Розрахунок безтрансформаторного підсилювача

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
Факультет радіофізики, електроніки та комп'ютерних систем
Кафедра радіотехніки та радіоелектронних систем
Розрахунок безтрансформаторного підсилювача
низької частоти
Курсова робота з навчальної дисципліни ―радіоелектроніка‖ студентки ІІ курсу факультету радіофізики, електроніки та комп'ютерних систем галузі знань 10 ―Природничі науки‖ спеціальності 105 ―Прикладна фізика та наноматеріали‖ освітньої програми ―Прикладна фізика‖
Сотник Ірина Олегівна
Науковий керівник асистент кафедри квантової радіофізики
Слінченко Юрій Анатолійович
Київ 2021

3
ВСТУП
Електричні сигнали використовуються у всіх галузях науки та техніки. Так, у пристроях електрозв’язку вони передають інформацію на відстань. У більшості випадків значення електричних сигналів, відображаючи інформацію про процеси та явища у природі та техніці, дуже малі. Тому, щоб скористатися цими сигналами їх необхідно підсилити за допомогою підсилювальних пристроїв.
Підсилювач низької частоти (далі ПНЧ) – електронний пристрій, призначений для посилення коливань низької частоти до тієї, яка необхідна споживачеві. Сучасні ПНЧ будуються переважно на біполярних та польових транзисторах. Їх функція полягає в отриманні на заданій величині опору навантажувального пристрою сигналу потрібної потужності від джерела, у якості якого може бути мікрофон, звукознімач, фотоелемент та ін. При побудові сучасних ПНЧ використовується велика кількість схем. Вихідні каскади ПНЧ будуються за одно- або двотактними схемами, з трансформаторним зв’язком або без трансформаторним.
Останнім часом широко використовуються без трансформаторні вихідні каскади. Це, по-перше, дозволяє спростити схеми підсилювачів та по-друге, виключити з них великогабаритні елементи – трансформатори.
Схема каскаду підсилення на біполярних транзисторах зі спільним емітером є найбільш розповсюдженою. Такий каскад має найбільший коефіцієнт підсилення за потужністю.
Таким чином переді мною було поставлено задачу розрахувати та створити модель простого та високоякісного безтрансформаторного підсилювача низької частоти, який стане основою для побудови більш складних без трансформаторних підсилювачів.

4
Завдання до курсової роботи полягає у описі принципу дії і розрахунку пристрою – безтрансформаторного підсилювача низької частоти. Провести комп’ютерне моделювання роботи схеми в програмному пакеті NI Multisim.
ОПИС ПРИНЦИПУ ДІЇ СХЕМИ рис.1
На рис.1 зображено принципову схему підсилювача 1–1–2 з комплементарними транзисторами [1]
Позначення вхідних даних:
P
н
- потужність на навантажувальному опорі;
R
н
- опір навантаження;
R
вх
- вхідний опір;
K
и
– коефіцієнт інтермодуляційних спотворень;
f
н
– f
в
- нижня та верхня робоча частота;
K
г
– коефіцієнт гармонік;

5
T – діапазон температур.
Маємо принципіальну схему підсилювача 1–1–2 з комплементар- ними транзисторами в кінцевому каскаді [1] .
Комплементарний підсилювач виконаний на чотирьох транзисторах і складається із простого вхідного каскаду V1, простого попереднього каскаду V2 та кінцевого каскадів V3, V4. Вхідний сигнал через розділювальний конденсатор C1 поступає на базу транзистора V1. Напруга зміщення на базу цього транзистора (точка В1) подається за допомогою дільника із резисторів R1 та (R2+R3), причому коло із конденсатора C2 і резистора R3 слугує розв’язуючим фільтром. Навантаженням транзистора
V1 є паралельне з’єднання резистора R4 і базового кола наступного транзистора V2. В емітерному колі транзистора V1 послідовно ввімкнені резистор R5 та конденсатор C3. Постійна складова струму емітера проходить через резистор R6, а потім через резистор R10 і транзистор V4.
Через резистор R6 здійснюється ООС по постійному струму, необхідна для стабілізації напруги спокою кінцевих транзисторів в точці М. Напруга в цій точці повинна дорівнювати
. Через коло R6R5C3 здійснюється також спільна ООС по змінному струму, що необхідна для стабілізації коефіцієнта підсилення всього підсилювача і для зменшення нелінійних спотворень.
Корисний сигнал з колектора транзистора V1 поступає на базу транзистора V2 (точка B2). Підсилений сигнал з колектора транзистора V2 поступає на бази транзисторі V3 та V4 кінцевого каскаду . Навантаженням транзистора V2 являються базові кола транзисторів V3 і V4 , паралельно яким підключене коло із діода V5 і резисторів R7, R8 та
. Коло із діода
V5 і резистора R7 необхідна для створення постійного зміщення на базах кінцевих транзисторів V3, V4 (точки B3, B4) і для стабілізації струму спокою кінцевих транзисторів. Резистор R8 створює позитивний зворотній зв’язок (ПОС). Він необхідний для збільшення амплітуди управляючого

6 сигналу на вході кінцевого каскаду і вирівнювання змінних напруг в точках B3, B4.
Кінцевий каскад зібраний на комплементарних транзисторах V3 і V4.
Збудження обох транзисторів синфазне. Резистори R9, R10 являються колами емітерної стабілізації. Разом з тим резистори R9, R10 створюють місцеву ООС, що дозволяє дещо знизити вимоги до ідентичності параметрів транзисторів V3 і V4. Резистор
є навантаженням. Зв’язок між кінцевим каскадом і навантаженням ємнісна через конденсатор C4.
Конденсатор C5 є згладжуючим і призначений для зменшення рівня фону, поступаючого від джерела живлення з напругою E.
Для розрахунку такого підсилювача використовувалися наступні параметри:
P
н
= 100 Вт, R
н
=4 Ом, R
вх
= 1 кОм, K
и
= 200, f
н
– f
в
= 20 – 50 кГц ,
К
Г
≤ 0,5%, T = –20 – +50 0
С.

7
РОЗРАХУНОК ПАРАМЕТРІВ ЕЛЕМЕНТІВ СХЕМИ
1. Розрахунок напруги джерела живлення.
Напруга джерела живлення Е, потужність на опорі навантаження
і опору навантаження пов’язані залежністю
√
(
)
В емітерному колі транзисторів кінцевого каскаду стоять стабілізуючі резистори
Якщо покласти
0,95, то наближено будемо мати:
√
√ .
2. Розрахунок колекторного кола транзисторів кінцевого каскаду.
Якщо покласти
, то амплітуда напруги на емітері:
.
Максимальна напруга між колектором і емітером
Імпульс струму колектора
.
Постійний струм колектора транзистора

8
Споживана потужність від джерела живлення
Максимальна потужність розсіювання на колекторі
Струм в робочій точці вважають рівним нулю. Граничну частоту транзисторів визначаємо за формулою
3. Вибір транзисторів кінцевого каскаду.
По розрахованим параметрам обираємо транзистори кінцевого каскаду із довідника (47) з максимально можливим коефіцієнтом передачі струму. Транзистори повинні задовольняти умовам
Згідно з цими умовами обираємо транзистори із довідника [4]:
– – : BD167.
Параметри:
,
,
,
,
– – : BD166.
Параметри:
,
,
,
,
Радіатори для даних транзисторів не використовуються.
По вихідним характеристикам:
,

9 уточнюємо коефіцієнт використання напруги джерела живлення:
Отримала значення більше 0,85. Отже, енергетичні характеристики не перераховую.
4. Розрахунок базового кола транзисторів кінцевого каскаду.
Обираю робочу точку транзистору кінцевого каскаду для режиму АВ
, та знаходимо амплітуду напруги на базі:
,
Потужність, споживана базовим колом від попереднього транзистора
5. Розрахунок колекторного кола другого транзистору.
Корисна потужність транзистору повинна бути на 10..20% більше тієї, яка споживається базовим колом транзистору кінцевого каскаду, тобто:
.
Амплітуда змінної складової струму колектора
Із-за не лінійності характеристики транзистора доцільно вибирати постійну складову струму колектора згідно
Максимальний струм колектора
.
Амплітуда змінної напруги на колекторі
Максимальна напруга між колектором та емітером
.

10
Потужність, споживана колекторним колом транзистора від джерела живлення
Потужність, розсіювана на колекторі
Граничну частоту транзистора обчислюю згідно з формулою
6. Вибір другого транзистора.
По розрахованим параметрам
із довідника вибираю транзистор з максимально можливим коефіцієнтом передачі струму. Транзистор повинен задовольняти умовам:
Згідно з цими умовами обираю транзистор із довідника [4]:
– – : BC212B.
Параметри:
,
,
,
,
Радіатор для даного транзистора не використовується.
Резистор R8 в колекторному колі транзистора V2 знаходжу за формулою:
7. Розрахунок базового кола другого транзистора.
Амплітуда змінного струму бази знаходжу за характеристик
. Для орієнтовних розрахунків можна покласти вхідний опір
2
вх
R
рівним декільком сотням. У моєму випадку покладаю
Опір резистора
Амплітуда змінної напруги на базі

11
Потужність сигналу,споживана базовим колом
8. Розрахунок колекторної і базової кіл першого транзистора та його
вибір.
Розрахунок цих кіл проходить так само,як і для другого транзистора.
Корисна потужність
Амплітуда змінної складової струму колектора
Постійну складову струму колектора визначимо по формулі
Потужність, споживана від джерела живлення, практично дорівнює потужності розсіяння на колекторі
Максимальне значення колекторного струму
Максимальна напруга між колектором та емітером
Гранична частота транзистора
Цих параметрів достатньо, щоб обрати транзистор із довідника [4]:
– – : KT342B.
Параметри:
,
,
,
,
Радіатор для даного транзистора не використовується.

12
Струм бази
9. Розрахунок кола негативного зворотного зв'язку.
Розрахунок даного кола необхідно розпочати із знаходження потрібної глибини ООС – F = 20. Після цього знаходжу опір резистора R6:
Оскільки коефіцієнт підсилення і вхідний опір залежать від відношення
і відповідно то відношення знаходиться з компромісу між вимогами збільшення коефіцієнта посилення і вхідного опору. При цьому потрібно мати на увазі, що сума опорів R5+R6 повинна задовольняти нерівності
Використовуючи ці співвідношення і зважаючи, що
, знаходимо
R5:
Оцінимо підсилювача з ООС:
10. Розрахунок дільника в колі бази першого транзистора.
Можна припустити, що струм дільника I
Д
дорівнює струму колектора I
К1
, тобто струм дільника в h
21Э1
разів перевищує струм бази. В цьому випадку загальний опір дільника:

13
Напруга в точці В1
Звідси
Тоді можна знайти
(
)
Після такого вибору резисторів необхідно знайти коефіцієнт нестабільності
|| ||
Підставляючи данні, отримала
По теорії, оптимально D=2..4. В даному випадку коефіцієнт нестабільності вийшов прийнятним (D = 3), тобто дільник розрахований оптимально.
11. Вибір кола стабілізації струму спокою.
В підсилювачі особливу увагу необхідно приділяти стабілізації робочих режимів транзисторів по постійному струму. Будь-яка зміна режиму, що виникла в першому транзисторі, посилюється і робить вплив на режим роботи усіх інших.

14
Струм спокою - колекторний струм транзисторів крайового каскаду за відсутності сигналу, що управляє. Необхідність стабілізації струму спокою викликана тим, що без вжиття спеціальних заходів із зростанням температури довкілля струм спокою може лавиноподібно збільшуватися, що, у свою чергу, призводить до теплового пробою. Нестабільність колекторного струму в загальному випадку залежить від коефіцієнта нестабільності і нестабільностей зворотного і теплового струму колектора, напруги між базою і емітером і коефіцієнта передачі струму. Чим менше коефіцієнта нестабільності D, тим краще, оскільки при цьому струм колектора змінюється в менших межах.
Для стабілізації струму спокою транзисторів крайового каскаду паралельно базовим колам кінцевих транзисторів VT3 і VT4 підключають термозалежне коло з діода і резистора. Така схема стабілізації задовільно працює лише при незначних змінах температури (10..30 0
С), тобто в кімнатних умовах. При цьому діод необхідно поміщати у безпосередній близькості від транзисторів крайового каскаду [1].
Для подальшого розширення температурних меж роботи підсилювача необхідно використати схеми стабілізації на транзисторах. Приклад такої схеми і використаний в якості ланцюга стабілізації струму спокою.
Допустимі межі зміни температури від –20 до +50 0
С, що задовольняє заданим параметрам. Транзистор можна вибрати аналогічний V3.
Вибираємо транзистор V3 типу BD167. Також тут покладаю, що опір резистора R7 = 330 Ом. У схемі буде використовуватися діод 1N914, обраний по параметрам частотного діапазону, діапазону робочої температури, струму та напруги.
12. Розрахунок конденсаторів.
Розрахунок конденсаторів С1, С3, С4 проходить згідно з формул:

15
Фільтруючі конденсатори розраховую як:
Розрахунок розв'язуючого ланцюжка R3–C2 ведеться з умови фільтрації фону підсилювача, що потрапляє на вхід. Зазвичай вважають
Тоді:
Вимоги до потужності джерела живлення.
Сумарний струм I споживаний від джерела живлення:
Споживана потужність
13. Розрахунок результуючих характеристик підсилювача.
Після того, як вибрані транзистори і розраховані основні елементи схеми потрібно уточнити основні характеристики підсилювача, перерахувавши
їх по формулах [1].
Коефіцієнт посилення по напрузі К з розімкненою ООС:
|| ||
Підставляю та отримую:
Коефіцієнт підсилення по струму К
і

17
ВИСНОВОК
В результаті виконання курсової роботи було розраховано та створено модель простого та високоякісного безтрансформаторного підсилювача низької частоти, який відповідає заданим параметрам.
Спочатку я склала структурну схему підсилювача низької частоти. Потім на основі цієї структурної схеми була розроблена принципова електрична схема підсилювача низької частоти згідно початкових даних.
Наступним етапом був розрахунок основних параметрів та інших елементів даного підсилювача. Після чого за допомогою довідника було підібрано транзистори з параметрами, які задовольняють розрахункові параметри приведені. Транзистори підібрані з максимально близькими параметрами.
При моделюванні схеми підсилювача у програмі Multisim, елементи були підібрані близькі за параметрами, які розраховувалися у даній роботі.
Оскільки в базі програми Multisim не знайшлося необхідних транзисторів, які були вибрані за розрахунками, були підібрані їх аналоги.

18
ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
Книга одного автора:
1. Варакин Л. Е. Бестрансформаторные усилители мощности:
Справочник. – М.: Радио и связь, 1984. – 128 с., ил.
Книга одного автора:
2. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем.
Киев:
Высшая школа. Изд-во при Киев. ун-те, 1983. – 240 с.
Книга одного автора:
3. Шарков В.И. Радиоэлектронные устройства и комплексы. – Мн.:
МГВРК, 2006. – 102 с.
Книга двох авторів:
4. Нефедов А. В., Гордеева В. И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги: Справочник. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1990. – 400 с.: ил.
Книга одного автора:
5. Левитський С.М. Основи радіоелектроніки. — Київ: ВПЦ ―КУ‖, —
2007 р.,— 455 с.

19
ДОДАТОК А
Позначення
Назва
Кіл-сть
Конденсатори
С
1
К53-1 – 4 мкФ - 50В

20%1 1
С
2
К50-16 – 8 мкФ - 100В

20%1 1
С
3
К50-16 - 212 мкФ - 100В

20%1 1
С
4
К50-22 – 16 мФ - 50В

20%1 1
С
5
К53-1 – 1,6 мкФ - 50В

20%1 1
Резистори
R
1
МЛТ - 0,5 – 35 кОм

2% 1 1
R
2
МЛТ - 0,5 – 14 кОм

2%1 1
R
3
МЛТ - 0,5 - 10 кОм

2%1 1
R
4
МЛТ - 0,5 - 2 кОм

2%1 1
R
5
МЛТ - 0,5 – 38 Ом

2%1 1
R
6
МЛТ - 0,5 - 7,5 кОм

2%1 1
R
7
МЛТ - 0,5 - 330 Ом

2% 3 1
R
8
МЛТ - 0,5 – 1318 Ом

2%1 1
R
9
, R
10
МЛТ - 0,5 - 0,2 Ом

2%2 1
Діод
D1 1N914 1
Транзистори
VT1
KT342B
1
VT2
BC212B
1
VT3
BD167 1
VT4
BD166 1