Задание для самостоятельной работы

Рассчитать выпрямитель, работающий на активную нагрузку. Параметры нагрузки указаны в таблице.

Таблица 10

Данные к задаче 3.1

Сопротивление нагрузки Rd , Ом	Напряжение на нагрузке Ud , В
	50	75	100	125	150
100	1	2	3	4	5
150	6	7	8	9	10
200	11	12	13	14	15
250	16	17	18	19	20
300	21	22	23	24	25
350	26	27	28	29	30

Номер варианта – сумма трех последних цифр номера зачетной книжки студента. Напряжение сети принять равным 220 В.

Задача 3.2. Расчет усилительного каскада с емкостной связью

Схема транзисторного усилительного каскада с емкостной связью показана на рис.12. 

О пределить номинальные значения всех пассивных компонентов схемы каскада (резисторов R₁ , R₂, R_k, R_э и конденсаторов С₁, С₂, С₃ ); коэффициента нестабильности каскада S_i ; построить линию нагрузки каскада по постоянному и переменному току; определить коэффициенты усиления каскада по току, напряжению и мощности (K_U, K_I, K_P); определить входное и выходное сопротивления каскада (R_вх , R_вых ).

Исходными данными для расчета усилительного каскада являются напряжение источника питания Е_к, параметры рабочей точки транзистора: ток покоя I_0k и напряжение покоя U_{0 кэ}; сопротивление нагрузки R_н; минимальная частота усиливаемого сигнала f₀ .

В предлагаемой методике расчета не рассматривается вопрос выбора режима работы транзистора по постоянному току, а также выбор типа транзистора. Решение этих вопросов представляет собой самостоятельную, достаточно сложную задачу, решение которой, как правило, является неоднозначным и зависит от множества дополнительных условий и ограничений. Учет всех этих требований потребовал бы применения нескольких вариантов подхода к решению задачи и сильно увеличил бы и без того достаточно большой объем работы по данной теме.

В основу расчета каскада положено использование входных и выходных характеристик примененного транзистора, по которым определяются необходимые для расчета параметры транзистора.

Порядок расчета

1. Расчет сопротивлений резисторов

Сопротивления резисторов R₁ , R₂ , R_k , R_э определяем, исходя из условия обеспечения режима каскада по постоянному току:

а) наносим на семейство выходных характеристик транзистора (рис.13,а) рабочую точку каскада и определяем постоянную составляющую тока базы: I_{0 б} ;

б) определяем постоянную составляющую тока эмиттера

I_{0 э} = I_{0 к} + I_{0 б};

в) величину падения напряжения на резисторе R_э принимаем равной 0.2Е_к . Определяем сопротивление резистора

R_э = ;

г) определяем сопротивление резистора

R_k =

д) на входную характеристику транзистора (рис.13,б) наносим ток покоя I_0б базы транзистора и определяем падение напряжения между эмиттером и базой в режиме покоя U_{0 эб};

е) задаемся величиной сквозного тока делителя I_g; протекающего через последовательно включенные резисторы R₁ и R₂ . Принимаем I_g = 10 I_0б;

ж) определяем сопротивление резистора R₂:

R₂ = ;

з) определяем сопротивление резистора R₁:

R₁ =

2. Определение коэффициента нестабильности каскада:

а) определяем величину R_g :

R_g =

б) определяем коэффициент усиления транзистора

в) определяем коэффициент нестабильности

S_i =

Приемлемые значения коэффициента нестабильности лежат в пределах 3 5.

В случае, если величина S_i , полученная расчетом, лежит вне указанных пределов, следует изменить параметры цепи смещения, состоящей из резисторов R1 и R2. Для увеличения S_i необходимо уменьшить ток делителя I_g или величину падения напряжения на резисторе R_э и повторить расчет.

3. Определение усилительных параметров каскада:

а) по входной характеристике (рис.13б) определяем входное сопротивление транзистора как отношение приращения U_эб к изменению тока I_б

r_вх= ;

б) определяем входное сопротивление каскада как эквивалентное сопротивление трех параллельно включенных сопротивлений R₁ , R₂ , r_вх . Поскольку сопротивление параллельно включенных резисторов R₁ и R₂ представляет собой найденную нами величину R_g , для определения R_вх можем воспользоваться более простой формулой:

R_вх= R_g r_вх =

в) определяем эквивалентное нагрузки каскада по переменному току

R_H~ = R_k║R_H =

г) определяем коэффициент усиления каскада по току с учетом шунтирующего действия входных и выходных цепей усилителя

K_i =

д) определяем коэффициент усиления по напряжению

K_U = - K_i

Физический смысл отрицательного значения коэффициента усиления по напряжению заключается в том, что выходное напряжение сдвинуто по фазе на 180⁰ относительно входного, т.е. мгновенная полярность выходного напряжения всегда обратна мгновенной полярности входного;

е) определяем коэффициент усиления каскада по мощности

К_Р = │K_i K_U│

ж) определяем выходное сопротивление усилителя как параллельное соединение выходного сопротивления транзистора и сопротивления в цепи коллектора R_k

R_вых= r_вых║R_k.

Ввиду того, что обычно r_вых >>R_k, можно считать

R_вых ≈ R_k

4. Расчет емкостей конденсаторов в схеме усилительного каскада:

а) определяем емкость конденсатора С₁, исходя из условия, что на частоте усиливаемого сигнала х_с1<< R_вх.

Принимаем х_с1 = 0.1 R_вх.

Отсюда

С₁=

б) определяем емкость конденсатора С₂ , полагая х_с2 = 0.1 R_э:

С₂ =

в) определяем емкость конденсатора С₃ , полагая х_с3 = 0.1 R_H:

C₃=

5. Построение линии нагрузки каскада по постоянному току.

Линия нагрузки по постоянному току представляет собой графическую зависимость между постоянными составляющими тока коллектора и напряжения коллектор – эмиттер, выражаемую формулой:

U_{0 кэ} = E_k – I_0k(R_k + R_э).

Линия нагрузки строится на семействе выходных характеристик транзистора (рис.13,а) следующим образом:

а) определяем точку, соответствующую режиму холостого хода коллекторной цепи (I_{0к хх} = 0):

U_{0 кэ хх} = Е_к .

Данная точка лежит на оси абсцисс на расстоянии, равном Е_к от начала координат;

б) определяем точку, соответствующую короткому замыканию цепи коллектора (U_{0 кэ кз} =0) :

I_{0к (кз)} =

Точку к.з. откладываем на оси ординат на расстоянии, равном I_{ок (кз)} от начала координат;

в) строим линию нагрузки по постоянному току как прямую, соединяющую точку холостого хода с точкой короткого замыкания. Если расчеты и построения выполнены правильно, то линия нагрузки пройдет через заданную рабочую точку транзистора с координатами

U_{0 кэ} ; I_ок (см. рис.13,а).

6.Построение линии нагрузки по переменному току

Линия нагрузки по переменному току представляет собой графическую зависимость между переменной составляющей коллекторного тока и выходным переменным напряжением

U_H~ = I_k~ R_H~.

Эта линия проходит через рабочую точку каскада, причем угол ее наклона к оси абсцисс определяется сопротивлением нагрузки каскада по переменному току

Для практического построения линии нагрузки по переменному току воспользуемся соотношением

Положим тогда

Строим линию нагрузки по переменному току как прямую, проходящую через рабочую точку и точку с координатами

I_k = 0:

U _кэ = U_{0 кэ} + ∆U_H~ .