Усилитель мощности с графоаналитическим расчетом выходного каскада

КП вар 10 (На здачу).doc

Усилителем мощности (УМ) называют усилитель который обеспечивает
заданную мощность в нагрузке сопротивление которой как правило мало.
Обычно в таких усилителях амплитуды выходного тока и напряжения близки к
предельно допустимым значениям для используемого транзистора а выходная
мощность соизмерима с предельно допустимой мощностью рассеиваемой
прибором и сравнима с мощностью потребляемой от источника питания.
Важнейшими показателями характеризующими УМ являются: КПД
мощность отдаваемая в нагрузку коэффициент нелинейных искажений выходного
В УМ для согласования большого выходного сопротивления с низкоомным
сопротивлением нагрузки необходимо применение трансформатора с малыми
потерями. Однако с появлением мощных транзисторов с низкоомным выходным
сопротивлением стало возможным построение схем работающих на нагрузку
величиной нескольких Ом без использования трансформаторов. В настоящее
время бестрансформаторные усилители мощности получили широкое
Усилитель мощности обычно состоит из нескольких каскадов: входного
предоконечного и оконечного. Технические параметры усилителя во многом
определяются оконечным каскадом так как он является основным потребителем
энергии источника питания. Оконечный каскад обычно реализуют по двухтактной
схеме при этом для сильных управляющих сигналов имеет место режим В а для
слабых– режим А что позволяет уменьшить нелинейные искажения слабых
сигналов. Выходной каскад служит для усиления мощности и его коэффициент
усиления по напряжению близок к 1. входной и предоконечный каскады работают
в режиме большого усиления по току или напряжению.
Существует множество различных схем бестрансформаторных усилителей
мощности но все они имеют вышеперечисленные составные части. Конструкция
схемы входного каскада зависит от требуемого усиления и коэффициента
нелинейных искажений. При большой требуемой выходной мощности транзисторы
оконечного каскада заменяются на составные. Предоконечный каскад обычно
остаётся неизменным.
Электрическая схема УМ и его принцип действия.
Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема усилителя мощности.
Принцип действия усилителя мощности.
Усилитель мощности состоит из предусилителя на операционном усилителе
(ОУ) выходной каскад (ВК) на транзисторах VT1 и VT2 питание
осуществляется от источника переменного тока через блок питания.
Принцип действия ВК. Выходной каскад усилителя выполнен по двухтактной
схеме что существенно уменьшает нелинейные искажения выходного сигнала
также выходной каскад работает в режиме В что повышает его КПД.
Транзисторы каскада комплиментарные то есть имеющие разную
полупроводниковую структуру (p-n-p и n-p-n) но c одинаковыми параметрами.
Поэтому при воздействии на эмиттерные переходы одного и того же напряжения
один из транзисторов открывается а другой закрывается. В результате
симметричные плечи двухтактной системы каскада работают поочерёдно с
полупериодным сдвигом на общее приёмное устройство. Транзисторы выходного
каскада включены по схеме общий коллектор (ОК) это позволяет получить
повышенное входное сопротивление обеспечить согласование выходного каскада
с мощным предусилителем низкое выходное сопротивление что обеспечивает
согласование с низкоомных приёмников.
Принцип действия предусилителя. Предусилитель выполнен на базе
интегрального операционного усилителя DA. Оба каскада усилителя охвачены
глубокой отрицательной обратной связью (ООС) выполненной с помощью R2 и
R3. Напряжение Uос пропорциональное выходному напряжению нагрузки - Uн
подается на инвертирующий вход ОУ . Общая отрицательная связь (ОС)
устраняет искажения выходного сигнала вносимые нелинейностью входных ВАХ
ООС уменьшает коэффициент усиления усилителя мощности в результате
расширяется линейная область передаточной характеристики. ООС стабилизирует
коэффициент усиления делая его температурно-независимым. ООС делает более
стабильным режим работы и устраняет технические погрешности изготовления.
ООС приближает свойства ОУ к управляемому источнику ЭДС с внутренним
сопротивлением стремящимся к нулю то есть выходное напряжение не будет
зависеть от сопротивления нагрузки.
Принцип действия блока питания.
Блок питания состоит из силового трансформатора выпрямителя
выполненного по мостовой схеме сглаживающего фильтра и стабилизатора. Он
осуществляет питание выходного каскада усилителя мощности (-I).
Трансформатор изменяет амплитуду входного напряжения выпрямитель
выпрямляет переменный сигнал. Выпрямление осуществляется по мостовой схеме.
Одна пара диодов выпрямляет один полупериод другая – второй. В результате
на выходе выпрямителя получается пульсирующее напряжение. Дальнейшее
выпрямление осуществляется с помощью сглаживающего фильтра.
Уменьшение пульсации LC-фильтром объясняется шунтирующим действием
конденсатора для переменной составляющей и значительным понижением
составляющей на индуктивности в результате чего переменная составляющая в
выпрямленном напряжении резко уменьшается. Уменьшения постоянной
составляющей практически не происходит из-за малого значения активного
сопротивления индуктивности.
Рассматриваемый нами стабилизатор является последовательным
компенсационным стабилизатором он имеет регулировочные элементы
выполненные на транзисторах VT3 и VT4. Усилитель постоянного тока выполнен
на основе транзисторов VT5 и VT6. Источник опорного напряжения выполнен на
базе стабилитронов VD1 и VD2. Принцип действия стабилизатора основан на
изменении напряжения регулирующего элемента.
Расчёт выходного каскада (ВК).
1.Рассчитываются амплитудные максимальные значения тока и
напряжения транзисторов и приёмного устройства:
где: [pic][pic] - максимальные значения амплитуд тока выходного и
приемного устройства соответственно;
[pic][pic]- максимальные значения амплитуд напряжений выходного и
приемного устройства соответственно.
2.Выбираются комплементарные транзисторы с учётом следующих условий:
где: [pic] [pic]— максимально допустимые значения тока
коллектора напряжения коллектор-эмиттер транзистора;
Pк.доп. - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность
коллектора при температуре корпуса [p
Выбираем транзисторы КТ816Б и КТ817Б параметры которых приведены в
f1 МГц 1 Частота единичного усиления
[pic]UП В 20 Напряжение источника питания
IП мА 4 Потребляемый ток
[pic]U2m.max В 18 Максимальная амплитуда выходного напряжения
Uсм мВ 5 Напряжение смещения
I1 нА 20 Входной ток
(I1 нА 3 Разность входных токов
RD вх МОм 1 Входное сопротивление
RD вых Ом 25 Выходное сопротивление
Uсм(Т мкВград 60 Температурный дрейф напряжения смещения
VU Вмкс 25 Скорость нарастания выходного напряжения
Kсф дБ 80 Коэффициент ослабления синфазного сигнала
Uсф.max В 23 Максимально допустимое напряжение синфазного
R2н.min кОм 02 Минимально допустимое сопротивление нагрузки
2. Рассчитываются параметры резисторов ОУ и проводится их выбор.
Сопротивление резистора R2 принимается равным:
Сопротивление резистора R3 рассчитывается по формуле:
где [pic]— необходимый коэффициент усиления напряжения.
Сопротивление резистора R1 рассчитывается по формуле:
Мощность энергии выделяемой в каждом резисторе:
Максимальная мощность будет выделяться в резисторах при минимальных
значениях сопротивлений:
Выбираем резисторы исходя из условий:
где: [pic][pic] - номинальные сопротивление и мощность рассеивания
[pic][pic] - расчетные значения сопротивления и мощности.
Запишем выбранные резисторы:
R1—P1-12-0.125-18 кОм [pic]5 %
R2—P1-12-0.125-3 кОм [pic]5 %
R3—P1-12-0.125-24 кОм [pic]5 %.
Расшифруем запись типа резистора:
Р - резистор постоянный;
- регистрационный номер конкретного типа резистора;
25 - номинальная мощность в ваттах;
; 18; 24 кОм - номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы
% - допустимое отклонение сопротивления резистора от номинального в
3. Рассчитываются параметры элементов УМ обеспечивающих пропускание
заданной полосы частот усиливаемого сигнала.
Ёмкость разделительного конденсатора С1 рассчитывается из условия
допустимого частотного искажения на частоте fн:
Максимальное мгновенное напряжение на конденсаторе определяется
максимальным амплитудным входным напряжением.
Тип конденсатора выбирается из условий:
Выбираем конденсатор K53-31-6.3 B-10 мкФ[pic]20%.
Конденсатор предназначен для работы в цепях постоянного переменного и
Расшифруем запись типа конденсатора:
К - конденсатор постоянной емкости;
- оксидно-полупроводниковый;
- порядковый номер разработки;
В - номинальное напряжение в вольтах;
мкФ - номинальная емкость;
[pic]20% - допустимое отклонение емкости в процентах.
Частотное искажение на верхней граничной частоте fв полосы пропускания
будет оставаться в допустимых пределах если
где: fв.оу – верхняя граничная частота полосы пропускания ОУ.
Для ОУ с отрицательной обратной связью верхняя граничная частота при
которой его коэффициент частотных искажений снижается до[pic] определяется
где: Ku.ос– коэффициент усиления по напряжению ОУ с отрицательной ОС;
[pic]частота единичного усиления ОУ.
значит частотное искажение находится в допустимых пределах.
Параметры выбранных элементов УМ обеспечивают заданную полосу пропускания
Расчет основных параметров УМ.
Входное сопротивление УМ равно практически сопротивлению резистора [pic]
т.к. входное сопротивление ОУ очень большое:
где: [pic] максимальное входное напряжение.
Мощность входного сигнала:
Выходное сопротивление УМ согласно методу «Эквивалентного генератора»
где: Rвых.оу.ос – выходное сопротивление ОУ с ОС.
где: Ku.оу – коэффициент усиления по напряжению ОУ без ОС;
Rвых.оу – выходное сопротивление ОУ без ОС;
Kос – коэффициент обратной связи.
Коэффициенты усиления тока напряжения мощности:
Коэффициент полезного действия:
[pic] максимальная потребляемая мощность ВК.
Расчет стабилизированного БП
1. Расчет основных параметров выпрямителя.
Минимальное значение выходного напряжения выпрямителя:
где: [pic] - минимальное напряжение на транзисторе VT3 принимаемое с
Предварительно задаются напряжением [pic].
Принимаем среднее значение из промежутка: [pic]
[pic] - падение напряжения на реакторе фильтра.
Выбираем [pic] при заданной мощности в нагрузке [pic].
Номинальное значение выходного напряжения [pic] выпрямителя с достаточной
для практических целей точностью можно принять:
Максимальное значение выходного напряжения [pic]выпрямителя будет в режиме
холостого хода и максимальном напряжении питающей сети. Поэтому
максимальное изменение выходного напряжения выпрямителя будет равно:
2.Расчет основных параметров трансформатора:
При работе выпрямителя в режиме непрерывного тока номинальное напряжение
вторичной полу-обмотки трансформатора равно:
Коэффициент трансформации трансформатора:
[pic]вторичные обмотки соединенные последовательно и согласно.
Действующее значение тока вторичной обмотки при активно-индуктивной
где: [pic] - среднее значение тока потребляемого нагрузкой БП.
Действующее значение тока первичной обмотки:
Номинальные мощности обмоток и типовая (габаритная) мощность
3.Расчёт параметров диодов выпрямителя и их выбор:
Среднее значение тока диода:
Максимальное обратное напряжение на диодах:
Выбор диода проводится по справочно-информационной литературе с учётом
следующих неравенств:
Исходя из условий выбираем диод КД280В:
Таблица 3. Параметры диода КД280В.
[pic] [pic] [pic] [pic]
4. Расчёт основных параметров сглаживающего фильтра.
Коэффициент сглаживания фильтра:
где: [pic] [pic]- коэффициент пульсаций напряжения на входе и на выходе
Произведение индуктивности реактора на емкость конденсатора фильтра:
[pic] - частота основной гармоники напряжения [pic].
Ёмкость конденсатора фильтра:
где: [pic] номинальное выходное напряжение фильтра.
По справочно-информационной литературе выбираем тип конденсатора с учётом
где: [pic] максимальное напряжение на выходе фильтра в режиме холостого
где: [pic] допустимая амплитуда переменной составляющей напряжения на
[pic] максимальная амплитуда переменной составляющей напряжения
Выбираем конденсатор:
К50-32-100В-1000мкФ-В[pic]20%
0 В - номинальное напряжение в вольтах;
00 мкФ - номинальная емкость;
Индуктивность реактора фильтра:
Проверка индуктивности реактора фильтра на минимально допустимое значение
из условия обеспечения индуктивной реакции фильтра на выпрямитель при
которой внешняя характеристика блока питания будет жесткой а ток
Проверка параметров фильтра на отсутствие резонанса:
Условие выполняется резонанс отсутствует.
Расчет стабилизатора.
1. Расчет параметров регулирующего транзистора VT3 и его выбор.
Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3 будет при
максимальном напряжении питающей сети в режиме холостого хода.
где:[pic] максимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3.
Максимальный средний ток коллектора транзистора:
Максимальная мощность рассеиваемая в транзисторе будет при [pic] и
максимальном токе [pic]. При этом выходное напряжение выпрямителя равно:
где:[pic] - падение напряжения на диоде выпрямителя для кремниевого диода
[pic] принимаем среднее значение [pic]
[pic] - снижение напряжения [pic] вызванное падением напряжения на
[pic]падение напряжения на вторичной обмотке трансформатора при
максимальном напряжении сети [pic].
Зависимость падения напряжения в процентах [pic] на обмотках маломощных
трансформаторов от мощности приведена на рисунке 4.
Из графика определяем:
Таким образом максимальная мощность выделяемая в транзисторе VT3 равна:
По справочно-информационной литературе выбираем тип транзистора с возможно
большим коэффициентом [pic] с учетом следующих неравенств:
Таблица 4. Основные параметры комплементарных транзисторов КТ712А –
Тип [pic] [pic][pic][pic][pic][pic][pic]
VT мА МГц В А Вт (С
КТ712А 1000 3 3 200 10 50 150
КТ713А 1000 3 3 200 10 50 150
[pic] максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-
[pic]максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность
[pic]максимально допустимая температура структуры.
2 Расчет параметров стабилитрона и балластного резистора
Номинальное напряжение стабилитрона:
где:[pic]напряжение на эмитттерном переходе транзистора которое
определяется по входной ВАХ.
Рис. 5. Входная ВАХ транзисторов КТ712А – КТ713А.
По справочной литературе выбираем тип стабилитрона с возможно меньшим
динамическим сопротивлением и с соблюдением следующих условий:
[pic]условие первое выполняется.
Выбираем стабилитрон Д816А. Стабилитрон кремниевый планарный средней
мощности. Предназначен для стабилизации номинального напряжения в диапазоне
от 19.6В до 24.2В. выпускается в металлическом корпусе с гибкими выводами.
Таблица 5. Параметры стабилитрона Д816А.
Стабилитрон [pic] [pic] [pic] [pic]
[pic]максимальный и минимальный ток стабилитрона при четком напряжении
Резистор R5 задает уровень тока через стабилитрон. Обычно сопротивление
резистора выбирают таким чтобы рабочее значение минимального тока
стабилитрона равнялось:
где [pic]минимальное напряжение на входе фильтра.
Максимальная мощность выделяемая на резисторе:
[pic]максимальное напряжение на выходе фильтра.
Принимаем номинальное сопротивление резистора из условия:
[pic]условие выполняется.
Выбираем резистор R5–С2-20-2-91 Ом[pic]
С2-20 – резистор с металлодиэлектрическим и металлооксидным слоем
предпазначен для работы в высокочастотных электрических цепях постоянного
переменного и импульсного тока.
- номинальная мощность в ваттах;
Ом - номинальное сопротивление и буквенное обозначение единицы
Проверяем стабилитрон на максимальный и минимальный токи и максимальную
Условия выполняются.
3 Расчёт динамических параметров и коэффициента полезного действия
Коэффициент стабилизации:
где [pic]номинальное напряжение на выходе фильтра.
Неравенство выполняется.
Выходное сопротивление стабилизатора:
Коэффициент полезного действия стабилизатора:
В ходе курсовой работы была рассмотрена электрическая схема усилителя
мощности изучен ее принцип действия.
Произвели расчет выходного каскада в частности произвели выбор
комплементарных транзисторов рассчитали площадь охладителя исследовали
статический и динамический режимы работы выходного каскада рассчитали
напряжение источника питания и основных параметров каскада.
Выбрали предусилитель по необходимым условиям подобрали резисторы и
конденсаторы рассчитали основные параметры усилителя мощности.
Рассчитали стабилизированный блок питания а именно:
рассчитали основные параметры выпрямителя подобрали подходящие диоды;
рассчитали основные параметры сглаживающего фильтра; рассчитали
Приложение А (справочное). Библиографический список
Горбачёв Г.Н. Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.:
Энергоатомиздат 1988.
Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа 1982.
Основы промышленной электроники Под ред. В.Г. Герасимова – М.:
Криштафович А.К. Трофинююк В.В. Основы промышленной электроники – М.:
Гусев В.Г. Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа 1991.
Справочник. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой
мощности Под ред. А.В. Голоме6дова. – М.: Радио и связь 1989.
Алексеев А.Г. Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение.
– М.: Радио и связь 1989.
Резисторы. Справочник Под ред. И.И. Четверткова. – М.: Энергия
В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 109 Сост. И.Н. Алексеева – М.:
Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник
Под ред. Г. С. Кучинского. – М.: Энергоатомиздат 1987.
СТП ВятГТУ 101-2000. Общие требования к оформлению текстовых
Рис.4. Зависимость [pic] для маломощных трансформаторов

Графоаналитический метод.cdw

Электрическая схема усилителя мощности
Графический анализ и расчет ВК (режим В)

Титульник.doc

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Электротехнический факультет
Кафедра электрических машин и аппаратов
Пояснительная записка
Курсовая работа по дисциплине
«Физические основы электроники»

Содержание.doc

Электрическая схема УМ и его принцип действия
Расчет выходного каскада УМ
Расчет амплитудных максимальных значений тока и напряжения транзисторов
и приёмного устройства
2. Выбор транзисторов с учетом условий
3. Расчет площади поверхности теплоотдачи их охладителей
4. Графоаналитический расчет
5. Расчет напряжения источника питания
6. Расчет КПД каскада
7. Расчет входного сопротивления
8. Расчет максимальных значений входного напряжения и тока
9. Расчет коэффициентов усиления напряжения тока мощности
Расчет предусилителя
1. Выбор предусилителя по справочно-информационной литературе с учетом
2. Расчет параметров резисторов операционного усилителя и проведение их
выбора с учетом условий
3. Расчет параметров элементов УМ обеспечивающих пропускание заданной
полосы частот усиливаемого сигнала и выбор с учетом условий
Расчет основных параметров УМ
Расчет стабилизированного блока питания (БП
1. Расчет основных параметров выпрямителя
2. Расчет основных параметров трансформатора
3. Расчет параметров диодов выпрямителя и их выбор
4. Расчет основных параметров сглаживающего фильтра
Расчет стабилизатора
1. Расчет параметров регулирующего транзистора VT3 и его выбор
2. Расчет параметров стабилитрона и балластного резистора
3. Расчет динамических параметров и коэффициента полезного действия
Приложение А. Библиографический список

Спецификация.doc

№ ФорПозОбозначение Наименование КолПрим.
Вновь разработанная
А4 Пояснительная записка 31
А1 Графоаналитический
каскада и электрическая
Разработ.Попов А.М. Усилитель мощности