Расчет схемы двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности

Требуется рассчитать двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности, изображенный на рис. 4, при заданных мощности Р_Н и сопротивлении нагрузки R_Н. Усилитель работает от источника сигнала (генератора) с параметрами Е_г и R_г, указанными в таблице 2.

Таблица 2

Рис. 26. КТ816 p-n-p

Рис. 27. КТ817 n-p-n

При выполнении данного расчета требуется:

- выбрать напряжение двухполярного источника питания Е_К;

- рассчитать цепь базового делителя R₁ – R₄;

- рассчитать коэффициент предварительного усиления K_U каскада на транзисторе VТ₁ с выбором транзистора;

- рассчитать коэффициент усиления по мощности для рассчитываемого

Для нормальной работы двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности необходимо включение предоконечного каскада. На рис. 4 приведена схема усилителя мощности, в которой в качестве предоконечного каскада используется каскад на транзисторе VТ1. При расчете такого усилителя мощности обычно заданы мощность Р_Н и сопротивление нагрузки R_Н. Мощность, которую должны выделить транзисторы обоих плеч усилителя, необходимо определять с некоторым запасом:

Р ≥ 1, 1 Р_Н.

Переменные составляющие коллекторного тока и напряжения равны соответственно

I_km = √ 2P/R_H, U_km = 2P/ I_km

Рис. 4

Минимальное напряжение в цепи коллектор-эмиттер транзисторов VТ₂ и VТ₃ находят из выходных характеристик транзисторов. Напряжение U_ОСТ должно отсекать нелинейную часть выходных характеристик и области малых коллекторных напряжений (рис. 5). Выделяемую оконечным каскадом мощность Р = U_kmI_km/2 определяют графически как площадь треугольника АBС. Напряжение источника питания на основании рис. 5 удовлетворяет неравенству

E_k ≥ U_km + U_OCT ≤ (0, 4 – 0, 5) U_Kдоп.

Начальный ток I_кА через транзисторы обеспечивают соответствующим выбором величин резисторов R₁, R₂, R₃ и R₄. С одной стороны, для повышения экономичности этот ток должен быть по возможности меньшим. С другой стороны, при малых I_кА увеличи­ваются нелинейные искажения сигнала (искажения типа «ступеньки»). Рост начального тока I_кА приводит к увеличению среднего значения тока, потребляемого транзистором от источника питания и приближенно определяемого по формуле I_{к ср}= I_кm /π. Потребляемая каскадом номинальная мощность Р₀ = 2 Е_С I_{k cp}; коэффициент полезного действия каскада η = P/P₀.

Рис. 5

Для расчета входной цепи усилителя необходимо располагать входными характеристиками транзисторов VТ₂ и VТ₃. Исходный и максимальный токи базы определяют как I_бА = I_кА / β _min, I_бm = I_km /β _min. Исходное и максимальное значения напряжения базы U_{б A} и U_бm находят по входной характеристике при средней величине U_к. Затемопределяют величину U_ВХm = U_бm + U_ВЫХm подсчитывают входную мощность Р_ВХ = 1/2 U_ВХmI_бm и коэффициент усиления по мощности К_Р = Р_ВЫХ/Р_ВХ.

Пример решения

Определим с небольшим запасом мощность, которую должны выделять транзисторы обоих плеч каскада:

Р ≥ 1, 1 Р_Н = 1, 1 ∙ 12 = 13, 2 Вт.

Требуемое максимальное значение коллекторного тока I_km

I_km = А.

Минимальное напряжение в цепи коллектор–эмиттер определяется по выходным характеристикам транзисторов. Остаточное напряжение U_OCT должно отсекать нелинейную часть характеристик. Примем U_OCT ≈ 1 В.

Требуемую амплитуду напряжения на нагрузке U_ВЫХ найдем из формулы

U_km = 2P/ I_km = 2·13, 2 / 1, 82 = 14, 5 В.

Необходимое напряжение источника питания Е_k ≥ U_OCT + U_km = 14, 5 + 1 = 15, 5 B.

Возьмем с запасом Е_k = 10 В. Выбираем мощные транзисторы VТ₂ и VТ₃ по значению отдаваемой мощности Р и максимальному напряжению на коллекторе. Подходящими транзисторами с противоположным типом проводимости (так называемой комплементарной парой) являются транзисторы типа КТ816А и KT8I7A. Примем, что среднее значение коэффициентов усиления по току β = 25.

Тогда I_бm = I_km /β _min = 1, 82/25 = 0, 072 А =72 мА.

Рассчитаем цепь базового делителя R₁ – R₄. Потенциал базы транзистора VТ₂ в состоянии покоя выберем, исходя из необходимого начального тока через транзисторы VТ₂ и VT₃ и вида входных характеристик. Поскольку транзисторы VТ₂ и VT₃ должны работать в режиме АВ, то пусть I_{k нач} = 10 мА, тогда I_{б нач} = 0, 4 мА. Из входных характеристик находим U_{6 нач} = 0, 45 В. Примем ток делителя I_Д равным 0, 8 мА, тогда

кОм,

кОм.

Рассчитаем каскад предварительного усиления на транзисторе VТ₁. Коэффициент усиления каскада на VТ₁ определяется выражением

,

где R_вх1= r_б1+ (r_э1+R_э1)(1+b₁), R_вх2 » b₂R_н+R₂

при условии достаточно высокоомных резисторов R₁ и R₄, b₂ = 25 – коэффициент передачи тока базы транзисторов VТ₂ и VТ₃. С другой стороны, каскад на транзисторе VТ₁ должен обеспечить следующее усиление: К_U1 = u_km /E_г = 14, 5/0, 5 = 29. Такое усиление можно получить, задавшись током покоя транзистора VТ₁ равным 5 мА. Выбрав R_К1 = 2 кОм, обеспечим режимное значение R_КЭ1 = 5 В. Из формулы для К_U1 при r_Э1 = 5 Ом и b₁ = 30 находим сопротивление эмиттерного резистора R_Э1, регулирующего усиление каскада на VТ₁. Сопротивление R_Э1= 47 Ом обеспечивает необходимый коэффициент усиления каскада предварительного усиления на VТ₁.

Амплитуда входного тока транзистора VТ₁

мА.

Коэффициент усиления по мощности для рассчитываемого усилителя

.