Расчет предварительных каскадов УНЧ на биполярных транзисторах

le="margin-bottom:0pt;text-indent:35pt;line-height:18pt">Основные задачи при проектировании усилителя мощности:

1) Обеспечение режима  согласования выходного сопротивления  усилителя мощности с нагрузкой;

2) Достижение минимальных  нелинейных искажений сигнала;

3) Получение максимального  КПД.

Классификация усилителей мощности:

1) По способу усиления:

- однотактные;

- двухтактные;

2) По способу согласования:

- трансформаторные;

- безтрансформаторные;

3) По классу усиления:

- класса А;

- класса B;

- класса АB;

- класса C;

- класса D;        и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Расчет выходного  бестрансформаторного каскада

 

Выходные каскады с  бестрансформаторным выходом широко используются в современных транзисторных  усилителях. Появление мощных транзисторов и электролитических конденсаторов  с емкостями в несколько тысяч  микрофарад привело к разработке мощных УНЧ, способных работать без  выходных трансформаторов даже на такую  низкоомную нагрузку, какой являются современные динамические громкоговорители. Включение нагрузки непосредственно  в выходную цепь усилительных элементов  без выходного трансформатора позволяет  устранить вносимые трансформатором  частотные и нелинейные искажения. Появляется возможность охватить усилитель  глубокой отрицательной обратной связью без опасности самовозбуждения, т.е. повысить качество работы усилителя. Бестрансформаторные выходные каскады  экономичны, имеют малые габариты и массу, широкий диапазон частот. Недостатки этих каскадов – небольшие  выходная мощность и коэффициент  усиления по мощности (по сравнению  с трансформаторными каскадами), а также относительно невысокая  термостабильность.

Известно большое количество разнообразных схем бестрансформаторных  выходных каскадов, отличающихся по типу проводимости транзисторов, способам их включения, режиму работы (АВ и В), а также по виду связи выходного  каскада с предыдущим каскадом и  с нагрузкой. Высокие качественные показатели имеют каскады, в которых  используются транзисторы различного типа проводимости (p-n-p и n-p-n) с достаточно близкими значениями параметров (комплементарные пары). Возможно также применение транзисторов одного типа проводимости, однако при этом следует принимать специальные меры для устранения возможной несимметрии плеч каскада.

Исходными данными для  расчета бестрансформаторного каскада  служат: мощность на выходе Р_вых; сопротивление нагрузки R_н; диапазон частот f_н…f_в; допустимые значения коэффициентов частотных искажений М_н и М_в; допустимый коэффициент нелинейных искажений К_r; интервал рабочих температур t_{окр min}…t_{окр max}.

Особенности расчета выходного  бестрансформаторного каскада рассмотрим применительно к схеме, приведенной на рис. 2, предполагая, что параметры соответствующих транзисторов различных плеч одинаковы.

Рис. 2. Схема выходного бестрансформаторного каскада УНЧ

 

Расчет производится в следующем порядке:

1. Определяем величину напряжения источника питания

 

 

 

2. Находим максимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов V3 и V4

 

 

 

3. Выбираем значение тока покоя (тока в рабочей точке) оконечных транзисторов

 

 

При использовании мощных низкочастотных транзисторов коллекторный ток покоя должен быть не менее 5 мА.

 

4. Определяем максимальную мощность, рассеиваемую коллекторным переходом каждого из оконечных транзисторов

 

 

 

5. По полученным значениям Е_К, Р_{К max расч}, I_{К max расч} и заданному значению f_в выбираем тип оконечных транзисторов V3 и V4. При этом необходимо, чтобы максимально допустимые значения соответствующих параметров транзисторов превышали расчетные, т.е.

 

 

 

Обратный ток коллектора I_КБО выбранного транзистора должен быть минимален. Предельная частота усиления транзистора должна превышать верхнюю частоту заданного частотного диапазона не менее, чем в 2 раза

 

 

 

При выборе типа оконечных  транзисторов следует учитывать  снижение предельной мощности, рассеиваемой транзистором при повышении температуры  окружающей среды.

Мы выбрали транзисторы V3 и V4, соответствующие данным параметрам. Это транзисторы большой мощности КТ816Б. Их характеристики:

1) Р_{K max} = 25 Вт;

2) U_{КЭ max} = 45 В;

3) I_{K max} = 3 А;

4) h_21э = 25;

5) I_КБО = 0,1 мА.

Предельная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом транзистора  без теплоотвода, определяется по формуле

 

 

При установке транзистора  на изолирующей прокладке следует  учитывать ухудшения отвода тепла  через радиатор. При этом предельная мощность, рассеиваемая коллекторным переходом транзистора, уменьшается.

 

6. Находим максимальное значение коллекторного тока предоконечных транзисторов

 

где – минимальное значение коллекторного тока оконечных транзисторов; – минимальное значение коэффициента передачи тока оконечных транзисторов.

 

Сопротивление резисторов R₂ = R₃ выбираются в пределах (100…1000) Ом и уточняются при настройке усилителя. Большой разброс величины сопротивлений резисторов R₂ и R₃ объясняется различными значениями параметров и I_КБО у транзисторов разных типов.

Возьмем R₂ = R₃ = 1000 Ом.

 

7. Определяем мощность, рассеиваемую каждым из предоконечных транзисторов

 

 

 

8. По полученным значениям и выбираем предоконечные транзисторы: V₁ типа p-n-p, а V₂ типа n-p-n. При этом необходимо, чтобы максимально допустимые значения параметров выбранных транзисторов превышали расчетные значения этих параметров, т.е.

 

 

 

Обратный ток коллектора предварительных транзисторов I_{КБО пред} должен быть минимален. Предельная частота усиления предоконечных транзисторов должна превышать верхнюю частоту заданного частотного диапазона не менее чем в 5 раз

 

 

В качестве предоконечного транзистора V₁ типа p-n-p выбираем транзистор средней мощности КТ502В. Его параметры:

1) Р_{K max пред} = 350 мВт;

2) I_{K max пред} = 150 мА;

3) U_{КЭ max} = 40 В;

4) I_КБО = 1 мкА.

5) h_21э = 40…120.

В качестве предоконечного транзистора V₂ типа n-p-n выбираем транзистор средней мощности КТ503В. Его параметры:

1) Р_{K max пред} = 350 мВт;

2) I_{K max пред} = 150 мА;

3) U_{КЭ max} = 40 В;

4) I_КБО = 1 мкА.

5) h_21э = 40…120.

9. Находим емкость разделительного конденсатора С₁

 

 

 

Чем больше емкость С₁, тем лучше работает усилитель в области нижних частот диапазона.

Возьмем емкость из стандартного ряда С₁=2000 мкФ.

 

10. Сопротивление резистора R₁ обычно не рассчитываем, а подбираем опытно-экспериментально при настройке каскада (первоначально можно выбрать R₁ ≈ 10 кОм).

 

11. Определяем частотные искажения каскада в области низких и высоких частот

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчет предварительных  каскадов УНЧ на биполярных  транзисторах

 

Для расчета предварительных  каскадов УНЧ должны быть известны следующие исходные данные, полученные в результате эскизного расчета  усилителя и окончательного расчета  последующего (например, выходного) каскада: напряжение питания, подводимое к каскаду (напряжение, приложенное к делителю напряжения в цепи базы последующего каскада) Е_k; диапазон частот усилителя f_н…f_в; амплитуда переменной составляющей тока на входе последующего каскада I_mвх.сл; входное сопротивление последующего каскада R_вх.сл; допустимые значения коэффициентов частотных искажений М_н и М_в; элементы делителя напряжения в цепи базы последующего каскада R_1сл и R_2сл; тип транзистора (найденный в результате предварительного расчета усилителя).

Е_к=26,3 В;

f_н…f_в=30 Гц…3 кГц;

I_{m вх.сл.}= I_{КБО V2}=1 мкА;