО:
_____________
Руководитель
_______________________
«____»_____________201 г.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СЧЕТЧИКА
Пояснительная записка к курсовой работе
по дисциплине: Основы электроники и схемотехники
ХХХХ.ХХХХ.ХХ.ХХ.КР
Руководитель
_____________________
«____»__________201 г.
Разработал
____________________
«____»_______________