2 Разработка электронной схемы электронного усилителя

Рисунок 6 – Принципиальная схема однотактного усилителя мощности на транзисторе.

Принципиальная схема однотактного усилителя мощности при включении транзистора с ОЭ изображена на рисунке 6. Коллекторной нагрузкой транзистора служит первичная обмотка трансформатора. Поскольку сопротивлением нагрузки постоянной составляющей коллекторного тока служит активное сопротивление первичной обмотки трансформатора, которое мало, то напряжение на коллекторе почти равно напряжению источника питания.

Сопротивление нагрузки переменной составляющей коллекторного тока, обусловленной полезным входным сигналом, является в общем случае комплексной величиной.

Резкое различие сопротивления нагрузки транзистора для постоянной и переменной составляющих тока выходной цепи обусловливает необходимость построения динамической характеристики по переменному току, которая как и для резисторного каскада в режиме постоянного тока строится на семействе коллекторных характеристик транзистора.

Этот каскад самый распространенный, у него очень хорошие коэффициенты.

3 Расчёт схемы электронного усилителя

Конструируемый усилитель (рисунок 6) в диапазоне частот 10-15 кГц должен обеспечивать в нагрузке с сопротивлением 5 Ом номинальную мощность 7 Вт. Коэффициент частотных искажений M  1,5 дБ. Напряжение источника питания составляет 12 В. Сопротивление источника входного сигнала 400 Ом. Максимальная температура воздуха Т_{окр. макс} = 50 С.

КПД трансформатора принимаем равным 0,7. Мощность, выделяемую в коллекторной цепи транзистора, определяем по формуле 3.1

(3.1)

Вт.

С учётом того, что падение напряжения на сопротивлении R_э порядка 0,1Е_к = = 1,2 В, а на активном сопротивлении первичной обмотки r₁ – 0,08Е_к = = 0,96 В, для напряжения питания коллектор-эмиттер транзистора получаем

В.

При этом максимальное напряжение, которое должен выдерживать транзистор

; (3.2)

В.

Выбираем среднечастотный транзистор большой мощности ГТ806А, для которого U_{кэ. доп} = 75 В, I_к0  8 мА, _мин = 10, _макс = 100, f_ = 10 МГц, Р_к = 30 Вт.

Рассчитываем ток покоя коллекторной цепи при _к = 0,4

; (3.3)

А.

Определяем мощность, потребляемую от источника питания

; (3.4)

Вт.

Находим ток покоя базы при минимальном значении коэффициента передачи тока базы

; (3.5)

А.

По найденным величинам U_0к, I_0к, I_0б отмечаем исходное положение рабочей точки р, через которую для сопротивления нагрузки переменной составляющей коллекторного тока

; (3.6)

Ом.

проводим нагрузочную линию (рисунок 7).

Р

М

N

Рисунок 7 – Выходная характеристика транзистора

Отмечая значения минимального напряжения на коллекторе U_{к. мин} = = 2,4 В, а также минимальный I_{к. мин} = 0,7 мА и максимальный I_{к. макс} = 4,2 токи коллектора, определяем крайние положения рабочей точки М и N. Уточняем значение мощности, выделяемой в коллекторной цепи

; (3.7)

Вт.

что достаточно с запасом. При этом амплитуду базового (входного) тока, обеспечивающего полученное значение мощности в коллекторной цепи при наихудшем транзисторе данного типа, определяем как

; (3.8)

А.

P’

M’

N’

Рисунок 8 – Входная характеристика транзистора

Перенося точки N, Р и М с выходной характеристики на входную характеристику (рисунок 8, точки N’, P’ и M’), находим значения U_0б = 1,7 В; 2U_бm = = 2,2 – 1 = 1,2 В.

Рассчитываем входное сопротивление усилителя

; (3.9)

4 Ом

Определяем мощность во входной цепи усилителя

; (3.10)

0,09 Вт.

Находим величину коэффициента усиления мощности

; (3.11)

.

Принимая во внимание, что падение напряжения на сопротивлении R_э равно 1,2 В, получаем

; (3.12)

Ом.

Принимаем стандартное значение R_э = 1 Ом.

Сопротивление резисторов R2, R1 определяем из условия

; (3.13)

Ом;

(3.14)

где I_R2 – ток через резистор R2, равный (2…5)I_0б = = 0,762 А.

Тогда

Ом

Принимаем стандартные значения R1 = 8,2 Ом, R2 = 43 Ом.

Определяем наибольшую мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора в режиме покоя

; (3.15)

Вт.

Поскольку Р_р< Р’_{к. доп} = 30 Вт, то дополнительных мер для охлаждения не требуется.

Рассчитываем коэффициент трансформации трансформатора

; (3.16)

.

Так как коэффициент трансформации n ≈ 1, то исключаем из схемы выходной трансформатор.

Активные сопротивления первичной r₁ и вторичной обмоток трансформатора определяем как

, (3.17)

, (3.18)

причём коэффициент с выбираем в пределах 0,7–0,75, что обусловливает уменьшение падения напряжения на первичной обмотке трансформатора и увеличение КПД усилителя.

Ом;

Ом.

Значение М_н  1,5 дБ распределяем между звеньями схемы, вносящими частотные искажения в области нижних частот. Приняв для конденсатора С_э М_нС = 0,5 дБ (М_нС = 1,06) и для трансформатора М_{н. т} = 1 дБ (М_{н. т} = 1,12), рассчитываем необходимые ёмкость конденсатора С_э и индуктивность первичной обмотки L1 трансформатора

, (3.19)

где

; (3.20)

;

; (3.21)

Ом;

; (3.22)

Ом

; (3.23)

Ом;

мкФ.

Принимаем стандартное значение С_э = 2,7 мкФ.