2.3 Электрический расчет

2.3.1 Расчет двухтактного трансформаторного выходного каскада, представленный на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема двухтактного трансформаторного оконечного каскада.

В двухтактных трансформаторных каскадах транзисторы работают в режимах классов А и АВ (близок к классу В). Расчёт подобных каскадов осуществляется для одного плеча, поэтому кроме общего коэффициента трансформации n=ω1/ω2 вычисляют коэффициент трансформации плеча n_n=2n.

Рассчитываем мощность транзистора для одного плеча каскада:

, (25)

где Р_н – полная выходная мощность двухтактного каскада, Вт;

ή_Т – КПД выходного транзистора, находится в пределах 0,7 0,8.

.

Исходное напряжение коллектора U_окэ для выходных транзисторов

рекомендуется выбирать большим, но более чем это обусловлено U_окэ≤(0,3÷0,4)U_кэmax , U_окэ 10В. Увеличение U_кэ при прочих равных условиях позволяет уменьшить мощность выхода предоконечного, а также способствует снижению коэффициента гармоник выходного каскада. Это справедливо для любого выходного каскада независимо от схемы и используемого класса режима.

Эквивалентное приведенное сопротивление нагрузки для одного плеча транзистора:

, (26)

где U_ОСТ = 0,2÷2,0 В – остаточное напряжение коллектора, зависящее от типа применяемого транзистора и номинала выходной мощности каскада;

U_ОКЭ – напряжение коллектора в рабочей точке, U_ОКЭ=10В.

.

При наличии выходных статических характеристик транзистора величину UОСТ. определяют следующим способом. Коллекторный ток выходного транзистора:

, (27)

где Р_Н – полная выходная мощность двухтактного каскада, Вт;

U_ОКЭ – напряжение коллектора в рабочей точке, В.

.

Рассчитаем максимальная амплитуда коллекторного напряжения:

, (28)

где U_ОКЭ – исходное напряжение коллектора, В;

U_ОСТ – остаточное напряжение коллектора, В.

U_mк=10 - 2 = 8В.

Рассчитаю ток покоя (начальный ток) коллектора:

I_ок = (0.021) I_mк, (29)

где Imк - максимальная амплитуда ток коллектора; Imк=1,2А.

Iок = 0,1  1,28 = 0,128А.

Таким образом координаты рабочей точки Р₁ будут: I_ОК и U_ОКЭ.

Рассчитаем мощность рассеяния на транзисторе при максимальной выходной мощности:

(30)

где U_ОКЭ – исходное напряжение коллектора, В;

I_mк – максимальный ток коллектора, А;

I_ОКП – ток нагрузки, А;

R_КП – приведенное сопротивление нагрузки для одного плеча, Ом;

Е_К – входное напряжение источника, В.

Р_к=0,3212.1,28 - 0,251,28²  6,25 = 2,34 Вт.

Полученное значение Р_к меньше, чем максимально допустимая мощность Р_max, 5Вт  2,34В.т

Амплитуда напряжения входного сигнала U_mБЭ, которую должен обеспечить предоконечный каскад, определяю по входной характеристике транзистора. Для этого , отмеченные точки нагрузочной прямой (точки 1-7 на рисунке ) переносят на входную характеристику, изображенной на рисунке.

Рисунок 3. Входные характеристики транзисторов

Рисунок 4. Выходные характеристики

Тогда амплитуда напряжения входного сигнала:

, (31)

где U_mБЭ – амплитуда напряжения база - эмиттер, В;

U_Бэmax – максимальное напряжение база - эмиттер, В;

U_ОБЭ - смещение база - эмиттер, В.

.

Рассчитаем ток смещения базы:

, (32)

где I_ОК – начальный ток коллектора, А;

h_21Эmin – коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ , h₂₁=20.

.

Максимальная амплитуда входного тока:

, (33)

где I_мк – максимальная амплитуда тока коллектора, А;

.

Определяем сопротивления резисторов в цепи делителя напряжения по формуле:

, (34)

где Е_к – напряжение источника ,В;

U_ОБЭ – напряжение базы в рабочей точке, В;

I_дел – ток делителя, А;

I_ОБ – начальный ток базы, А.

Выберем номинал резистора R₃₅ = 270 Ом, Р_рас=0,5Вт.

, (35)

где U_ОБЭ – напряжение смещения Б-Э, В;

I_дел – ток делителя, А.

Выберем номинал резистора R₃₆ = 3,9 Ом, Р_рас=0,01Вт.

Iдел =(0,50,2) Iмб, Iдел=0,032А.

Рассчитываем ток, потребляемый каскадом от источника при максимальной выходной мощности Р_н:

, (36)

где I_mn - максимальная амплитуда тока коллектора, А;

I_дел – ток делителя, А.

.

Рассчитываем мощность потребляемая каскадом от источника питания:

, (37)

где I_ист – ток, потребляемый каскадом от источника питания, А;

Е_к – напряжение источника, В.

.

Рассчитываем общий коэффициент полезного действия каскада:

, (38)

где Р_н- выходная мощность транзистора для одного каскада ,Вт;

Р_ист – мощность, потребляемая каскадом от источника питания, Вт.

.

Расчет входной мощности сигнала Рвх , которую должен обеспечить предоконечный каскад для выделения заданной мощности Рн выходным каскадом:

, (39)

где I_mб – максимальный ток базы, А;

U_мбэ – максимальное напряжение смещения Б-Э, В;

R₃₄ - сопротивление делителя напряжения, Ом.

.

Рассчитываем сопротивление одного плеча входного каскада с учетом влияния делителя напряжения (цепь R1 R2):

, (40)

где U_тбэ – амплитуда напряжения входного сигнала, В;

I_mб – максимальная амплитуда входного тока, А;

R₃₄ – сопротивление делителя напряжения, Ом.

.

Определяем коэффициент усиления по мощности:

, (41)

где Р_н – выходная мощность транзистора для одного плеча, Вт;

Р_вх –мощность входного сигнала, Вт.

.

Рассчитаем коэффициент трансформации первичной обмотки:

, (42)

где R_н- омическое сопротивление громкоговорителя, задаем Rн=8 Ом;

 - коэффициент полезного действия выходного трансформатора, =0,75;

R` _кп – приведенное сопротивление нагрузки для одного плеча, Ом.

.

Далее рассчитываем сопротивление первичной обмотки:

, (43)

где R`_кп – приведенное сопротивление нагрузки для одного плеча, Ом;

_Т – коэффициент полезного действия выходного трансформатора.

.

Сопротивление вторичной обмотки:

, (44)

где R_н - омическое сопротивление громкоговорителя, R_н = 8 Ом;

_Т–коэффициент полезного действия выходного трансформатора.

.

Рассчитываем индуктивность первичной обмотки:

, (45)

где R`_кп – приведенное сопротивление нагрузки для одного плеча, Ом;

r_1П – сопротивление первичной обмотки, Ом;

f_н – минимальная моделирующая частота, Гц;

М_НТ - частотные искажение низкочастотной части.

.

Находим индуктивность вторичной обмотки:

L1=4 ^, L1п, (46)

где L1n – индуктивность первичной обмотки, Гн.

L1=4 ^, 0,0014=5,6мГн.

2.3.2 Расчет предоконечного каскада, схема которого приведена

на рисунке 3.

Рисунок 5. Схема предоконечного каскада.

Рассчитываем мощность, отдаваемую транзистором каскада при заданной мощности нагрузки Рн:

(47)

где Р_н – полная выходная мощность оконечного каскада, Вт;

_Т- коэффициент полезного действия выходного трансформатора, _Т=0,77.

.

Максимально возможное КПД для каскадов, которые работают в режиме класса А, применяются в предоконечных и однотактных каскадах

=0,4-,045 (<0,5).

Исходное напряжение коллектора выбирают:

(48)

Uокэ=12В.

Ток покоя вычисляют по формуле:

, (49)

где Р_н – выходная мощность предоконечного каскада, Вт;

U_окэ – напряжение коллектора в рабочей точке, В.

.

Расчет U_окэ и I_ок также можно произвести графическим методом на графике выходных характеристик транзистора.

Рисунок 6. График выходных характеристик транзистора МП-41

Из графика следует что:

U_окэ = 5В,

I_ок = 8mA

Находим приведенное к первичной обмотке входное сопротивление каскада:

(50)

где R _вх2 – сопротивление одного плеча оконечного каскада, Ом;

n – коэффициент трансформации.

.

Если при расчете ставится задача максимального использования коллекторного напряжения предоконечного каскада, то коэффициент трансформации:

, (51)

где U_твх2 – амплитуда напряжения входного сигнала оконечного каскада, В;

U_окэ – напряжение коллектора в рабочей точке, В.

.

Рассчитаем значение Rк необходимое для обеспечения заданной мощности Р_вых:

, (52)

где U_окэ – исходное напряжение коллектора, В;

I_окэ – ток коллектора в рабочей точке, А.

.

Активное сопротивление обмоток трансформатора:

, (53)

где R_к – сопротивление необходимое для обеспечения заданной мощности Рвых, Ом;

_Т – коэффициент полезного действия выходного трансформатора.

.

Активное сопротивление вторичной обмотки, приведенное во вторичной обмотке определяется при ,

где r₁ – активное сопротивление первичной обмотки, Ом;

n – коэффициент трансформации.

, (54)

.

Коэффициент усиления по напряжению:

, (55)

где R_к – сопротивление необходимое для обеспечения заданной мощности Рвых, Ом;

h_11Б – входное сопротивление в режиме малого сигнала;

n – коэффициент трансформации.

.

Выходное сопротивление инверсного каскада (сопротивление Rс для двухтактного каскада), работающего на двухтактный каскад, составляют:

, (56)

где R_вых1- сопротивление коллектора,R_вых1=R`k, Ом;

R`_кп2 – входное сопротивление одного плеча выходного каскада, Ом;

r₁ – активное сопротивление обмоток трансформатора, Ом.

.

Рассчитаем цепь стабилизации.

Сначала определим сопротивление резистора R34:

, (57)

где Е_к – напряжение источника питания, В;

U_RФ – напряжение постоянная составляющая на RФ, Ом;

U_RК -напряжение постоянная составляющая на RК, Ом;

I_ок – начальный ток коллектора, А.

Значения URФ и URK выбираем в следующих пределах:

, (58)

.

, (59)

.

Падение напряжения на резисторе RЭ:

, (60)

.

.

Выберем номинал R₃₄=0,91кОм, Р_рас=0,025Вт.

Сопротивление резистора в цепи делителя:

, (61)

где U_RЭ – напряжение на резисторе RЭ, В;

U_ОБЭ – начальное напряжение смещения Б-Э, В;

Iдел – ток делителя, А.

, (62)

, (63)

.

Выберем номинал R₃₃=18Ом, Р_рас=0,5Вт.

Определяем значение сопротивления резистора:

, (64)

где Е_п – напряжение источника сигнала, В;

U_RФ – напряжение постоянная составляющая на R_Ф, В;

I_дел – ток делителя, А;

I_ОБ – начальный ток базы, А;

R31 –сопротивление резистора в цепи делителя, Ом.

Выберем номинал резистора R₃₂ = 22 Ом, Р_рас=0,5Вт.

Рассчитываем коэффициент не стабильности:

, (65)

где R₃₃ – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора, Ом;

R₃₂ - активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, Ом;

R₃₄ – сопротивление эмиттера, Ом;

R₃₅ – сопротивление фильтра, Ом.

.

Чем меньше величина , тем более стабильный режим транзистора. Для данной схемы =1÷8.

Рассчитываем емкость конденсаторов.

Емкость конденсатора, шунтирующего резистор R34:

, (66)

где f_н – минимальная моделирующая частота, Гц;

R₃₄ – сопротивление в цепи эмиттера, Ом.

Выберем номинал конденсатора С₃₀ = 0,01 мкФ.

Емкости разделительных конденсаторов С25, С27, С29 для данной схемы определяем из условия:

, (67)

где f_н – минимальная моделирующая частота, Гц;

R_вх – входное сопротивление одного плеча выходного каскада, Ом;

R_Г – сопротивление генератора, Ом;

М_ИС – коэффициент частотных искажений.

.

Определяю элементы развязывающего фильтра:

, (68)

.

Выберем номинал резистора R₃₇ = 2,4 Ом.

, (69)

где F_H – минимальная моделирующая частота, Гц;

R₃₇- сопротивление фильтра, Ом.