Задание :

Спроектировать УНЧ, удовлетворяющий следующим требованиям:

P_вых = 2 Вт ; R_н= 8 Ом ;

R_г=300 кОм ; e_г= 10 мВ ;

f=100 ö 20000 Гц ; DT=(-10)ö(+50) °C.

Разработка усилителя мощности.

В качестве основы требуемого УНЧ возьмем операционный усилитель. Так как сопротивление генератора достаточно велико, сигнал будем подавать на неинвертирующий вход. При этом получаем простейший неинвертирующий усилитель ( см. рис.), охваченный отрицательной обратной связью. Коэффициент усиления по напряжению для этой схемы получаем

Но так как амплитуда выходного тока и напряжения распространенных типов ОУ ограничена , то сигнал с выхода ОУ необходимо дополнительно усилить. Для этого построим выходной каскад на транзисторах. Простейший транзисторный усилитель показан на рисунке. Это схема с общим эмиттером. Коэффициент усиления по напряжению для этой схемы получаем

Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения и обеспечивают начальное смещение базы, чтобы транзистор усиливал как положительный , так и отрицательный полупериод входного сигнала.

Аналогичного результата можно добиться, если использовать двухтактный усилитель ( переходные искажения - искажения типа ступенька - намеренно не рассматриваются ). При этом каждый полупериод работает только один из транзисторов, поэтому для расчетов будем рассматривать только положительный сигнал на входе.

Необходимая амплитуда синусоидального напряжения при заданных сопротивлениях нагрузки и мощности, выделяемой на нагрузке:

Амплитуда тока и напряжение питания определяются:

На основании полученного напряжения питания схемы выбираем операционный усилитель К140УД9 с параметрами:

Ток, потребляемый в режиме максимальной нагрузки :

,

а мощность, рассеиваемая на каждом транзисторе при максимальной отдаваемой мощности :

Из вышеизложенных соотношений производим выбор транзисторов выходного каскада VT5 и VT6 :

(6)

– максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер; – максимальное значение тока коллектора; – коэффициент усиления транзистора с в схеме с ОЭ; – граничная частота коэффициента ограничения тока и частота, на которой модуль коэффициента усиления по напряжению в схеме с ОЭ равен своему действительному значению, соответственно; – максимальная температура перехода; – максимальная температура переход-корпус.

Для так называемой раскачки выходных транзисторов перед ними поставим дополнительный транзисторный каскад - предвыходной. Этот каскад обычно обеспечивает усиление по току и напряжению. Получаем двухкаскадный усилитель мощности.

Для стабилизации коэффициента усиления этого УМ в него можно ввести дополнительную к общей местную обратную связь с помощью резистора R₈ ( обозначения взяты из схемы приложения 1 ) Тогда коэффициент усиления по напряжению будет определяется, в основном, делителем из резисторов R₇ и R₈.

Если принять R₈ >> R_н , то эту зависимость можно приблизительно выразить так :

Приняв

,

получим

Так как относительно точек соединения резисторов R₇ и R₈ транзисторы VT3 и VT4 являются повторителями напряжения на их базах ( с разницей приблизительно 0.6 В - падение напряжения на переходе база-эмиттер) , амплитуда напряжения на выходе ОУ практически повторяется на эмиттерах этих транзисторов , и поэтому коэффициент усиления напряжения всего выходного каскада с учетом вышесказанного определяется следующим образом:

Допустимую амплитуду напряжения на выходе ОУ следует выбрать с некоторым запасом из-за возможной нестабильности по питанию :

Отсюда выражаем сопротивление резистора R₇ :

Сопротивления резисторов R₉ и R₁₀ рассчитывают так, чтобы ток через них при максимальном сигнале соответствующей полярности не превышал 10-20 % амплитуды тока базы выходных транзисторов. Тогда основной нагрузкой предоконечного транзистора будет выходной мощный транзистор, что в принципе и требуется :

Теперь выберем транзисторы VT3 и VT4 :

Теперь вернемся к приведенной выше схеме двухтактного усилителя. Нетрудно заметить, что при на выходе не будет никакого сигнала-так называемое искажение типа "ступенька". Чтобы избежать этого, необходимо сместить выходные транзисторы в состояние проводимости, т. е. при нулевом сигнале на входе оба выходных транзистора должны быть приоткрыты. Если принять, что коэффициент усиления выходных транзисторов должен находиться в пределах 1¸30, то можно оценить номиналы резисторов R₁₁ , R₁₂ и тока покоя I_{э min} :

Для обеспечения необходимого смещения будем использовать схему, изображенную на рисунке. Нетрудно видеть , что при R₁=R₂ U_кэ не будет зависеть от Uпит и U_кэ = 2U_бэ . Напряжение U_бэ2 имеет отрицательный температурный коэффициент около -2мВ/К, компенсирующий температурную зависимость U_бэ3 и U_бэ4, так как коэффициент изменения напряжения на сумме одинаковых резисторов вдвое больше и составляет около -4мВ/К.

Для уменьшения температурного дрейфа тока покоя выходных транзисторов при их разогреве при работе, обычно в месте их крепления закрепляют и транзистор VT2. Тогда при повышении температуры транзисторов VT5, VT6 одновременно нагревается и VT2, уменьшая U_бэ2, что снижает U_бэ3 и U_бэ4, и в результате падает ток транзисторов VT3, VT4 и VT5, VT6. Таким образом обратная тепловая связь стабилизирует начальный ток выходного каскада.

В качестве VT2 подойдет любой кремниевый транзистор. Рассмотрим, например, применение транзистора КТ315В. Его основные параметры ниже:

Генератор стабильного тока, необходимый для работы транзистора VT2 можно сделать на полевом транзисторе, как показано на рисунке. Режим работы и выбор полевого транзистора VT1 определяется тем, что ток стока VT1 должен с некоторым запасом обеспечивать амплитудное значение тока базы транзистора VT4 в режиме отдачи максимальной мощности. Выбор и параметры подходящего транзистора представлены ниже:

Рассчитываем сопротивление автосмещения и стабилизации :

Ток делителя R₅, R₆ принимаем , откуда получаем номиналы :

Резистор R₃ определяет входное сопротивление усилителя. Примем его номинал, например, R₃=50 кОм. Из условия минимума смещения нуля принимаем и номинал сопротивления R₂ равным R₃:

R₂=50 кОм.

Необходимый коэффициент усиления УНЧ можно найти из начальных данных :

Отношение сопротивления резисторов R1 и R2 ,как было ппоказано ранее, и задает этот коэффициент усиления . Отсюда номинал резистора R1 получим :

(22)

Емкости конденсаторов C1 и С2 определяют нижнюю граничную частоту усилителя. Примем коэффициент линейных искажений . По заданной f_нижн и коэффициенту линейных искажений (в децибелах) находим (23):

(23)

и вычисляем номиналы конденсаторов (24):

(24)

В качестве корректирующего конденсатора С₅ (из инженерных рекомендаций) примем конденсатор с номиналом С₅=30 пФ.

Расчет радиаторов для мощных транзисторов VT5 и VT6.

1. Исходные данные:

• P_К – рассеиваемая транзистором мощность, Вт;

• R_пк– тепловое сопротивление переход-корпус транзистора, К/Вт;

• T_{п max}– максимальная температура перехода, К;

• S_к– площадь теплового контакта транзистор-радиатор, см²;

• T_{c max}– максимальная температура Среды, К;

• n=1.57*10^-4 – коэффициент вязкости воздуха, м²/с;

• g=9.8 – ускорение свободного падения, м/с²;

• R=1/273 – коэффициент объемного расширения воздуха;

• L=h=4 cм – высота и длина ребра радиатора;

• d=2 мм – толщина несущей плоскости радиатора;

• d=1.5 мм – толщина ребра радиатора.

Рисунок 1. Эскиз радиатора.

Эскиз радиатора представлен на рисунке 2.

Значение параметра для VT5.	Аналитическое выражение и название параметра	Значение параметра для VT6.
PК=4 Вт		PК=4 Вт
Tc max=323 К		Tc max=323 К
Tп max=398 К		Tп max=423 К
Rпк= 5 К/Вт		Rпк= 5 К/Вт
Sк=7.8*11.1=0.87 см2		Sк=7.8*11.1=0.87 см2
2.5	Тепловое сопротивление корпус-радиатор, К/Вт:	2.5
30.28	Средний перегрев радиатора, К:	54.28
2.3	Оптимизированное расстояние между ребрами, см:	2.0
7.57	Расчетное сопротивление радиатор-среда, К/Вт	13.57
211.4	Поверхность радиатора, см2	118.0
4.3	Число ребер радиатора	2.66
5	Округленное до ближайшего целого число ребер радиатора N, шт.	3
9.95	Габаритные размеры радиатора, см	4.45