Лабораторна робота № 12

Тема: дослідження напівпровідникового підсилювача потужності

Мета: Ознайомитись з роботою підсилювачів потужності

Технічне забезпечення ПЕОМ EWB 40

Короткі теоретичні відомості

Вибір типу і конструкції підсилюючого пристою в значній степені залежить від вибраного типу виконуючого пристою. Залежно від вибраного типу виконуючого пристою як підсилювальні пристрої використовуються: електронні, магнітні, пневматичні, гідравлічні підсилюючі пристрої, а також їх різноманітні комбінації. На вибір типу підсилювального пристою суттєвий вплив складає наявність тих чи інших джерел живлення.

Вибраний тип підсилюючого пристою повинен забезпечувати відповідний коефіцієнт підсилення, який вибирається з умов стійкості і величини помилок сервомеханізму у стані який встановився. Коефіцієнт підсилення, обчислений на даній стадії проектування, є наближеним, тому підсилювач повинен керуватись засобами зміни підсилення. Даний коефіцієнт може бути визначений якщо виключити появу допустимих помилок у встановленому стані, або коефіцієнти помилок сервомеханізму, передавальне число і статичні характеристики двигуна, редуктора та інших елементів. При цьому нижня межа коефіцієнта підсилення повинна бути такою, щоб допустимий сигнал помилки, який виробляється вимірювальним пристроєм, створював достатній момент для переходу заданих моментів навантаження. Нижня межа коефіцієнта підсилення може бути визначена з умови насичення виконуючого пристою, що забезпечує отримання максимального крутного моменту при максимальному сигналі помилки сервомеханізму.

Коефіцієнт підсилення k_у може бути визначений також з допустимої швидкісної помилки сервомеханізму. Ця допустима помилка 1 при максимальній швидкості величини яка регулюється, при підсиленні в k_у раз, повинна створювати на вході виконуючого двигуна сигнал такої величини, щоб виконуючий двигун забезпечував обертання вала навантаження з максимальною швидкістю k_рΩ_{н max} . При цьому коефіцієнт підсилення підсилювача визначається за формулою:

,

де k_р=1/і – передатнє число редуктора;

Ω_{н max} – максимальна швидкість вала навантаження;

K_дв – передатній коефіцієнт двигуна;

Ε_1max – максимальна швмдкість помилки;

Необхідно відмітити, що вибір підсилювача включає в себе також вибір різноманітних перетворюючих пристроїв, таких як, наприклад, модулятор, демодулятор, електромагнітні перетворювачі, а також різноманітні коректуючі пристрої.

Якщо як підсилювальний пристрій використовують електрогідравлічні, електропневматичні пристрої, то основною вимогою для них є забезпечення мінімальної зони нечутливості, обумовленої перекриттям в золотникових пристроях і пристроях типу сопло-заслінка.

Вибір підсилювального пристою, як і будь-якого елемента сервомеханізму, повинен закінчуватися визначенням його передавальної функції.

Розглянем електричні підсилювачі потужності.

Підсилювачами потужності називаються схеми, які перш за все повинні забезпечувати високу вихідну потужність; підсилення за напругою тут є вторинним фактором. Як правило, підсилення по напрузі вихідних каскадів близьке одиниці. Таким чином, підсилення за потужністю визначається в основному підсиленням за струмом. Вихідна напруга і вихідний струм повинні приймати як позитивні, так і негативні значення. Підсилювачі потужності, вихідний струм яких має тільки один напрям, називаються блоками живлення.

Найпростішим підсилювачем потужності можна вважати емітерний повторювач (рисунок 12.1).

Рисунок 12.1  Емітерний повторювач як

підсилювач потужності

Максимального негативного значення струм у навантаженні досягне в тому випадку, якщо струм через транзистор стане рівним нулю

U_{а мін} = - VR_н/(R_е+R_н).

Якщо вихідний сигнал являє собою неспотворену синусоїдальну напругу з середнім значенням рівним 0 В, його амплітуда небуде перевищувати значення U_амакс, яка визначається таким співвідношенням:

U_{a макс}=-VR_н/(R_e+R_н).

Потужність в навантаженні при максимальній амплітуді U_{а макс} рівна

.

Максимальне значення потужності в навантаженні R_{н макс} буде досягатись в тому випадку, коли опір навантаження R_н=R_е, чо виходить з умови dР_н/dR_н=0. Воно визначається наступним виразом:

Р_{н макс}=V²/8R_е.

Цей результат дещо неочікуваний, оскільки, як правило, потужність у навантаженні максимальна, якщо її опір рівний внутрішньому опору джерела живлення. Однак це твердження справедливе тільки тоді, коли напруга холостого ходу постійна. У розглядуваному ж випадку напруга холостого ходу повинна бути тим меншою, чим менший опір навантаження R_н.

Тепер розрахуємо розподілення потужності в схемі при довільному опорі навантаження. При синусоїдальній вихідній напрузі на навантаженні R_н виділяється потужність

Р_н = 1/2(U²_а/R_н).

Потужність, що розсіюється на транзисторі, при U_а(t) = Usin t визначається наступним виразом

Р_Т = (V²/R_е)-1/2U²_a[(1/R)+(1/R)].

Таким чином, потужність, розсіювана на транзисторі, максимальна за відсутності вхідного сигналу. Потужність, розсіювана на опорі R_е, рівна

Р_е= V²/R_е+1/2(U²_а/R_н).

Схема використовує від джерела живлення сумарну потужність

Р_сум=Р_н+Р_Т+Р_е=2(V²/R_е).

Ми отримали цікавий результат: використовувана схемою потужність постійна і не залежить від величини вхідного сигналу і навантаження, поки схема не перевантажена. Коефіцієнт корисної дії схеми  визначається як відношення максимальної потужності в навантаженні до використовуваної потужності від джерела живлення. Використовуючи наведені вище формули для Р_{н макс} і Р_сум, отримаємо  = 1/16 = 6,25%.

Слід відмітити що на практиці підсилювачі потужності виконуються за двотактними схемами Вони являють собою двоканальний пристрій кожний з каналів якого призначений для підсилення сигналу в один з на півперіодів змінного вхідного сигналу Кожний канал виконується за схемою емітерного повторювача Його коефіцієнт підсилення за напругою дорівнює одиниці а коефіцієнт підсилення за струмом дорівнює коефіцієнту підсилення транзистора за схемою з загальним колектором Схема такого підсилювача наведена на рисунку 122

Рисунок122 – Підсилювач потужності

Оскільки вхідні характеристики транзисторів нелінійні то для зменшення нелінійних спотворень періодичного синусоїдального вхідного сигналу кожний з каналів двотактного підсилювача повинен працювати в режимі АБ Це досягається двома шляхами

– включенням між каналами діодів виготовлених з того ж напівпровідникового матеріалу, що і транзистори Спад напруги на діоді і напруга на емітерному переході рівні що забезпечує автоматичному пересуванню початкової робочої точки каналу в точку зсуву вхідної характеристики транзистора

– включенням між каналами додаткової RC ланки на якій отримуються спад напруги, що дорівнює напрузі зсуву вхідної характеристики транзистора Загальний коефіцієнт підсилення по потужності розглянутого підсилювача дорівнює подвоєному значенню коефіцієнта підсилення транзистора за схемою з загальним колектором Для його збільшення в схемі підсилювача транзистори каналів виконують складовими за схемю Дарлінгтона