Краткие теоретические положения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению контрольной работы

по дисциплине «АВТОМАТИЗАЦИЯ»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ЗАДАЧА №1

Краткие теоретические положения для решения задачи №1

Эта задача относится к расчету параметров и характеристик полупроводниковых триодов – транзисторов.

При включении транзистора с общим эмиттером, управляющим является ток базы , а при включении с общей базой – ток эмиттера .

В схеме с общей базой связь между приращениями тока эмиттера и тока коллектора характеризуется коэффициентом передачи тока :

при , где - напряжение между коллектором и базой. Коэффициент передачи всегда больше единицы. Для современных биполярных транзисторов .

При включении с общей базой ток коллектора .

Коэффициент усиления по току в схеме включения транзистора с общим эмиттером определяется как отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы . Для современных транзисторов имеет значение 20-200, при ,где - напряжение между коллектором и эмиттером.

Ток коллектора при включении с общим эмиттером .

Между коэффициентами и существует следующая связь:

или .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, определяем по формуле: .

Примеры решения задач

Пример 1.Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определить коэффициент усиления по его входной характеристике (см. рис. 30) и выходным характеристикам (см. рис.31), если . Подсчитать также коэффициент передачи по току и мощность на коллекторе.

Решение: По входной характеристике определяем при ток базы: . По выходным характеристикам для и определяем ток коллектора:

На выходных характеристиках строим отрезок АВ, из которого находим: ;

Определяем коэффициент усиления:

Определяем коэффициент передачи по току

Определяем мощность на коллекторе

Пример 2.Для транзистора, включенного по схеме с общим эмит­тером, найти ток базы , ток коллектора и напряжение на кол­лекторе , если напряжение =0,3В; напряжение питания =20В; сопротивление нагрузки в цепи коллектора =0,8кОм. Входная и выходные характеристики транзистора приведены на рисунках32 и 33.

Перед решением этого примера приведем некоторые пояснения. Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно написать уравнение , т. е. сумма напряжений на резисторе и коллекторного напряжения всегда равна - э. д. с. источника питания.

Расчет такой нелинейной цепи, т. е. определение и для различных значений токов базы и сопротивления резистора можно произвести графически. Для этого на семействе выходных ха­рактеристик необходимо провести из точки на оси абсцисс вольтамперную характеристику резистора , удовлетворяющую урав­нению .

Эту характеристику удобно строить по двум точкам: при =0 на оси абсцисс и при =0 на оси ординат.

Построенную таким образом вольтамперную характеристику кол­лекторного резистора называют линией нагрузки. Точки ее пересе­чения с коллекторными выходными характеристиками дают графиче­ское решение уравнения для данного резистора и различных зна­чений тока базы .

Решение: Откладываем на оси абсцисс точку =20 В, а на оси ординат - точку, соответствующую =20/800=0,025 А=25 мА. Здесь =0,8 кОм=800 Ом. Соединяем эти точки прямой и получаем линию нагрузки. Находим на входной характеристике для =0,3 В ток базы =250 мкА

Находим на выходных характеристиках точку А при пересе­чении линии нагрузки с характеристикой, соответствующей =250 мкА

Определяем для точ. А ток коллектора =17мА и напря­жение =7 В

Пример 3. Мощность на коллекторе транзистора =6 Вт, напряжение на коллекторе =30 В напряжение питания =40 В

Используя выходные характеристики рис. 15, определить ток базы , ток коллектора , коэффициент усиления и сопротивление нагрузки .

Решение: Определяем ток коллектора :

Находим на выходных характеристиках точку А, соответствующую и . Из рисунка видно, что точка А лежит на характеристике для

Соединяем прямой точку А и точку на оси абсцисс, соответствующую . На пересечении прямой с осью ординат получим точку

Определяем :

На выходных характеристиках строим отрезок АВ, из которого находим: ;

Определяем коэффициент усиления транзистора:

ЗАДАЧА №1

Задача 1 (варианты 1-10; 50-60). Для транзистора включенного по схеме с общим эмиттером, используя входную и выходную характеристики, определить коэффициент усиления , величину сопротивлений нагрузки и и мощность на коллекторе и , если известно напряжение на базе , напряжение на коллекторе и и напряжение источника питания . Данные для своего варианта взять из таблицы 1.

Таблица 1

Номера вариантов	Номера рисунков
	14.15	0,3
	16.17	0,2
	18,19	0,15
	20, 21	0,2
	22,23	0,1
	24,25	0,25
	26,27	0,3
	28,29	0,3
	30,31	0,25
	32,33	0,2
	14.15	0,4
	16.17	0,42
	18,19	0,43
	20, 21	0,45
	22,23	0,47
	24,25	0.49
	26,27	0,16
	28,29	0,22
	30,31	0,23
	32,33	0,26
	18,19	0,35

Задача 1 (варианты 11-20; 61-70; 41-45).Для транзистора включенного по схеме с общим эмиттером, заданы напряжение на базе , сопротивление нагрузки и напряжение источника питания . Используя входную и выходную характеристики, определить напряжение на коллекторе , ток коллектора , коэффициент усиления и мощность на коллекторе . Определить также коэффициент передачи тока . Данные для своего варианта взять из таблицы 2.

Таблица 2

Номера вариантов	Номера рисунков
	14.15	0,3	0,1
	16.17	0,2	0,1
	18,19	0,25	0,05
	20, 21	0,25	0,02
	22,23	0,2	0,4
	24,25	0,2
	26,27	0,4	0,1
	28,29	0,4
	30,31	0,3	0,8
	32,33	0,25	1,0
	14.15	0,42	0.01
	16.17	0,43	0,02
	18,19	0,45	0,03
	20, 21	0,47	0,04
	22,23	0.49	0,05
	24,25	0,16	0,06
	26,27	0,22
	28,29	0,23	0.2
	30,31	0,26	0,3
	32,33	0,35	0,4
	14.15	0,42	0,04
	16.17	0,43	0,6
	18,19	0,45	0,7
	20, 21	0,47	0,8

Задача 1 (варианты 21-30; 71-80). В цепь транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, включено сопротивление нагрузки, которое изменяется по величине от до . Используя выходные характеристики, определить напряжение и , коэффициент усиления , мощность на коллекторе и , если заданы ток базы и напряжение источника питания . Данные для своего варианта взять из таблицы 3.

Таблица 3

Номера вариантов	Номера рисунков
			0,05	0,1
			0,1	0,2
			0,05	0,1
			0,05	0,1
		0,6	0,4	1,0
		0,5	0,2	0,4
				0,05
				0,06
				0,07
		0,6	0,1
				0,1
		0,5	0,8	0,3
			1,0	0,4
			0.01	0,5
			0,02	0,6

Задача1 (варианты 31-40; 81-85; 46-49). Для транзистора включенного по схеме с общим эмиттером, используя входную и выходную характеристики, определить коэффициент усиления , значение напряжения на коллекторе и , мощность на коллекторе и , если дано напряжение на базе , значение сопротивления нагрузки и и напряжение источника питания . Данные для своего варианта взять из таблицы 4.

Таблица 4

Номера вариантов	Номера рисунков
	14.15	0,4	0,05	0,1
	16.17	0,1	0,1	0,2
	18,19	0,15	0,1	0,2
	20, 21	0,1	0,025	0,05
	22,23	0,15	0,5
	24,25	0,25
	26,27	0,3	0,1	0,2
	28,29	0,3
	30,31	0,25
	32,33	0,2
	14.15	0,42		0,05
	16.17	0,43	0,1	0,06
	18,19	0,45		0,07
	20, 21	0,47	0,8
	22,23	0.49	1,0	0,1
	24,25	0,16	0.01	0,3
	26,27	0,22	0,02	0,4
	28,29	0,23	0,03	0,5
	30,31	0,26	0,04	0,6

Рис. 14 Рис.15 Рис. 16 Рис.17

Рис. 18 Рис. 19 Рис. 20 Рис.21

Рис. 22 Рис. 23 Рис. 24 Рис.25

Рис. 26 Рис. 27 Рис. 28 Рис.29

Рис. 30 Рис. 31 Рис.32 Рис.33

ЗАДАЧА №2

Краткие теоретические положения

В настоящее время усилители получили очень широкое распространение практически во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности, технике, в медицине, музыке, на транспорте и во многих других. Усилители являются необходимым элементом любых систем связи, радиовещания, акустики, автоматики, измерений и управления.

Электронными усилителями называют устройства, предназначенные для повышения мощности входных электрических сигналов. При этом процесс усиления сигналов осуществляется с помощью усилительных элементов транзисторов, обладающих управляющими свойствами.

Маломощный входной сигнал управляет расходом энергии источника питания значительно большего уровня мощности.

По назначению различают усилители напряжения, тока и мощности.

Усилители мощности обеспечивают заданное усиление в выходной цепи как по току, так и по напряжению.

Во многих областях науки и техники необходимы устройства для усиления электрических сигналов. В таких устройствах с помощью специальных приборов- усилительных элементов (биполярных и полевых транзисторов, электронных ламп и других элементов) электрическая энергия от источника питания преобразуется в энергию усиливаемого сигнала.

Усилители классифицируются по различным признакам: ха­рактеру усиливаемого сигнала, полосе усиливаемых частот, ти­пу усиливаемых частот, типу используемых активных элемен­тов, структурной схеме самого усилителя.

По характеру усиливаемого сигнала их подразделяют на усилители гармонических сигналов и усилители импульсных сигналов.

Усилители первого типа характеризуются работой усили­тельных элементов в линейном режиме, большой длительностью нестационарных процессов в цепях усилителя. Основное требо­вание к усилителям этого типа — высокий коэффициент усиле­ния при минимальных искажениях формы входного сигнала.

В усилителях импульсных сигналов усилительные элемен­ты работают в нелинейном режиме, нестационарные процессы в цепях усилителя должны протекать так быстро, чтобы не ис­кажалась форма усиливаемого импульса.

Основное требование к усилителям такого типа - внесение минимальной задержки усиливаемого сигнала при сохранении его формы (или формировании новой — заданной) с максималь­ным коэффициентом полезного действия усилителя.

Во многом характеристики усилительных устройств зависят от типа активного элемента, используемого в усилителе.

Различают две структурные схемы построения усилительных устройств: усилители прямого усиления и усилители с пре­образованием входного сигнала.

Первые, как правило, проще, вторые — сложнее, но необхо­димы в тех случаях, когда один или несколько параметров уси­лителей прямого усиления не удовлетворяют поставленным приз проектировании требованиям.

Усилители мощности являются обычно выходными каскада­ми многокаскадных усилителей. Их основная задача — обеспе­чить получение заданной мощности сигнала на заданном сопро­тивлении нагрузки. В ряде случаев необходимая мощность в на­грузке весьма значительна и поэтому энергетическим показате­лем работы каскада необходимо уделять серьезное внимание. К таким характеристикам в первую очередь относятся: коэффи­циент полезного действия каскада, максимальная рассеиваемая мощность в активных элементах каскада, максимально реали­зуемое соотношение между мощностью, отдаваемой в нагрузку и рассеиваемой в активном элементе. Существенной особенно­стью каскадов мощного усиления является полное использова­ние характеристик усилительного элемента из-за большой амп­литуды входного сигнала, вследствие чего параметры усилитель­ного элемента за период сигнала изменяются в широких преде­лах. Поэтому коэффициент усиления получается значительно ниже, чем у каскадов предварительного усиления на том же ак­тивном элементе.

Расчет основных характеристик каскада приходится прово­дить графическим путем, так как при аналитическом расчете этих величин с использованием малосигнальных параметров усилительного элемента получаются существенные ошибки.

Каскады усиления мощности отличаются большим разнооб­разием. Они выполняются на биполярных и полевых транзи­сторах. Используются в зависимости от конкретных условий практически все схемы включения активных элементов и раз­личные способы связи каскадов с нагрузкой. В настоящее время самыми распространенными являются усилители мощности на биполярных транзисторах с трансформаторной и непосредст­венной связью с нагрузкой.

Использование трансформаторов в усилительных каскадах имеет недостатки:

резко увеличиваются габариты и стоимость каскада, от­падает возможность в интегральном исполнении каскада в це­лом;

2) резко ухудшаются частотные свойства каскада как в низ­кочастотной, так и высокочастотной частях спектра усиливае­мого сигнала;

3) увеличиваются нелинейные искажения.

Но до сих пор усилители мощности с трансформаторной связью с нагрузкой применяются довольно часто. Действитель­но, без трансформатора невозможно создать усилитель мощно­сти, если требуется развить на нагрузке напряжение во много» раз большее, чем выдерживают имеющиеся активные элементы.

В настоящее время основными активными элементами усили­тельных устройств являются биполярные и полевые транзисто­ры, которые обладают весьма высокими надежностными харак­теристиками, обеспечивают весьма высокие коэффициенты уси­ления по мощности в широком частотном диапазоне, легко вы­полняются в интегральном исполнении.

Транзисторы

Наиболее распространенными в настоящее время являются биполярные транзисторы. Для определенности при изучении транзисторов и схем с их использованием следует всегда иметь в виду транзистор n-p-n типа. Схемы на транзисторах р-n-р-типа будут точно такими же, только полярность источников питания изменится на обратную. Соответственно изменятся на противоположные и направления всех протекающих через транзистор токов.

В структуре биполярного транзистора имеются два р-n-перехода: эмиттерный -между эмиттером и базой и коллекторный - между коллектором и базой. Следует с самого начала запомнить правило: в обычном усилительном режиме на эмиттерный р-n -переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Следовательно, в этом режиме у транзистора n-p-n-типа потенциал базы должен быть более положительным, чем потенциал эмиттера (на десятые доли вольта), а потенциал коллектора - более положительным, чем потенциал базы (на несколько вольт).

Возможны три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (0Б). Это следует понимать следующим образом. Входная цепь, откуда подается входное усиливаемое напряжение, имеет два провода; так же два провода имеет и выходная цепь, Но у транзистора только три ввода, следовательно, один из них должен быть общим для входной и выходной цепей. Обычно этот общий провод заземляют. Из указанных трех схем включения наиболее распространена схема ОЭ, поскольку она усиливает сигнал как по току, так и по напряжению. Следовательно, мощность сигнала возрастает сильнее всего. Схема ОК усиливает только ток и называется эмиттерным повторителем, поскольку коэффициент усиления по напряжению у нее близок к единице (немного меньше единицы). Схема ОБ усиливает только напряжение и используется реже.

По этим причинам именно схему ОЭ нужно понять лучше всего. Следует разобраться в том, почему такая схема дает усиление и тока, и напряжения входного сигнала.

Представим себе структуру транзистора типа n-р-n, включенного по схеме ОЭ (рис. а). Условное обозначение такого транзистора приведено на рис.б. Для удобства отсчета потенциалов эмиттер транзистора заземлим. Входным электродом транзистора является база р-типа, выходным - коллектор n-типа, Между базой и эмиттером подается небольшое положительное напряжение Uбэ, а между коллектором и эмиттером напряжение Uкэ также положительное и большее, чем Uбэ (несколько вольт). Тогда на переходах транзистора получаются напряжения, соответствующие его работе в усилительном режиме.

При подаче указанных напряжений в структуре транзистора происходят следующие явления. Поскольку на эмиттерный р-n-переход подано прямое напряжение, возникает инжекция, т.е. введение электронов из эмиттера в базу.

Одновременно инжектируют и дырки из базы в эмиттер, но этим явлением можно пренебречь, так как база имеет меньшую концентрацию примесей по сравнению с эмиттером, а следовательно, и меньшую концентрацию носителей заряда.

Небольшая часть инжектированных электронов (1-3 %) рекомбинирует с дырками базы. За счет этого по проводу, соединенному с базой, будет протекать небольшой ток базы Iб. Остальная часть электронов проникает далее в коллектор. Этому способствует положительный заряд коллектора, а также то, что базу намеренно выполняют очень тонкой (порядка 1 мкм).

Из такого рассмотрения легко понять механизм усиления схемы ОЭ по току и напряжению. Действительно, пусть за счет входного переменного сигнала напряжение Uбэ изменяется. Это приведет к значительным колебаниям инжектированного эмиттером тока. Наиболее значительная часть этого тока будет протекать в коллектор, а на долю базы опять будет приходиться только небольшая часть тока. Это означает, что хотя входной ток базы небольшой, однако он вызывает значительные колебания тока на выходе. Если же в коллекторную цепь включить резистор с достаточно большим сопротивлением, то в соответствии с законом Ома колебания тока вызовут увеличение амплитуды колебания напряжения, т.е, произойдет усиление сигнала и по току, и по напряжению.

Поскольку полярность напряжений, подаваемых на базу и коллектор, положительная, обе цепи можно питать от одного источника, на базу напряжение подают с помощью делителя, так как оно должно быть небольшим.

Студентам иногда бывает трудно понять смысл h-параметров транзисторов. Это дифференциальные параметры, справедливые для малых уровней сигнала на фоне исходных напряжений и токов в состоянии покоя. Полностью описать поведение транзистора можно четырьмя величинами: входными и выходными напряжениями и токами. Для схемы ОЭ - это напряжения на базе Uбэ и коллекторе Uкэ относительно эмиттера, а также токи базы Iб и коллектора Iк. Из четырех величин две являются независимыми, а две другие – функциями. Все величины связаны между собой двумя уравнениями, которые в общем случае являются нелинейными.. Однако при оперировании приращениями указанных величин эти уравнения становятся линейными, поскольку на малом участке вольт-амперной характеристики можно заменить отрезками прямых.

Из всех параметров особенно следует отметить коэффициент усиления транзистора по току в схеме ОЭ в = h_21Э. Все h-параметры могут быть найдены графически по входным и выходным характеристикам транзистора.

Расчет каскада транзисторною усилителя напряжения низкой частоты с реостатно-емкостной связью

Последовательность расчета приводится для транзистора, вклю­ченного по схеме ОЭ (общий эмиттер). На рис.38 дана схема кас­када усилителя.

Рис.38

Исходные данные: 1) напряжение на выходе каскада Uвых.м (напряжение на нагрузке), 2) сопротивление нагрузки Rн; 3) нижняя граничная частота fн;4) допустимое значение коэффициента частотных искажений каскда в области нижних частот Мн, 5) напряжение источника питании Еп.

Примечание. Считать, что каскад работает в стационарных усло­виях (Тмин = +15°С; Т'мах = +25°С). При расчете влиянием температуры на режим транзистора пренебрегаем.

Определить: 1) тип транзистора; 2) режим работы транзи­стора; 3) сопротивление коллекторной нагрузки Rк, 4) сопротивле­ние в цепи эмиттера Rэ; 5) сопротивления делителя напряжения R1; R2, стабилизирующие режим работы транзистора; 6) емкость раз­делительного конденсатора Ср; 7) емкость конденсатора в цепи эмиттера Сэ; 8) коэффициент усиления каскада по напряжению Кu.

Порядок расчета

1.Выбираем тип транзистора, руковод­ствуясь. следующими соображениями:

а) Uкэ.доп > (1,1-1,3)Еп, Uкэ.доп -наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, приводится в справочниках;

б) I к.доп>2 I н.м=2U вых.м / R н, I н.м. - наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки;

где Iк.доп - наибольший допустимый ток коллектора, приводится в справочниках.

Примечания:

а) Заданному диапазону температур удовлетворяет любой транзистор.

б) Для выбранного типа транзистора выписать из справочника значения коэффициентов усиления по току для ОЭ в мин и вм. В не­которых справочниках дается коэффициент усиления а по току для схемы ОБ и начальный ток коллектора I к.н. (при выборе режима работы транзистора необходимо выполнять условия I к.мин > I к.н).

в) Для каскадов усилителей напряжения обычно применяют ма­ломощные транзисторы типа ГТ-Ю8, ГТ-109, МП20, МП21.МП25, МП40, МП41, МП42, МП111, МП113 и др. (Справочник по полупро­водниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам / Под ред. Н. Н. Горюнова. - М.: Энергия, 1972; Справочник—транзисторы / Под ред. Н. Ф. Николаевского. - М.: Связь, 1969; Лавриненко, В. Ю. Справочник по полупроводниковым приборам / В.Ю. Лавриненко. - Киев: Техника, 1980; Справочник радиолюбителя-конструктора. - М.: Энергия, 1977).

2. Режим работы транзистора определяем по нагрузочной пря­мой, построенной на семействе входных статических (коллекторных) характеристик для ОЭ. Построение нагрузочной прямой показано на рис. 2.

Нагрузочная прямая строится по двум точкам: т. О - точка покоя (рабочая) и т. 1, которая определяется величиной напряжения источника питания Еп. Координатами т. О являютсятокпокоя I ко и напряжение покоя U кэо (т. е. ток и напряжение, соот­ветствующие (Uвх = 0).

Можно принять I ко= (1,05—1,2) I вых = (1,05 - 1,2) I н.мах.

Напряжение покоя U кэо

Uкэ = Uвых. мах +Uост = Uкm +Uост

где Uост — наименьшее допустимое напряжение Uкэ.

При U кэ< Uост возникают значительные нелинейные искажения, так как в рабочую зону попадают участки характеристик, обладаю­щие большой кривизной. Для маломощных транзисторов можно принять Uост =0,5-1,0 В.

3. Определяем величины сопротивлений Rк и Rэ.

рис.39.

По выходным характеристикам (см. рис.39) определяем Rоб =Rк + Rэ

Общее сопротивление в цепи эмиттер - коллектор

Rоб = Еп / 1

где I - ток, определяемый т. 1, т.е. точкой пересечения нагрузоч­ной прямой с осью токов.

Принимая Rэ= (0,15 - 0,25) Rк, получим:

Rк = R об / (1,15-1,25)

Rэ = Rоб -Rк

4. Определяем наибольшие амплитудные значения входного сиг­нала тока I вх.мах и напряжения U вх.мах, необходимые для обеспечения заданного значения U вых.мах. Задавшись наименьшим значением ко­эффициента усиления транзистора по току в_мин, получим:

Iвхm = I бm = Iкm / в _мин, причем I вх.м не должен превышать величины (I б.м – I б.мин) / 2, где для маломощных транзисторов I б.мах = 1- 2 мА, I б.мин = 0,05 мА.

По входной статической характеристике для схемы ОЭ (рис. 3) и найденным значениям Iб.мин и I б.мах находят величину 2Uвх.мах.

5. Определяем входное сопротивление Rвх каскада переменному току (без учета делителя напряжения R1 и R2 ):

R вх~= 2U вх. мах / 2 I вх. мах = 2U вх.m / 2 I вх.m

6. Определяем сопротивления делителя R1 и R2. Для уменьше­ния шунтирующего действия делителя на входную цепь каскада по переменному току принимают.

R _1-2 > (8-12) R вх~, где R _1-2 = R₁R₂ / R₁ +R₂

Тогда

7. Определяем коэффициент нестабильности работы каскада:

где в_мах – наибольший возможный коэффициент усиления по току выбранного типа транзистора.

Для нормальной работы каскада коэффициент нестабильности S не должен превышать нескольких единиц.

8. Определяем емкость разделительного конденсатора С:

где R вых.т. — выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным статическим характеристикам для схемы ОЭ. В большин­стве случаев R вых.т.>>Rк, поэтому можно принять R вых.т. = Rк + Rн.

9. Определяем емкость конденсатора Сэ > 10 / 2пfнRэ

10. Определяем коэффициент усиления каскада по напряжению:

Кu = Uвых.мах / U вх.мах

Примечание. Приведенный порядок расчета не учитывает требо­ваний на стабильность работы каскада.

Пример расчета каскада транзисторного усилителя напряже­ния для схемы с общим эмиттером

Рассчитать каскад транзисторного усилителя напряже­ния для схемы с общим эмиттером (см. Рис. 38)

Выбираем транзистор МП42А, для которого I к.доп =30мА, U кэ.доп =15 В,

в _мин = 30, в _мах =50 , I к.мин.доп = 25 мкА.

2. Для построения нагрузочной прямой находим (рабочую) точку покоя (т. 0), для этого определяем:

Вторая точка нагрузочной прямой Uкэ= Еп =12 В. По полученным величинам строится нагрузочная прямая (рис.40).

Рис. 40.

3.По статическим выходным характеристикам и нагрузочной прямой нахо­дим

I =18 мА, откуда

R об = 12/ 18 *10^-3 = 670 Ом

Следовательно:

4. Наименьший коэффициент усиления по току (для схемы ОЭ) для транзистора МП42А в_мин =30, тогда I вх.мин = I б.мин = I к.мин. Из-за малого значения I к.мин можно принять I к.мин = 0и, следова­тельно, I б.мин = 0;

I бмах = I к.м / в_мин = 14 / 30 = 0,47 мА

I бm = I бмах - I бмин / 2 = 0,47 / 2 = 0,235 мА

По входной статической характеристике (для схемы ОЭ):

Uбэ мин = 0,11 В; Uбэ мах = 0,33 В

2 Uвхю мах = Uбэ мах - Uбэ мин = 0,33 – 0,11 = 0,22 В

5. Находим входное сопротивление транзистора переменному току:

6. Для определения R1 и R 2 находим

R _1-2 > 8 R вх = 8* 470 = 3800 Ом

7. определяем, будет ли схема достаточно стабильна:

8. определяем емкость Ср:

Принимаем Ср = 3 мкФ

9. Определяем емкость Сэ:

Для полного устранения отрицательной обратной связи необхо­димо включить

Сэ >159 мкФ. Эта емкость слишком велика. Обычно используют Сэ = (10—30) мкФ. Принимаем Сэ = 20 мкФ.

10 Коэффициент усиления каскада по напряжению будет равен

Расчет каскада однотактного транзисторного усилителя мощности

Последовательность расчета приводится для транзистора, вклю­ченного по схеме с общим эмиттером (ОЭ). На рис. 41 дана прин­ципиальная схема каскада однотактного усилителя мощности.

Исходные данные: 1) мощность на выходе каскада Рвых; 2) сопротивление нагрузки Rн; 3) нижняя граничная частота fн; 4) коэффициент частотных искажений каскада на нижних частотах Мн, 5) напряжение источника питания Еп.

Примечание. Считать, что каскад работает в стационарных усло­виях (Тмин = +15°С; Т'мах = +25°С). При расчете влиянием температуры на режим транзистора пренебрегаем.

Определить: 1) тип транзистора; 2) режим работы транзистора; 3) сопротивление в цепи эмиттера Rэ; 4) емкость конденсатора Сэ; 5) сопротивления делителя R1 и R2; 6) коэффициент усиления ка­скада по мощности Кр; 7) коэффициент трансформации трансфор­матора К; 8) сопротивления первичной и вторичной обмоток транс­форматора r _т1 и r _т2; 9) индуктивность первичной обмотки трансфор­матора L₁; 10) площадь поверхности охлаждающего радиатора, если он необходим, S ох.

Рис.41.

Порядок расчета

1.Для выбора типа транзистора необходимо определить мощность Ро, которая будет выделяться на транзисторе: Ро = Р / n _к, где n _к - коэффициент использования транзистора (n _к = 0,035-0,45; чем больше напряжение питания Еп, тем больше n _к); Р - мощность, отдаваемая транзистором: Р = Р вых / n _т.

КПД трансформатора n _т принимают равным 0,7-0,9.

Ориентировочно определяют падения напряжений на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора r_т1 и на сопротивлении Rэ:

U = U _rт1 + U _Rэ = (0,2-0,3) Еп

Тогда наибольшее возможное напряжение на транзисторе:

По найденным значениям Ро и Uкэ.м подбирают транзистор.

Примечание. Для выбранного транзистора выписать из справоч­ника: а) допустимый ток коллектора Iк.доп; б) допустимое напря­жение на коллекторе Uкэ.доп; в) наибольшую рассеиваемую мощ­ность на транзисторе Рдоп; г) наименьший коэффициент усиления по току в мин; д) начальный ток коллектора I к.н; е) тепловое сопро­тивление r_тт; ж) наибольшую допустимую температуру коллектор­ного перехода Т т.м.

1.На выходныхстатических характеристиках (для ОЭ) находят положение точкипокоя (рабочей) т. О (рис.42), для этого опреде­ляют напряжение на коллекторе при U вх = 0 и ток покоя коллек­тора:

Точка 4 имеет координаты (Uкэ = U кэ.м; I к =0). Через т. О и 4 проводят нагрузочную пря­мую. Для определения рабочего участка нагрузочной прямой зада­ются величиной остаточного напряжения Uост (часто принимают (Uост=1 В) и наименьшим током коллектора

I к.мин > I к.н (I к.н – на­чальный ток коллектора, дается в справочнике).

По величине Uост определяют Iк.м (т. 2); необходимо, чтобы

I к.м < I к.доп. Без существенной ошибки можно принять I к.мин = 0. Таким образом, рабочий участок находится между т. 2 и 3. Наибольшая возможная ампли­туда напряжения выходного сигнала U вых.m = U кэ.о - Uост.

Рис. 42

Наибольшая амплитуда тока I к.м определяется т. О и 3 (или т. О и 2). После этого проверяют, обеспечит ли выбранный режим за­данную мощность Рвых.

В соответствии с построенной нагрузочной прямой находят

Р~ = (Uкm* I кm) / 2

При правильно выбранном режиме Р ~ > Р вых / n_т

Если это условие не выполняется, то увеличивают наклон нагрузоч­ной прямой (значение I берут большим).

Необходимо иметь в виду, что нагрузочная прямая не должна выходить из области, ограничиваемой гиперболой допустимых мощ­ностей;

Iк= Р к.доп./ U кэ , (Р к.доп. – берется из справочника)

Затем рассчитывают наибольшее и наименьшее значения входно­го тока:

и фиксируют их величину на входной статической характеристике схемы ОЭ (рис. 43).

По т. 1 и 2 входной характеристики находят наибольшее и наименьшее напряжения Uбэ.мин и Uбэ.мах и наибольшую амплитуду напряжения входного сигнала. Далее определяют мощность входного сигнала

Рис.43

И входное сопротивление транзистора переменному току

R вх = 2 U б.м / 2 I б.м

3. Сопротивление цепи эмиттера Rэ определяется по падению напряжения на этом сопротивлении. Приняв U _Rэ = (0,3—0,5) _^U,

Rэ = U_Rэ / I ко

4. Емкость конденсатора, шунтирующего Rэ, определяетсяиз выражения

Сэ > 1 / 2пfнRэ

(при Сэ>100 мкф блокировочный конденсатор не ставят).

5.Сопротивление делителя переменному току

Тогда:

R _1-2 = R1*R2 / R1+ R2

должно удовлетворять условию R _1-2 > (8-12) Rвх, тогда

6. Коэффициент усиления каскада по мощности

Кр = Р вых / Р вх

7. Для расчета коэффициента трансформации трансформатора по наклону нагрузочной прямой (см. рис. 5) определяют величину сопротивления коллекторной нагрузки переменному току

R к= U кэ.м / I

Тогда коэффициент трансформации трансформатора равен:

8. Сопротивления обмоток выходного трансформатора:

9. Индуктивность первичной обмотки:

9. Индуктивность первичной обмотки

10. При необходимости определяют площадь поверхности охлаждающего радиатора

где Т т.м - наибольшая допустимая температура коллекторного пе­рехода (дается в справочнике); Т ср.м - наибольшая возможная температура окружающей среды.

5.13. Пример расчета каскада транзисторного усилителя мощности для схемы ОЭ

Рассчитать каскад транзисторного усилителя мощности для схемы ОЭ (см. рис. 40), если известны Рвых= 1 Вт, Rн=5Ом,fн =1 кГц, Мн =1,3, Еп =10 В.

Решение.

Полученным значениям Ро и U кэ.м. соответствует транзистор ГТ403А, у которого Iк.доп=1,25 А, Uкэ.доп =30 В, Ро доп = 4 Вт, в мин = 20, I к.п. < 0,05 мА,

г_тт =15°С/Вт, Т т.м=85°С.

2.Определяем положение точки покоя (т. 0):

Принимаем Uост=1 В. Воспользовавшись характеристиками, ко­торые даны в справочнике, нагрузочную прямую проводим через точки U кэо=7,5 В,

I ко=0,48 А и U кэ.м =18,8 В, Iк = 0.

Наибольшее значение напряжения

Такой амплитуде напряжения выходного сигнала будут соответствовать напряжения:

Для этих напряжений находим

Следовательно, необходимо выбрать новую точку покоя и, .возмож­но, изменить наклон нагрузочной прямой. Так как I к.мин велик, то, перемещая точку покоя по построенной нагрузочной прямой вправо, будем увеличивать Uкm, при этом возрастет и Р~ . Для нового по­ложения точки покоя (рабочей) принимаем

U кэо =10В; I ко = 0,36А.

Тогда

U к.мах = U кэо – Uост = 10-1 = 9 В

U кэ.мах = 10 + 9 =19 В, U кэ.мин = 10-9 = 1 В

I к.мах = 0,75 А, I к.мин = 0

2 I к.m = I к.мах - I к.мин = 0,75 А

Проверяем новый режим:

Р~ = 2U кm * 2 I к.m / 8 = 1,7 Вт

что вполне достаточно.

Определяем наибольшее и наименьшее значения входного тока;

По входной статической характеристике для схемы ОЭ находим:

Находим удвоенные амплитудные значения входного сигнала:

4. Определяем емкость конденсатора:

Так как требуемая емкость чрезмерно велика, то ее не ставят.

5. Найдем значения сопротивлений делителя.

Приняв R _{1-2 =} 10 R вх = 10* 3 = 30 Ом, получим

Принимаем ближайшие стандартные значения: R₁=300Ом, R₂ =35 Ом.

6. Коэффициент усиления каскада по мощности:

7. Для расчета параметров трансформатора определим величину сопротивления коллекторной нагрузки:

тогда:

Принимаем L₁ = 0,004 мГн.

10. Так как Ро > 2 Вт, то необходим радиатор охлаждения пло­щадью

При анализе транзисторных усилителей широкое распростране­ние получили h- параметры. Электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырь­мя величинами: Iб, Uбэ, I к, Uкэ. Из практических соображений удобно выбирать в качестве независимых величин Uкэ и Iб, тогда

Uбэ = f (Iб, Uкэ) и Iк = f (Iб, Uкэ).

В усилительных схемах входным и выходным сигналами являют­ся приращения входных и выходных напряжений и токов. В преде­лах линейной части характеристик для приращений Uбэ и Iк справедливы равенства:

где h_iкэ — соответствующие частные производные, который легко могут быть найдены по семейству входных и выходных характери­стик транзистора, включенного по схеме ОЭ:

h_11э представляет собой входное сопротивление транзистора. Безразмерный параметр h_12э является коэффициентом обратной связи по напряжению. Как показывает анализ схем на транзисторах, величина h_12э = 0,002 - 0,0002, поэтому при практических расчетах его можно полагать равным нулю: h_21э—безразмерный коэффициент передачи по току, характеризующий усилительные свойства (по току) транзистора при постоянном напряжении на коллекторе; h_22э имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы.

ЗАДАЧА №2

Варианты 0-43. Рассчитать каскад транзисторного усилителя напряжения, принципиальная схема которого изображена на рис. Данные для расчета приведены в таблице 7.