15.5. Расчет мощного оконечного каскада

Для более подробного ознакомления с последовательностью расчета мощного оконечного каскада рассмотрим пример расчета усилителя с выходной мощностью 50Вт, схема которого приведена на рис. 15.17. За его основу взята схема уси­лителя мощности, изображенная на рис. 15.15.

На сопротивлении нагрузки R_, равном 5 Ом, усилитель должен обеспечить синусоидальную мощность 50Вт. Пиковое зна­чение выходного напряжения U_a в этом случае будет составлять 22,4В, а макси­мальный ток I_a=4,48А. Для расчета на­пряжения источника питания определим минимальное падение напряжения на тран­зисторах T₁^/, T₁, Тз и резисторе Rз. Сум­марное напряжение база-эмиттер транзи­сторов T₁ и T₁^/ при токе I_max должно составлять около 1,8В. Если в качестве D₁ применить светодиод с красным свечением, прямое напряжение которого равно 1,6В, падение напряжения на резисторе R₃ будет составлять 1В. Напряжение коллектор-эмиттер транзистора T₃ при максималь­ном входном сигнале не должно превы­шать 0,8В. Для питания усилителя приме­ним нестабилизированный источник напря­жения, снижение напряжения которого при полной нагрузке не должно превышать 3В. Используя эти данные, определим на­пряжение питания при отсутствии сигнала

Поскольку схема симметрична, отрица­тельное напряжение питания должно иметь такую же величину. Теперь рассчитаем предельные параметры транзисторов Т₁^/ и Т₂^/. Их максимальный коллекторный ток составляет 4,48А. Для надежности выбе­рем I_Cmax = 10А. -

Рис. 15.17. Оконечный каскад усилите­ля мощности (синусоидальная мощ­ность 50Вт).

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер выходного транзи­стора достигается при полной раскачке и составляет U_a + U_b = 51,4В. Выберем U_CER= 60В. С помощью формулы из разд. 15.2.1

получим P_T1^/= Рт₂^/ = 17Вт. На основании изложенного в разд. 4.10 запишем соотно­шение между рассеиваемой мощностью и тепловым сопротивлением:

Максимальная допустимая температура перехода _j для кремниевых транзисторов в общем случае составляет около П5"С. Температура окружающей среды в корпусе устройства не должна превышать 175°С. Те­пловое сопротивление радиатора равно R_thL=4К/Вт. Подставим эти значения в соотношение для расчета теплового со­противления между полупроводником и корпусом транзистора:

Часто для мощных транзисторов задается максимальное значение рассеиваемой мощ­ности Р₂₅ при температуре корпуса, рав­ной 25С. Ее можно рассчитать, зная параметры R_thL и _j , по следующей формуле:

Коэффициент усиления по току выходных транзисторов при максимальном выход­ном токе составляет 30. С учетом этого значения рассчитаем параметры предоконечных транзисторов T₁ и T₂. Макси­мальный коллекторный ток этих транзи­сторов равен

Это значение тока, однако, относится только к сигналам низкой частоты. Для частот, превышающих f_g20кГц, коэффициент усиления по току мощных низкочастотных транзисторов значительно меньше. Поэто­му при резком возрастании тока предоконечный транзистор в течение короткого от­резка времени будет пропускать большую часть выходного тока. Для получения возможно большей полосы пропускания уси­лителя выберем Ic_max=1А. Заметим, что имеющиеся в продаже транзисторы с таки­ми параметрами и частотой пропускания порядка 50МГц довольно дорогие.

В разд. 15.4 было показано, что лучше ток покоя задавать только в предоконечных транзисторах и обеспечить падение напряжения на резисторах R₁ и R₂ порядка 400мВ. Для этого использованы крем­ниевые диоды Dз, падение напряжения на которых составляет 2,2В. Их можно заме­нять светодиодом с зеленым стечением. Для того чтобы получить достаточно низ­кий уровень переходных искажений, выбе­рем ток покоя, равный 30мА. Тогда сопротивления R₁ и R₂ будут равны

Мощность, рассеиваемая на предоконечных транзисторах при отсутствии сиг­нала, равна 30мА29 В  0,9Вт, а при полном входном сигнале 0,9 + 0,75Вт. Следовательно, для предоконечного каска­да усилителя могут бить использованы маломощные транзисторы в корпусе ТО-5 со звездчатым радиатором. Коэффициент усиления по току этих транзисторов соста­вляет 100. Учитывая это, рассчитаем максимальный базовый ток предоконечных транзисторов:

Ток источников на транзисторах Т₃ и Т₄ должен быть большим по сравнению с этой величиной. Выберем его равным 10мА..

Эмиттерный повторитель склонен к па­разитной генерации вблизи максимальной частоты пропускания выходных транзисто­ров. Для подавления такой генерация мож­но включить параллельно нагрузке последовательную RС-цепь (например, 1 Ом, 0,22 мкФ). При этом, конечно, снизится коэффициент полезного действия на высо­ких частотах. Другой способ подавления генерации состоит во включении в базо­вые цепи предоконечных транзисторов по­следовательных резисторов и конденса­торов, параллельных переходам коллек­тор-база. Выберем, как показано на рис. 15.17, R₇ = R₈ = 100 Ом. Падение напряжения на этих резисторах составляет 0,2В. При этом уменьшение максималь­ной выходной мощности будет незначи­тельным.