Расчет оконечного каскада усиления, работающего в классе В.

Техническое задание.

1. Исходные данные:

R_н=6 Ом

I_н=3 А

Источник сигнала сопротивления по входам:

R_с1=0,1 кОм

R_с2=0,1 кОм

R_с3=0,1 кОм

Показатели качества усилителя:

КПВ (коэффициент передачи по входам)

1=100

2=10

3=10

Входные сопротивления:

R_вх1=10 кОм

R_вх2=50 кОм

R_вх3=50 кОм

Схема включения транзисторов выходного каскада ОК,ОК.

Индуктивность L_н=0

Наибольшая ЭДС=30 В.

Частотный диапазон входных сигналов от 0 до 10000.

Погрешность реализации коэффициента усиления 0,1.

Время безотказной работы 5000 часов.

Выбираем универсальные низкочастотные мощные транзисторы (биполярные).

Расчет оконечного каскада усиления, работающего в классе В.

2.1. Выбор транзисторов оконечного каскада усиления:

По техническому заданию, значение частоты Гц. Также выбираем двух-полярный источник питания, в котором .

Определяем напряжение источника питания :

, где - максимальное значение напряжения на нагрузке, заданное по техническому заданию; - максимальная величина ЭДС самоиндукции в случае активно-индуктивной нагрузки;

Полученное значение округляется до номинального значения в сторону увеличения, т.е. .

Задаем коэффициент запаса по напряжению

.

.

Получаем условия выбора транзисторов:

Таблица 1: паспортные данные на транзисторы 2Т818Б-КТ819В.

Параметры	Ед. изм	Марки транзисторов и тип их проводимости
КТ818ГМ p-n-p	КТ819ГМ n-p-n	2Т818Б p-n-p	2Т819Б n-p-n	2Т818Г p-n-p	2Т819Г n-p-n
	В
, (при	В
	В
, (при	В
	А
	А
	мА
	мА	-	-	-	-	-	-
	Вт
	-
	-	-	-	-	-	-	-
	^0С/Вт	1,67	1,67	1,67	1,67	1,67	1,67
	^0С/Вт					66,7	66,7
	^0С
	кГц
	см^2	2,83	2,83	2,83	2,83	2,83	2,83
М	г			2,5	2,5	2,5	2,5

Выбираем комплиментарные пары транзисторов КТ818Г(p-n-p)-КT819Г(n-p-n), поскольку энергетическая составляющая транзисторов в этом случае минимальна. Также наиболее приемлемыми являются массово-габаритные показатели по сравнению с остальными транзисторам, которые нам подходят.

2.2. Расчет площади теплоотвода и числа параллельно включаемых транзисторов:

Определяем область допустимых значений числа пар параллельно включаемых транзисторов из соотношения:

;

;

- температурное сопротивление “корпус-среда”.

- температурное сопротивление “переход-корпус”.

- температурное сопротивление “корпус-теплоотвод”, где определяется, как .

- коэффициент загрузки (ослабления режима) по рассеиваемой мощности.

- наибольшая (верхняя) температура окружающей среды, которая по техническому заданию определена, как 60 .

;

Построим график зависимости и , где - площадь, занимаемая N количеством транзисторов, - площадь занимаемая теплоотводом.

, где - коэффициент теплоотдачи, зависящий от конструкции, обработки поверхности и материала теплоотвода.

Таблица 2: Показатели занимаемой площади в зависимости от числа транзисторов

N	QTN ()	Qr()
	11547,17	2,8
	3457,4	5,7
	1226,8	8,5
	372,4	11,3
	352,36
		16,8
	302,7	19,6
	275,4	22,4
	243,9	28,1
	220,9	39,42
	173,2	50,74
	129,8	62,06
	75,6	73,38
	22,6	84,7
	4,7	90,56

Оптимальное число пар параллельных транзисторов , откуда площадь теплоотвода .

Так как большое число параллельно включенных транзисторов уменьшает надежность и увеличивает стоимость разрабатываемого усилителя, то целесообразно принять .

При получаем, что - для плоского радиатора.

Исходя из габаритных показателей, лучше всего взять вместо плоского, ребристый радиатор, площадь основания которого .

Далее возможны два инженерных решения по конструированию радиатора:

- размещение нескольких (в рассматриваемом случае двух) параллельно включаемых транзисторов на одном радиаторе;

- размещение каждого из параллельно включаемых транзисторов на отдельном радиаторе. При этом полученную площадь основания, также как и рассеиваемую мощность следует разделить на число параллельно включаемых транзисторов.

Проведем расчет, когда несколько параллельно включенных транзисторов находятся на одном радиаторе. Исходя из найденной выше площади основания, зададим его размеры и толщину:

; ; ;

Определяем тепловой коэффициент данного радиатора:

.

В качестве материала теплоотвода возьмем алюминий с теплопроводностью .

Радиус окружности транзистора с круглым основанием :

м.

Определяем коэффициенты и :

Исходя из полученных значений и , принимаем

Определяем коэффициент теплоотдачи поверхности радиатора и коэффициент :

.

По вычисленным значениям и , определяем, что .

Определяем величину перегрева радиатора в области монтажа транзистора , средне-поверхностный перегрев радиатора и максимальную температуру теплоотвода :

Из данных по определяем коэффициент

Вычисляем коэффициенты и (для неокрашенного радиатора принимаем , , ):

;

.

Суммарный коэффициент вычисляется по формуле: .

Определяем эффективный коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности радиатора:

.

Далее находим площадь ребристой поверхности радиатора :

.

И определяем число ребер радиатора, приняв и :

.

Находим высоту ребер:

Определим объем теплоотвода:

.

Проведем расчет, когда несколько параллельно включенных транзисторов находятся на разных радиаторах. С площадью основания:

.

При этом выделяемая энергия каждого транзистора:

Зададим размеры и толщину каждого теплоотвода:

; ; ;

Определяем тепловой коэффициент данного радиатора:

.

В качестве материала теплоотвода возьмем алюминий с теплопроводностью .

Радиус окружности транзистора с круглым основанием :

м.

Определяем коэффициенты и :

Исходя из полученных значений и , принимаем

Определяем коэффициент теплоотдачи поверхности радиатора и коэффициент :

По вычисленным значениям и , определяем, что .

Определяем величину перегрева радиатора в области монтажа транзистора , средне-поверхностный перегрев радиатора и максимальную температуру теплоотвода :

Из данных по определяем коэффициент

Вычисляем коэффициенты и (для неокрашенного радиатора принимаем , , ):

;

.

Суммарный коэффициент вычисляется по формуле: .

Определяем эффективный коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности радиатора:

.

Далее находим площадь ребристой поверхности радиатора :

.

И определяем число ребер радиатора, приняв и :

.

Находим высоту ребер:

Определим объем теплоотвода:

.

В данном случае целесообразно применять параллельно включаемые транзисторы на разных теплоотводах, что более технологично.

Рисунок 2 Схема используемых радиаторов.

2.3. Расчет величин сопротивлений уравнительных резисторов:

Принимаем допустимую разницу температур по паспортным данным на транзисторы КТ818Г (КТ819Г) ; ; , где - разброс характеристик транзистора по току силовой цепи.

Рисунок 3: Схема подключения уравнительных резисторов в выходной каскад.

Схема, показанная на рис.2 используется при конечной стыковке всего усилителя в целом и показывает расположение резисторов в выходном каскаде усилителя мощности. Так как при разработке используются комплементарные пары транзисторов, то данная схема будет такой же и у обратных транзисторов (“n-p-n”-переход).

Определяем допустимую величину отношения токов параллельно соединенных транзисторов:

Определяем входное сопротивление транзистора КТ818Г (КТ819Г) из следующих паспортных данных: при и :

.

Так как коэффициент усиления не указан в паспортных данных, то принимаем его . Определяем максимальное значение крутизны переходной характеристики :

Определяем уравнительное сопротивление :

.

Полученное сопротивление определяем по ряду номинальных значений в таблице Е24: 1,4

Исходя из полученного значения, выбираем непроволочный резистор Определяем реальную мощность резистора в схеме :

.

В связи с этим выбираем непроволочный резистор

2.4. Расчет величин термостабилизирующих резисторов выходного каскада:

Принимаем - коэффициент, учитывающий технологический разброс величин обратного тока; - масштабный коэффициент; - нормальная температура перехода (из справочных данных); .

Из паспортных данных на 2КТ818Б (2Т819Б) следует, что . По зависимости отношения токов , можно определить

Для определения величины внешнего резистора необходимо построить графически зависимости и .

Необходимые данные на транзисторы 2Т818Б-2Т819Б, полученные в результате расчетов в пунктах 2.1, 2.2 и 2.3: ; ; ; ; ; ; ; . Также определим эмпирический поправочный коэффициент и объемное сопротивление

Определим температурный потенциал :

Определим зависимости и из следующих формул:

, где - коэффициент передачи тока в схеме с общей базой; и - ток и напряжение источника, где = = 0 при пассивном запирании транзистора. Отсюда, выводя , получаем формулу:

,

где аргумент функции изменяется в следующих пределах: .

;

Аргумент функции:

Формула КПД транзистора: , где нагрузочная мощность и потери мощность в каскаде (здесь - потери мощности в закрытом плече каскада, - потери мощности в открытом плече каскада):

;

, где

- потери во входной цепи.

- потери на эмиттерном сопротивлении.

- потери на открытом транзисторе.

;

Таблица 3: значения и от

, мА.
	9,8	0,5730
	139,5	0,7115
	248,7	0,7131
	423,1	0,7021
	568,2	0,7099
	723,5	0,7051
	823,7	0,7021
	1015,4	0,6998
	1211,2	0,6971
	1370,0	0,6943
	1563,5	0,6912
	1719,3	0,6889
	1859,0	0,6873

Из таблицы №3 видно, что при

Из паспортных данных определяем максимально допустимое значение , которое может быть включено в цепь базы транзистора соответствующего типа:

Поскольку, условие выполняется и выбранное значение сопротивления не превышает максимально допустимое, то берем оптиимальное значение сопротивления, которое может быть включено в цепь базы данного транзистора.

Следовательно, окончательно принимаем .

Дата добавления: 2015-07-21