Завдання для курсової роботи з дисципліни "Електроніка"
Студенту 3 курсу факультету ЕАСХП Маріч Олександру Ярославовичу № 03137
Розрахувати двохкаскадний трансформаторний підсилювач потужності, виконаний на кремнієвих транзисторах структури pnp за умовами задачі 2.3 навчального посібника.
Вихідні дані для розрахунку:
Опір навантаження Rн 25 Ом
Діапазон робочих частот fн 20 кГц
fв 18 кГц
Потужність сигналу в навантаженні Pн 0.15 Вт
Коефіцієнт частотних спотворень Мн = Мв 1.41
Коефіцієнт гармонік До 0.3
Коефіцієнт температурної нестабільності S 5
Глибина зворотного зв'язку F 1.5
Температура навколишнього середовища Т º З 40
Напруга живлення Е 9 В
Розрахунок однотактного трансформаторного підсилювача потужності
Завдання. Трансформаторний підсилювач побудований на схемі, повинен розвивати в навантаженні Rн потужність вхідного сигналу Pн при температурі навколишнього середовища Т. Робочий діапазон частот підсилювача від fн до fв при допустимих частотних спотвореннях Мв, Мн. Для зменшення нелінійних спотворень підсилювач охоплений ланцюгом загальної послідовності негативного зворотного зв'язку по напрузі (RосСос), глибиною F.
Вибрати транзистори і розрахувати параметри елементів схеми, забезпечивши, при цьому температурну стабілізацію робочої точки кожного каскаду з коефіцієнтом нестабільності S. Обчислити амплітуду вхідної напруги і потужність, споживану підсилювачем від джерела вхідного сигналу. Визначити к. п. д. підсилювача і повний струм, споживаний від джерела живлення напругою Є.
Порядок розрахунку
За заданою величиною Pн з таблиці 1.4.1 визначаємо к.п.д трансформатора і розраховуємо вихідну потужність каскаду
Рвих = Pн / η тр = 0.15/0.7 = 0.21 Вт
η тр-ККД трансформатора
Знаходимо максимальну потужність, що розсіюється колектором транзистора VT2
Pk.т. = Рн / (η к * η тр) = (2.5 ... 3.5) Рн = 3 * 0.15 = 0.45 Вт
η до-ККД колекторному ланцюзі
Вибираємо транзистор VT2 за величиною РК макс, UКЕ макс і fгр, враховуючи особливість трансформаторного каскаду, а також рекомендації розділу 1.8
Тип транзистора | Матеріал | h11Е, кОм | h21Е, кОм | h22б, мкОм | fh21Е, мГц | Iкмах, А | UкЕмах, У | Δ Т, К | РК.МАКС, мВт |
Si |
Оцінюємо працездатність обраного транзистора в заданих температурних умовах
РК.МАКС = (Тn-Т) / 2 * RК.n-к
Т-температура навколишнього середовища, К
Тn-максимальна температура колекторного переходу, К
RК.n-к-тепловий опір перехід-корпус, К / Вт
Оскільки за умовою Рк.р. <РК макс, то даний транзистор проходить за умовою.
Вибираємо режим посилення класу А і розраховуємо оптимальний коефіцієнт трансформації:
знаходимо амплітуду колекторного напруги UkA2 з рівняння
E = Ukn2 + Uеп2 = UкА2 + Uост + Uеn2
Залишкова напруга на колекторі Uост для високовольтних транзисторів при великих струмах вибирають рівним 2 ... 10 В, для низьковольтних 1 ... .4 В.
UкА2 = Е-Uост-Uеn2
Uеn2 = (0.1 ... 0.3) Е
знаючи вихідну потужність каскаду, обчислюють еквівалентний опір колекторному ланцюзі транзистора VT2 в точці спокою (Rk ~ 2)
Rk ~ 2 = U2кА2 / (2 * Р вих)
розраховуємо оптимальний коефіцієнт трансформації за формулою
n = √ (Rн / Rk ~ 2)
Складаємо еквівалентну схему підсилювача для області середніх частот, враховуючи при цьому структуру транзисторів, і відзначаючи на ній всі напруги і струми. Опором Rф можна знехтувати.
Примітка: Далі розрахунок ведемо вважаючи ланцюг ООС розімкнутої.
Обчислюємо струм колектора спокою
Ikn2 = Ukn2 / Rk ~ 2,
вважаючи що
Ukn2 = UkA2 + Uост
Графічно визначаємо струм бази Iбn2 і напруги U бn2. Для цього на сімействі вихідних характеристик транзистора відзначаємо додаткову точку А (Ikn, Ukn), через яку при необхідності проводять додаткову характеристику, відповідну Iбn2. Величину струму Iбn2 визначають методом лінійної інтерполяції, використовуючи дві сусідні характеристики. Отриману точку переносять на вхідну характеристику транзистора і знаходять U бn2.
Знаходимо величини h21Е і h11Е в точці спокою.
h21Е = (ΔIk / ΔIб) / UкЕ
h11Е = (ΔUбЕ / ΔIб) / UкЕ
Будуємо на сімействі вихідних ВАХ транзистора динамічну лінію навантаження і гіперболу допустимої потужності
α = arctg (Кm / Rk ~),
де
Кm = Um / Im
Визначаємо динамічно режим роботи транзистора. Для цього відкладаємо на осі абсцис амплітуду напруги колектор-емітер UkA2, визначаємо амплітудні значення струму колектора IkА2, струму бази IбА2. Переносимо значення струму IбА2 на сімейство вхідних характеристик і знаходимо напруга U бА2, робимо висновок про ефективність використання підсилювальних властивостей транзистора.
UkA2 = IkА2 = IбА2 = U бА2
Обчислюємо опір резистора R7 і потужність, що розсіюється на ньому по струму спокою, а потім остаточно вибираємо його тип і номінал.
E = Uкеn + Ikn2 * R7 => R7 = (E-Uкеn) / Ikn2
Знаходимо величину еквівалентного опору базового подільника Rб2 з урахуванням коефіцієнта температурної нестабільності S.
Rб2/Rе = S-1
Складаємо рівняння для базового ланцюга VТ2 в режимі спокою і знаходимо опір резистора R5.
Uбеn + Uеn = (E * R6) / (R5 + R6) Ucм = (E * R6) / (R5 + R6)
Uеn = Ikn * R7
R5 = (E * Rб2) / Ucм
Розраховуємо опір резистора R6.
R6 = (Rб2 * R5) / (R5-Rб2)
Визначаємо струм дільника Iд2 і знаходимо потужність розсіювання резисторів базового дільника і остаточно вибираємо їх тип і номінал.
Iд2 = E / (R5 + R6)
P5 = Iд22 * R5
P6 = Iд22 * R6
Вибираємо резистор R5 МЛТ-R6 МЛТ-
Обчислюємо вхідний опір кінцевого кacкaдa Rвx2.
Rвx2 = (Rб2 * h11Е) / (Rб2 + h11Е)
Розраховуємо коефіцієнт посилення кінцевого каскаду по напрузі Кu2 без урахування ООС.
Rr = (2 ... 6) Rвx2
Кu2 = n * (h21Е * Rk ~) / (Rr + h11Е * (1 + Rr / Rб))
Визначаємо потужність, споживану базової ланцюгом транзистора VT2 від попереднього каскаду, за формулою:
Rб2 = 0.5 * I2бА2 * Rвx2
Обчислюємо вихідну потужність предоконечного каскаду за формулою
Pвих1 = Кз.м * РБА = (1.1 ... 1.2) * РбА2
Де Кз.м = 1.1 ... 1.2-коефіцієнт запасу, що враховує втрати потужності в ланцюзі зміщення кінцевого каскаду.
Знаходимо потужність РК.р, рассеиваемую колектором VТ1.
РК.р = (2 ... 3) Рвих
Приймаючи, з урахуванням падіння напруги на резисторі фільтра Rф, напруга живлення предоконечного каскаду
Eк1 = 0.9Е1
вибираємо транзистор VТ1
Тип транзистора
Матеріал
h11Е, кОм
h21Е, кОм
Iк.мах А
fh21Е, мГц
Uкемах, А
Pk.мах, МВт
Δ Т, К
Тмах До
Si
Режим спокою транзистора.
Eк1 = 0.9Е
Ukеn1 = 0.5 * Ек1
Uеn = (0.1 ... 0.3) Ек1
R3 = (2 ... 6) Rвx2
Ikn 1 = (E 1 - Uk е. n 1 - U е n) / R 3
Iбn1 = Ikn1/h21е
Вибираємо опір резистора R3 таким, щоб забезпечити порушення транзистора кінцевого каскаду в режимі генератора струму.
Обчислюємо потужність рассеиваемую резистором R3 і вибираємо його тип і наминала
P3 = Ikn1 * R3 = МТЛ-
Обчислюємо еквівалентний опір колекторному ланцюзі транзистора VТ1 в точці спокою (Rk ~ 1)
Rk ~ 1 = (R3 * Rвx2) / (R3 + Rвx2)
Оцінюємо коефіцієнт посилення предоконечного каскаду
Кu = (h21е * Rk ~ 1) / h11Е
Визначаємо необхідну амплітуду колекторного струму транзистора VТ1 за формулою, враховуючи, що для послідовно з'єднаних каскадів повинно виконуватися рівність:
UkA1 = UбA2Pвих = 1.1 * Pб2 => UkA * IkА = 1.1 * UбA2 * IбА2
IkА1 = 1.1 * IбА2
Обчислюємо амплітудне значення струму бази і напруга база-емітер транзистора VT1
IбА1 = IkA1 / h21Е = UбA1 = IбА1 * h11Е
30. Знаходимо опір резистора R4
E1 = Ikn1 * R3 + Ukеn1 + Ikn * R4 => R4 = (E1-Ikn1 * R3-Ukеn1) / Ikn1
P4 = I2kn1 * R4
Обчислюємо опору R1 і R2
Rб1/R4 = S-1 => Rб1
Uсм = Uбеn1 + Uеn1 = E1 * Rб1/R1 => R1 = E1 * Rб1 / Uсм
R2 = Rб1 * R1 / (R1-Rб1)
Iд1 = E1 / (R1 + R2)
P1 = Iд12 * R1
P2 = Iд12 * R2
Обчислюємо вхідний опір предоконечного каскаду Rвx1 в точці спокою.
Rвx1 = Rб1 * h11Е / (h11Е + Rб1)
Розраховуємо фактичний коефіцієнт посилення предоконечного каскаду
Ku1 = (h21Е * R3 * Rвx2 / (R3 + Rвx2)) / (Rr + h11Е * (1 + Rr/Rб1))
Уточнюємо коефіцієнт посилення кінцевого каскаду з розімкненою ланцюгом ООС.
Ku = Ku1 * Ku2
Будуємо наскрізну динамічну характеристику кінцевого каскаду і розраховуємо коефіцієнт нелінійних спотворень Кr, вважаючи ланцюг ОС розімкнутої.
Uвх = Uбе + Iб * Rr = Rr = R3
Kr р = 0.5 * ((Ik `- Ik ``)/( Ik` + Ik ``))
Krр <Kr, так як Krр <Kr, то ООС не потрібно.
Визначимо амплітуду вхідного сигналу
Uc = UбА1
Знаходимо вхідний опір підсилювача
Розраховуємо потужність споживану підсилювачем від джерела вхідного сигналу.
Рвх = Uc2 / Rвх1
Розраховуємо ємність розділових і електричних конденсаторів.
Ммсм = 3 √ (1/Ммус)
τ 1 = √ (1 / ((М2мсм-1) * (2 * π * fm) 2))
С1 = τ 1 / (Rr + Rвх1)
Вибираємо конденсатор К
С2 = τ 2 / (R3 + Rвх2)
Вибираємо конденсатор К
Визначаємо значення Rф і Сф і вибираємо остаточно
Сф = √ (Ku / (2 * π * fm * Rm))
Iф = Ikср + Iд + Iвср
Rф = ΔUФ / Iф
PФ = Rф * Iф2
Обчислюємо повний струм I0, споживаний підсилювачем від джерела живлення.
I0 = Σ Ikср + Σ Iд + Σ Iбср
Розраховуємо ККД підсилювача
η = РН / (I0 * E) * 100%