Расчет бестрансформаторного оконечного каскада УЗЧ

В оконечном каскаде стремятся получить максимальную мощность сигнала в нагрузке. Известно, что условием получения максимальной мощности в нагрузке является согласование выходного сопротивления усилительного элемента с нагрузкой, что осуществляется с помощью низкочастотных трансформаторов. Оконечные каскады трансформаторного типа применяются в технике и методика расчета таких усилителей подробно рассмотрена в литературе [3], [5], [8].

В настоящее время в бытовой технике все чаще находят применение бестрансформаторные выходные каскады. Эти схемы обладают простой конструкцией, отсутствием громоздкого и сравнительно дорогостоящего трансформатора и более лучшими частотами, фазовыми и нелинейными характеристиками.

Расчет бестрансформаторного оконечного каскада УЗЧ ведется для схемы, выполненной на комплементарной паре (рис. 2.11).

Транзисторы работают в режиме, близком к режиму В.

Рис. 2.11

Исходные данные: выходная мощность Pвых = 0,4 Вт; сопротивление нагрузки (головные телефоны ТА-56М) RН = 100 Ом; полоса усиливаемых частот FН = 0,3 кГц, FВ = 3,4 кГц; допустимые частотные искажения МН = МВ = 1,18.

Требуется определить: тип транзистора, данные режима по постоянному току; токи, напряжения и мощность выходной цепи; фактически полученную мощность в нагрузке и мощность, рассеиваемую на коллекторе, номиналы и тип элементов принципиальной схемы.

Расчет производим следующим образом:

Определяем требуемую амплитуду переменного напряжения на входе каждого плеча схемы:

.

Учитывая, что транзисторы VT2 и VT3 включены последовательно по постоянному току, суммарное напряжение источника

Е = 2Е_К1.

Определяем напряжения источника питания для каждого плеча схемы:

,

где U_{КЭ ост} = 1 В – напряжение в режиме насыщения (выбираем).

Суммарное напряжение источника:

.

Определяем необходимую амплитуду тока коллектора для каждого плеча:

.

Определяем среднее значение тока, потребляемое от источника в режиме В:

.

Определяем мощность, потребляемую от источника питания каждым из транзисторов VT2 и VT3:

.

Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе транзисторов VT2 и VT3:

;

где .

Определяем требуемую предельную частоту транзистора:

.

8. Выбираем комплементарную пару транзисторов ГТ402Д (типа

р-n-р) и ГТ404А (типа n-p-n), у которых

Пользуясь справочником по транзисторам, выписываем основные параметры транзисторов:

9. для уменьшения нелинейных искажений выбираем ток покоя:

10. На семействе статических выходных характеристик строим нагрузочную прямую. В данном случае

На оси напряжений откладываем точку, в которой и находим точку покоя, соответствующую и Точку. На оси токов откладываем точку, в которой ток

Через точку покоя и точку на оси токов, соответствующую току,проводим нагрузочную прямую (рис. 2.I2).

Рис. 2.12

11. Остаточное напряжение U_{кэ ост} определяем по графику (рис. 2.12). Для этого на оси токов отмечаем точку I_кm, и проводим прямую, параллельную оси напряжениий, до пересечения с нагрузочной прямой. Из точки пересечения проводим перпендикуляр на ось напряжения. В точке пересечения этого перпендикуляра с осью напряжения U_кэ – U_{кэ ост} = 0,6 В. Находим ток базы, соответствующий току Iкm: .

12. Находим ток базы в точке покоя, соответствующий току I_К0 по характеристике I_Б0 =0,1 мА.

13. На входной характеристике (рис. 2.13) отмечаем токи I_Б0 и I_{Б max}; проекции этих точек на ось напряжений соответствует напряжениям U_БЭ0 = 0,13В; U_{БЭ max} = 0,21В.

14. Определяем амплитуду тока базы:

.

Рис. 2.13

15. Определяем амплитуду напряжения:

.

16. Определяем входную мощность каждого плеча:

.

17. Определяем амплитуду входного напряжения, учитывая, что транзисторы Выходного каскада собраны по схеме с ОК:

.

18. Определяем мощность в нагрузке:

Где

Как видно из результатов расчета PВЫХ > PВЫХ ЗАЛ.

19. Определяем емкость разделительного конденсатора в цепи нагрузки:

.

Выбираем электролитический конденсатор типа К50-10 емкостью 10мкФ на номинальное напряжение 50В.

Расчет предварительного каскада.

Предварительный каскад резисторного типа с сопротивлением нагрузки R4 показан на рис. 2.11.

1Исходные данные берем из ранее произведенного расчёта оконеч­ного каскада.

Требуется определить: тип транзистора, положение точки покоя статических характеристиках и данные режима по постоянному то­ку, элементы принципиальной схемы каскада, коэффициенты усилении по току и по напряжению.

1. Определяем напряжение источника питания транзистора V T1 (рис. 2.11), учитывая, что сопротивление нагрузки каскада R4 подключено к точке А, где за счёт перезарядки емкости C3:

.

2. Определяём общий ток на входе оконечного каскада:

.

Где IБ m = 1,8мА амплитуда тока базы каждого плеча оконечного каскада.

З. Определяем коллекторный ток в точке покоя, учитывая, что каскад работает в режиме А [9]:

.

4. Выбираем тип транзистора таким образом, чтобы допустимое напряжение между коллектором и эмиттером было больше напряжения источника питания:

UКЭ ДОП > EОСТ = 30В.

Граничная частота транзистора при включении по схеме с общим эмиттером должна быть больше верхней частоты диапазона:

.

Выбираем транзистор КТ312Б, который удовлетворяет заданным требованиям и имеет следующие параметры: f_h21Э = 500 кГц; h_21Эmin = 25; h_21Эmax = 100; U_{КЭ доп} = 35 В; I_Kmax = 30 мА; h_22Э = 3 мкСм; h_11Э = 1820 Ом.

Находим напряжение в точке покоя [9]:

.

6. Определяем положение точки покоя К на статических характерис­тиках транзисторов КТ312Б, строим динамическую прямую и находим ток базы в точке покоя IБ0 = 0,2 мА (рис. 2.14).

Рис 2.14

7. По входной характеристике для тока IБ0 находим входное напряжение в точке покоя UБЭ0 = 0,4В (рис. 2.15).

8. Задаемся падением напряжения на резисторе R3 в цепи температурной стабилизации [9]:

.

9. Определяем ток в эмиттерной цепи;

.

10. Определяем сопротивление отрицательной обратной связи в эмиттерной цепи:

.

Мощность выделяемая на этом резисторе, будет

.

Выбираем стандартный резистор типа МЛТ-0,125, R3 = 820 Ом.

11. Определяем емкость C2, шунтирующую сопротивление R3 [9].

.

Выбираем электролитический конденсатор типа К50-6 емкостью 15 мкФ на напряжение 10В.

12. Определяем ток в цепи делителя смещения [9]:

.

13. Определяем сопротивления резисторов делителя:

;

.

Выбираем стандартные сопротивления R1 = 2 кОм и R2 = З,З кОм типа МЛТ-О,12.

14. Определяем сопротивление резистора в цепи коллектора:

.

Мощность, выделяемая на резисторе R4, будет

.

Выбираем стандартный резистор типа МЛТ-0,125 сопротивлением R4 =1,2 кОм.

15. Вычисляем входное сопротивление оконечного каскада

.

16. Определяем коэффициент усиления каскада по току:

.

17. Рассчитываем эквивалентное сопротивление нагрузки цепи коллектора:

.

18. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:

.

2.4.2. Расчёт усилителя напряжения звуковой частоты с резистивной нагрузкой

На рис. 2.16 изображена принципиальная схема УЗЧ с резистивной нагрузкой

Исходные данные:

Напряжение источника питания Еист = 12В.

Амплитуда напряжения на нагрузке, равная амплитуде входного напряжения следующего каскада: UH = UВХ СЛ = 0,8В.

Амплитуда тока в нагрузке, равная амплитуде входного тока с учетом тока, проходящего чрез цепь смещения последующего каскада:

IH = IВХ СЛ = 2 мА

Диапазон частот FH = 100 Гц; FВ = 8 кГц.

Допустимые частотные искажения МН = МВ = 1,1.

Расчет производим следующим образом:

Выбираем тип транзистора, исходя из двух условий:

а) UКЭ ДОП > ЕОСТ = 12В;

б) fh21Э > FВ = 8 кГц.

Данным условиям соответствует транзистор МН41, который имеет следующие параметры: U_{КЭ доп} = 15 В > E _ИСТ; h_11Э = 660 Ом; h_12Э = 10^-4; f_21Э = 25 кГц > F_В; h_21Э = 30; h_22Э = 20 мкСм; I_КЭ = 15 мкА; Δh_Э = 10,2·10^-3.

2. Определяем величину постоянной составляющей тока коллектора:

.

З. Определяем ток базы:

.

Выбираем минимальное напряжение между коллектором и эмиттером.

U_КЭmin = 1 В.

4. Определяем напряжение между коллектором и эмиттером:

U_КЭ0 = U_КЭmin + U_Н = 1 В + 0,8 В = 1,8 В.

5. Выбираем напряжение на сопротивлении RЭ в цепи эмиттера:

U_RЭ = (0,15…0,2)Е_ист = 0,2 · 12 = 2,4 В.

Строим динамическую характеристику

6. Вычисляем сопротивление в цепи коллектора:

.

7. Для учета влияния сопротивления на амплитуду переменной составляющей тока на выходе каскада определяем более точное значение тока в цепи коллектора:

;

.

Тогда .

Принимаем I_к = 2,3 мА; I_Б0 = 80 мкА.

8. Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера.

.

Мощность рассеивания на R_Э будет

P = U_RЭ · I_K = 2,4 · 10^-3 · 2,5 = 6 · 10^-3 Вт

По ГОСТ принимаем R_Э = 910 Ом типа МЛТ-0,125

9. Выбираем ток в цепи смещения:

I₁₂ = (3…5)I_Б0 = 5 · 80 = 400 мкА

10. Определяем значение сопротивления R₂ цепи стабилизации:

.

Мощность рассеивания на R2: P = I₁₂² · R₂ = (0,4 · 10^-3)² · 6,7 · 10³ = 1 · 10^-3 Вт.

По ГОСТ принимаем R2 = 6,8 кОм типа МЛТ-0,125.

11. Рассчитываем сопротивление R1 цепи стабилизации:

.

Мощность рассеивания на R1: P = 9,3 · 0,42 · 10^-3 = 3,9 · 10^-3 Вт.

По ГОСТ принимаем R1 = 22 кОм типа МЛТ-0,125.

12. Вычисляем коэффициент нестабильности рабочей точки:

,

Где .

.

13. Рассчитываем эквивалентное сопротивление нагрузки цепи коллектора:

.

14. Определяем коэффициент усиления по току:

15. Рассчитываем входное сопротивление:

.

16. Вычисляем коэффициент усиления по напряжению:

17. Определяем выходное сопротивление каскада:

18. Рассчитываем емкость разделительного конденсатора:

По ГОСТ принимаем Ср = 82 мкФ типа КЭ-1.

19. Вычисляем емкость блокировки конденсатора СЭ в цени эмиттера:

По ГОСТ принимаем С_Э типа КЭ-1 С_Э = 5 мкФ.

2.4.3. Расчёт усилителя звуковой частоты с трансформаторной нагрузкой

Схема оконечного каскада с согласующими трансформатором яв­ляется наиболее распространенной в радиоприемниках, имеющих выходную мощность доли ватта (рис. 2.19).

Рис. 2.19

Исходные данные для расчёта: полезная мощность на выходе P_ВЫХ = 0,5 Вт, сопротивление нагрузки R_Н = 8 Ом, диапазон частот F_Н = 300 Гц; F_В = 5 кГц, допустимые частотные искажения Мн = Мв = 1,О5. E_ИСТ = 23 В.

Расчёт производим следующим образом:

1. Определяем расчетную мощность каскада и P_{К max} :

,

где - коэффициент трансформации.

2. Мощность рассеивания на коллекторе в режиме покоя:

.

По значению мощности P_{К max} выбираем тип транзистора из следующих условий:

.

Выбираем транзистор П201, у которого U_{КЭ max} = 30В; I_{К max} = 1,5А;

P_{К max} = 10Вт; h_12Э = 500; h_21Э = 20.

3. Выбираем напряжение на коллекторе:

.

Выбираем U_КЭ0 = 12В

4. Учитывая, что напряжение источника питания уменьшено, значит, уменьшается и КПД усилительного каскада до 0,3-0,4. Следовательно, мощность, отдаваемая источником в цепи коллектора, будет

.

5. Определяем ток коллектора:

.

6. Находим переменное сопротивление нагрузки цепи коллектора:

.

Строим динамическую характеристику, которая должна проходить через точки с координатами U_КЭ0 = 12В, I_К0 = 113Ом;

.

Рис. 2.20

7. По характеристикам входим: .

8. Определяем среднее значение входного сопротивления:

.

9. Выбираем ток в цепи стабилизации рабочей точки:

.

10. Рассчитываем сопротивление делителя:

, где

Тогда: .

11. Выбираем по ГОСТ R₂ = 430 Ом типа МЛТ-0,125:

.

По ГОСТ выбираем R₁ = 1,1 кОм типа МЛТ-0,125.

12. Находим эквивалентное входное сопротивление

,

Где .

13. Вычисляем мощность, потребляемую во входной цепи:

.

14. Рассчитываем индуктивность первичной обточки трансформатора:

.

15. Находим коэффициент трансформации выходного трансформатора:

.

16. Определяем частотные искажения, вносимые транзистором:

.

17. Рассчитываем частотные искажения, связанные со свойствами трансформатора:

.

18. Вычисляем допустимое значение индуктивности рассеивания трансформатора:

.

19. Рассчитываем сопротивление в цепи эмиттера:

.

20. Рассчитываем емкость блокировочного конденсатора в цепи эмиттера:

.

Приложение 1

Параметры полевых транзисторов

Полевой транзистор	fh21Э [МГц]	N [дБ]	S [мА/В]	, при UЗ
КП-103 КП-201И КП-301Б   КП-303А КП-304А   КП-305Д   КП-306   КП-307Б КП-312А КП-313А КП-350   КП-902Б КП-902А	0,001 0,001	7,5     1-4 4-7,5   3-6	5,8 10,5	30, при UЗ -3В 300, при UЗ -6В   30, при UЗ -3В 300, при UЗ -6В 50, при UЗ +1В 400, при UЗ +3В 50, при UЗ +1В 400, при UЗ +3В   50, при UЗ +1В 400, при UЗ +3В

Приложение №3

Номиналы стандартизированных сопротивлений постоянных резисторов

Допустимые отклонения
±20%	±10%	±5%	±20%	±10%	±5%	±20%	±10%	±5%	±20%	±10%	±5%
Ом Ом кОм МОм
0,1   0,15   0,22   0,33   0,47   0,68	0,1   0,12   0,15   0,18   0,22   0,27   0,33   0,39   0,47   0,56   0,68   0,82	0,1 0,11 0,12 0,13 0,15 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,27 0,3 0,33 0,36 0,39 0,43 0,47 0,51 0,56 0,62 0,68 0,75 0,82 0,91	1,0   1,5   2,2   3,3   4,7   6,8	1,0   1,2   1,5   1,8   2,2   2,7   3,3   3,9   4,7   5,6   6,8   8,2	1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

Приложение 4

Номиналы стандартизированных емкостей постоянных конденсаторов

±20% и более

±10%

±5%

±20% и более

±10%

±5%

±20% и более

±10%

±5%

±20% и более

±10%

±5%

±20% и более

±10%

±5%

±20% и более

1,0     1,5   2,2     3,3   4,7   6,8

1,0   1,2 1,5   1,8   2,2 2,7   3,3   3,9   4,7   5,6   6,8   8,2

1,0 1,1 1,2 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

0,01     0,015   0,022     0,033   0,047   0,068

0,01   0,012 0,015   0,018   0,022 0,027   0,033   0,039   0,047   0,068

0,1     0,15   0,22     0,33   0,47   0,68

1,0   1,5   2,2 3,3     4,7 6,8

Оглавление

Введение……………………………………………………………….………1

Глава 1. Обоснование и расчет структурной схемы

радиоприемника………………………………………………………….……2

1.1. Выбор обоснование структурной схемы радиоприемника……………...….2

1.2. Разделение диапазона частот радиоприемника на

поддиапазоны…………………………………………………...……………..3

1.3. Выбор количества преобразование и номиналов

промежуточных частот…………………………………………..……………6

1.4. Расчет структурной схемы преселектора…………………………...………..9

1.5. Расчет структурной схемы тракта усилителя

промежуточной частоты…………………………………………..…………14

1.6. Выбор типа и числа каскадов, охваченных автоматической

регулировкой усиления………………………………………………..……..18

1.7. Расчет структурной схемы усилителя звуковой чачтоты……….…………20

1.8. Выбор структурной схемы системы автоматической

подстройки частоты и определение ее параметров……………….……….22

1.9. Пример предварительного расчета радиоприемника……………….……..26

Глава 2. Расчет отдельных каскадов радиоприемника……………….……42

2.1. Расчет выходных устройств…………………………………………...…….42

2.1.1. Выбор схемы входного устройства…………………………………………42

2.1.2. Расчет выходного устройства с емкостной связью

с антенной…………………………………………………………………….45

2.1.3. Пример расчета входного устройства………………………………....……50

2.2. Расчет усилителя радиочастоты на транзисторе……………………...…...55

2.2.1. Порядок учета УРЧ с трансформаторной связью с

нагрузкой……………………………………………………………………..56

2.2.2. Пример расчета усилителя радиочастоты………………………………….61

2.3. Расчет каскадов усилителей промежуточной частоты………………...….65

2.3.1. Расчет УПЧ с двухконтурным полосовым фильтром……………………..65

2.3.2. Расчет УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности……….…….69

2.4. Расчет усилителя звуковой частоты………………………………..……….75

2.4.1. Расчет бестрансформаторного оконечного каскада УЗЧ……………….....75

2.4.2. Расчет усилителя напряжения звуковой частоты с резистивной

нагрузкой…………………………………………………………………...…83

2.4.3. Расчет усилителя звуковой частоты с трансформаторной нагрузкой…….88

Приложения…………………………………………………………………...92

Дата добавления: 2015-09-03