3 Проектирование выходного каскада
3.1 Выбор и обоснование принципиальной электрической схемы выходного каскада
При проектировании выходных каскадов УНЧ стремятся максимально использовать напряжение и ток источника питания с целью обеспечения более высокого коэффициента полезного действия. Выходные каскады предназначены для получения требуемой мощности выходного сигнала в низкоомной нагрузке. Исходными данными для расчета таких усилителей являются заданные сопротивление нагрузки RН и выделяемая в ней мощность РН.
Важными моментами проектирования оконечных каскадов является оценка нелинейных искажений и выбор радиатора, обеспечивающего надежный отвод тепла от усилительного элемента.
Для нашего УНЧ выбираем бестрансформаторную схему, так как это, позволяет упростить схемы усилителей и, исключить из них крупногабаритные элементы – трансформаторы, плохо поддающиеся миниатюризации методами современной технологии.
Выбираем режим работы класса АВ, так как остальные режимы не отвечают требованиям ТЗ. Например: режим работы класса А имеет очень маленький КПД, режим работы класса В имеет большое искажение что касается режимов работы класса С и D то они, не используются для УНЧ.
Выходные транзисторы одинаковой проводимости позволяют уменьшить нелинейные искажения, за счет близкой схожести ВАХ, но требуют усложнения схемы.
Для реализации режима работы выходных транзисторов типа АВ необходимо напряжение смещения, подаваемое на базы транзисторов. Для этой цели используются термозависимые элементы, сделанные из того же материала, что и выходные транзисторы. Эти элементы так же позволяют компенсировать изменение положения рабочей точки, вызванного внешними дестабилизирующими факторами (температура, влажность и т. д.). Этими элементами могут быть диоды, параметры которых так же зависят от температуры.
Схема двухтактного выходного каскада приведена на рисунке 3.1.1. Для него характерны два мощных выходных транзистора одинаковой или разной проводимости (комплементарная пара на VT1 и VT2), в которых происходит усиление по току, и транзистор VT3, обеспечивающий “раскачку” выходных транзисторов.
Рисунок 3.1.1 – Выходной бестрансформаторный
каскад в режиме АВ
Двухтактный усилитель мощности для упрощения расчёта разбивается на два каскада: оконечный (рисунок 3.2.1) и предоконечный (рисунок 3.3.1).
3.2 Расчет оконечного каскада
Рисунок 3.2.1 – Схема оконечного каскада
По заданным нагрузочной мощности и нагрузочной сопротивлении, амплитуды напряжения и тока нагрузки определяются соотношениями:
,
(3.1)
,
,
(3.2)
,
где UН – амплитудное напряжение нагрузки, В;
IН – амплитудный ток нагрузки, А;
РН = РВЫХ – мощность нагрузки, Вт.
Напряжение источника питания выбирается из условия:
,
(3.3)
,
где Umin – минимальное напряжение, обычно задается до начала расчета и для кремниевых транзисторов принимается Umin = 1 В.
Напряжение источника питания выбирается из рекомендованного ряда.
Е = 30 В.
Ток покоя выходных транзисторов выбирают порядка 5% от тока нагрузки, что позволяет обеспечить высокий КПД каскада:
,
(3.4)
.
При этом среднее значение тока выходных транзисторов в номинальном режиме определяется выражением:
,
(3.5)
,
где
коэффициент соответствующий углу
отсечки
,
который характеризует режим работы
класса АВ.
Средняя мощность, потребляемая выходным каскадом от источника питания:
,
(3.6)
.
КПД выходного каскада рассчитывается по формуле:
,
(3.7)
.
Соотношения для выбора выходных транзисторов определяются следующими неравенствами:
,
(3.8)
,
,
(3.9)
,
,
(3.10)
.
Так как выходной каскад работает в двухтактном режиме усиления, то мощность, рассеиваемая на коллекторе, делится на два – по половине на каждый из транзисторов. Суммарная же мощность выделяется в нагрузке и рассеивается на коллекторном переходе.
По данным значениям выбираются транзисторы КТ815А и BD166 с параметрами:
UКЭmax
= 30 В, IKmax
= 1,5 A,
PKmax
= 10 Вт,
= 40 – 275.
Рассчитаем ток покоя базы, а так же максимальный ток базы:
,
(3.12)
,
,
(3.13)
.
По входным характеристикам и известным значениям токов базы с рисунка 3.2.2 находятся изменение амплитуды входного напряжения и напряжение в рабочей точке
Рисунок 3.2.2 – Входная характеристика транзистора КТ815А
;
.
Следовательно, амплитуда напряжения на базах VT1 и VT2 составит
,
(3.14)
,
где Uбэ0 – минимальное напряжение база – эмиттер, В;
Uбэmax – максимальное напряжение база – эмиттер, В.
Требуемая амплитуда напряжения сигнала на входе выходного каскада определяется по формуле:
,
(3.15)
.
Рассчитаем емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки СН:
,
(3.16)
.
Теперь, когда определены все параметры (входные и выходные) оконечного каскада, можно произвести расчет предоконечного каскада. Причем надо заметить, что входные параметры оконечного каскада будут выходными параметрами для предоконечного.