1. Полный электрический расчет усилителя

2.1. Разработка принципиальной схемы усилителя мощности

1. 2.1.1. Выбор схемы ум

Схема усилителя для стационарной аппаратуры 1-ой и высшей групп сложности представлена на рис. 2.1. В такой аппаратуре допустимо использование двуполярного питания. Это дает возможность подключить нагрузку непосредственно к выходу оконечного каскада, и, что особенно важно, обеспечить нулевое постоянное напряжение на нагрузке. На транзисторах VT1 и VT2 собран так называемый дифференциальный каскад (ДК). У него два входа: левый по схеме – инвертирующий, правый – неинвертирующий. Резистором R3 устанавливается ток покоя.

R₂ – нагрузка VT1 по постоянному току.

R₁ обеспечивает привязку базы VT1 к нулевому потенциалу.

С₂ – параллельная по напряжению частотно-зависимая ООС, служащая для обеспечения устойчивости схемы.

R_t – условное обозначение цепи, создающей начальное смещение на базах VT4 и VT5 и обеспечивающей термостабилизацию.

R₆, R₇ – коллекторная нагрузка транзистора VT3 по постоянному току, причем R₆+R₇>>R_t.

C₃ – следящая ОС по цепи питания транзистора, или схема вольтдобавки - усраняет протекание переменного тока по цепи R₆→R₇→земля и соответственно увеличивает коэффициент усиления каскада на транзисторе VT2.

R₉=R₁₀=(0.05…0.1)R_н – местная ОС, выравнивает параметры пары транзисторов оконечного каскада. R₉=R₁₀=0.075∙4=0.3 (Ом)

Эта схема имеет ряд важных преимуществ:

1) высокая температурная стабильность, обеспечивающая поддержание нулевого потенциала в точке «0» (на сопротивлении R_н) с высокой точностью; это достоинство определяется уникальными свойствами дифференциального каскада;

2) в схеме можно получить большее усиление в петле ООС, т.к. в ДК отсутствует местная ООС.

Рисунок 2.1

2. Выбор цепи термостабилизаци

На приведенной схеме (см. рис. 2.1) эта цепь была условно обозначена . Она предназначена для создания начального смещения на базах транзисторов выходного каскада. В процессе нагрева их параметры существенно изменяются, что влечет за собой изменение режимов и нарушение работы всей схемы. Цепь в зависимости от температурного режима изменяет напряжение смещения так, чтобы компенсировать изменение параметров транзисторов.

Схема на диоде.

Диод при этом обязательно должен иметь надежный контакт с радиатором, на котором установлены выходные транзисторы, иначе термостабилизации попросту не будет.

Диодов может быть несколько, при этом они включаются последовательно.

Данная схема (рис. 2.2.) обеспечивает достаточную температурную стабильность в диапазоне температур 0 .. 40 .

Рисунок 2.2

1. Расчет оконечного каскада

Рисунок 2.3

1. Определяем амплитуду напряжения и тока на нагрузке:

; (2.3)

; (2.4)

2. Определяем напряжения источника питания:

, (2.5)

где =1…3 (В) – остаточное напряжение на полностью открытом транзисторе выходного каскада приP=1…10 (Вт). Но всегда >0.4…0.7 (В).E₀ должно иметь запас 10…15%, т.е.

; (2.6)

E₀ выбираем из стандартного ряда Е12, равное 39 В.

Определим максимальную мощность обычного двухтактного каскада:

(Вт) (2.7)

3. Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторах выходных транзисторов:

. (2.8)

4. Определяем желаемый коэффициент усиления по току h₂₁ для выходных транзисторов:

, (2.9)

где P_П =10…20 мВт – выходная мощность предоконечного каскада, работающего в режиме А. В нашем случае примем P_П =20 мВт.

5. Выбираем транзисторы оконечного каскада (VT4, VT5 см. рис. 2.1) по следующим параметрам:

(Вт); (2.10)

(А); (2.11)

(В); (2.12)

; (2.13)

(кГц); (2.14)

Выбранные транзисторы: VT4 – КТ827А и VT5 – КТ825А.

6. Для завершения расчета оконечного каскада необходимо проверить смогут ли выходные транзисторы нормально работать без дополнительного теплоотвода.

Максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе P_{к доп} при заданной температуре окпужающей среды t_{c max} и отсутствии радиатора определяется выражением:

, (2.15)

где t_{п max} – максимальная температура перехода коллектор-база, t_{c max} – максимальная температура окружающей среды, R_{t пс} – тепловое сопротивление промежутка переход-среда. Обычно t_{п max} выбирается на 5-10% ниже максимальной температуры, указанной в справочнике для материала, из которого изготовлен транзистор. Тепловое сопротивление радиатора и площадь его поверхности находятся с помощью выражений:

(C/Вт); (2.16)

(см²), (2.17)

где R_{t кс} – тепловое сопротивление промежутка корпус транзистора-окружающая среда (радиатора), R_{t пк} – тепловое сопротивление промежутка коллекторный переход-корпус транзистора (справочная величина).

7. Определим постоянный ток и мощность, потребляемые оконечным каскадом от источника питания, и коэффициент полезного действия:

(А); (2.18)

(Вт); (2.19)

(2.20)

На этом расчет оконечного каскада можно считать оконченным. Результаты расчета отобразим в таблицах:

(мА) (2.21)

(мА) (2.22)

Транзисторы

	Тип	Pк доп, Вт	Iк доп, А	Uк доп, В	h21 min	h21 max	fh21, МГц
VT4	n-p-n	12	5	47	1667	—	60
VT5	p-n-p	12	5	47	1667	—	60

Режимы

	h21	I0б	I0к	Iкм	Iбм	Uкм	Rвх	Pк	S
Разм.	—	мА	мА	А	мА	В	Ом	Вт	см2
VT4	1667	0,212	354	3.54	2.12	14.14	6672	12	132

4. Расчет предоконечного каскада

Рисунок 2.4

Для расчета необходимо иметь следующие исходные данные:

амплитуду тока базы выходных транзисторов:

(мА); (2.23)

входное сопротивление оконечного каскада:

(Ом); (2.24)

напряжение смещения(напряжениями на резисторах R₉ и R₁₀ как правило можно пренебречь):

(В), (2.25)

где U_бэ4=U_бэ5≈0.5…0.6 В для режима В.

Перейдем непосредственно к расчету.

1. Задаемся током покоя:

(мА) (2.26)

но при этом в любом случае I_ок3>(1…2) мА – требование температурной стабильности.

2. Выбираем R₇=(30…50)R_н:

(Ом),

из ряда E24 R₇=160 (Ом).

3. Рассчитываем R₆:

(Ом), (2.27)

из ряда E24 R₆=2700 (Ом).

4. Емкость С₃ рассчитывается из соображений, приведенных при описании формулы:

, (2.28)

где М_н – затухание (в разах), вносимое емкостью С на нижней рабочей частоте f_н при сопротивлении внешних цепей R, выбирается при распределении заданных частотных искажений между емкостями. В качестве сопротивления R принимаем:

(Ом) (2.29)

Допустимые частотные искажения 3 дБ.

Емкость С₃ рассчитывается по формуле:

(мкФ) (2.30)

из ряда E6 C₃=220 (мкФ).

5. Выбираем VT3 по следующим параметрам:

(Вт), (2.31)

где

(Вт); (2.32)

(мА), (2.33)

где

(мА); (2.34)

(В); (2.35)

(кГц). (2.36)

Теперь выбраем транзистор VT3 с возможно большим h_21.

Возьмем транзистор КТ646А.

6. Расчет цепи смещения:

а) выбираем диод по критериям:

(мА) (2.37)

(В) (2.38)

Выбираю диод D223.

В этой схеме хорошо работает стабилитрон.

Б) определяем количество диодов:

(2.39)

в) определяем сопротивление подстроечного резистора:

(Ом) (2.40)

Возьмем =100 Ом.

Коэффициент 2 указывает на то, что в номинальном режиме движок резистора будет примерно в среднем положении.

7. Определим входное сопротивление ПОК. Оно практически определяется входным сопротивлением транзистора.

(Ом) (2.41)

где (Ом) (2.42)

(мА) (2.43)

(Ом). (2.44)

8. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:

, (2.45)

Пользуясь результатами расчета, заполним таблицы:

Транзистор

VT3	тип	h21	Iк доп, А	Pк доп, Вт	Uк доп, В
КТ818В	p-n-p	от 15	15	1.5	60