Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Методические указания и пример расчета к задаче 4





Усилитель – это устройство (четырехполюсник), увеличивающий мощность сигнала. Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника постоянного напряжения Ек в энергию переменного напряжения в выходной цепи за счет изменения сопротивления управляемого элемента (транзистора) по закону, задаваемого входным сигналом.

Форма сигнала при усилении должна быть без существенных искажений.

Усилители используются для компенсации потерь при передаче информационных сигналов на большие расстояния, для создания нормальных условий восприятия информации человеком и т.д.

Схемотехника усилителей на транзисторах отличается многообразием и сложностью. Можно выделить три основные схемы, на основе которых строятся более сложные схемы. При использовании биполярных транзисторов различают:

- усилитель с общей базой (ОБ);

- усилитель с общим эмиттером (ОЭ);

- усилитель с общим коллектором (ОК).

Усилитель с общим эмиттером (ОЭ) принципиальная схема которого приведена на рис.1.1, является делителем напряжения Ек, в верхнем плече которого включен резистор нагрузки коллекторной цепи Rк, а в нижнем – транзистор VT.

Поэтому напряжение между коллектором и эмиттером составляет:

Эмиттер транзистора соединен с корпусом усилителя. Во входную цепь подается напряжение смещения ЕБ = 0,6 – 0,8В. Это напряжение предназначено для того, чтобы открыть эмиттерный переход и обеспечить постоянный ток коллектора в активном режиме работы транзистора. Величина начального постоянного тока коллектора определяется техническими условиями эксплуатации и для маломощных транзисторов составляет IКН=0,1…10мА.

Рисунок 1.1 – Схема усилительного каскада с ОЭ



 

Усиление по мощности осуществляется за счет энергии источника питания Ек=5…20В (полярность должна быть такой, чтобы закрыть коллекторный переход). Основное назначение разделительного конденсатора Ср1 – не пропустить на вход усилителя постоянное напряжение, которое может присутствовать во входном сигнале. Кроме того, Ср1 не пропускает на входную клемму усилителя напряжение смещения, присутствующее на базе.

Uбэ, Iб, Екэ определяют режим усилителя по постоянному току. Rб – задает ток смещения, а Rк является нагрузочным резистором.

Совокупность переменных токов и напряжений на элементах каскада определяют режим усилителя по переменному напряжению.

Напряжение питания Ек состоит из падения напряжения на резисторе нагрузки IкRк и напряжения коллектора Uкэ:

Отсюда получим уравнение линии нагрузки (нагрузочной прямой):

Нагрузочную прямую можно построить по двум точкам на осях координат:

Точка 1: Iк=0, т.е Uкэ=Ек

Точка 2: Uкэ=0, тогда Iк= Ек/Rк.

Пересечение линии нагрузки с заданной характеристикой определяет рабочую точку (РТ). Рабочая точка определяет режим транзистора, т.е. совокупность постоянных напряжений и токов в состоянии покоя (при отсутствии сигнала).

Параметры режима покоя следующие:

- постоянный ток базы IБ= I;

- постоянное напряжение между базой и эмиттером UБЭ=U;

- постоянное напряжение между коллектором и эмиттером UКЭ=U;

- постоянный ток коллектора Iк=I0К.

Усилитель работает следующим образом (рис.1.2).

В начальном состоянии (при отсутствии сигнала) до момента t0 входной ток Iвх=0, т.к. Uвх=0. Параметры РТ составляют IБ= I; UБЭ=U; UКЭ=U; Iк=I – вокруг них размещаются мгновенные значения сигнала.

При наличии сигнала в момент t1 на входе действует положительный полупериод входного напряжения Umax. Он увеличивает до максимальных величин напряжение базы UБmax и её ток IБmax. Транзистор дополнительно открывается и максимальный ток коллектора IКmax создает максимальное падение напряжения на резисторе нагрузки IКmaxRK ( точка 3). Минимальное напряжение коллектора:

 

В момент t2 на входе действует отрицательный полупериод входного напряжения Umax. Он уменьшает до минимальных величин напряжение базы UБmin и её ток IБmin. Транзистор дополнительно закрывается и минимальный ток коллектора IКmin создает минимальное падение напряжения на сопротивлении нагрузки IКminRК. Режим транзистора определяется при этом точкой 4. Напряжение коллектора максимально:

.

Таким образом, в цепи коллектора образуется увеличенная копия UКЭ входного напряжения UВХ.

Выходное напряжение отличается от коллекторного только тем, что не имеет постоянной составляющей U, которую не пропускает разделительный конденсатор Ср2.

Итак, максимальное входное напряжение создает минимальное выходное и наоборот, т.е. усилитель с ОЭ переворачивает фазу входного сигнала на 180°. А форма выходного напряжения является копией входного.

 

Разработка схемы

Схема усилителя приведена на рис. 1.2. Здесь: (расшифровать все обозначения) например, Uвх - входное напряжение, которое нужно усилить.

U вых - выходное усиленное напряжение и т.д.

Выбор транзистора

Транзистор выбирается по допустимым значениям мощности РКмакс и напряжении питания коллекторной цепи ЕК макс.

Допустимая мощность РКмакс 3 Рвых, (Рвых = 25 мВт)

Расчетное напряжение питания коллекторной цепи составляет

ЕК расч = 2 Um вых + 2 UКЭ нас,

где UКЕ нас - напряжение насыщения, берется из справочника, и составляет ≈ 1В;

Должно быть ЕК расч ЕК макс;

ЕК макс - допустимое коллекторное напряжение, берется из справочника.

 

Построение диаграмм работы

 

Для выбранного транзистора снимаем входную характеристику ІБ = f (UБЭ) и нижнюю выходную ІБмин (рис.1.2).

На входной характеристике находим точку 1 с координатами (UБмин, ІБмин).

На входной характеристике находим рабочую точку РТ по формуле

 

U0Б = UБмин+ Um вх .

 

На входной характеристике находим максимальное напряжение базы для точки 2

 

UБмакс = UБмин+ 2Um вх .

 

На эпюре UБ(t) возле напряжения покоя Uразмещаем синусоиду с амплитудой Um вх без каких либо амплитудных искажений.

Снимаем выходные характеристики для токов базы Іи ІБ макс, которые обозначаются точками соответственно РТ и 2 на входной характеристике.

На выходных характеристиках находим точку 2’ линии нагрузки проекцией напряжения UКмин = 2UКЭ нас на характеристику ІБ макс. Напряжение насыщения UКЭ нас приводится в справочниках и для маломощных транзисторов составляет около 1 В. (напряжение UКминдолжно быть таким, чтобы точка 2’ была бы правее перегиба характеристики ІБ макс, т.е. на возможно линейном участке).

На выходных характеристиках находим точку 1’ нагрузочной линии проекцией напряжения UКмакс = UКмін+ 2Um вых на характеристику ІБ мин.

Через точки 1’ и 2’ проводим линию нагрузки.

В границах минимальных и максимальных значений размещаем эпюры напряжений и токов.

Внимание! Диаграммы работы строить на миллиметровой бумаге ручным способом либо электронным способом с использованием сетки.

Расчет параметров

Мощность, рассеиваемая коллектором Р = U І.

(Должно быть Р РКмакс).

 

Напряжение коллекторной цепи ЕК = … . (определяетсяя на пересечении линии нагрузки с осью UКЭ).

 

Сопротивление нагрузки RK = .

Сопротивление резистора в цепи базы RБ = .

Выходная полезная мощность Рвых =

Мощность потерь Рп = ЕК І.

 

Коэффициент усиления по напряжению КU =

где Um вых ср = – средняя амплитуда выходного напряжения.

Коэффициент усиления по току КІ = ,

где ІmK ср и ІmБ ср, – средние амплитуды токов соответственно

 

коллектора и базы.

 

Коэффициент усиления по мощности КР = КU КІ.

 

Коэффициент полезного действия (кпд) = .

Должно быть < 0,25.

Предупреждение: если кпд равен 0,25 или превышает 0,25, то это свидетельствует о наличии в работе ошибки, которую необходимо найти.

Входное сопротивление Rвх=

 

Приложение 1

 

Ряды номинальных значений сопротивлений, емкостей и индуктивностей с допуском ±5 % и более

Е3 Е6 Е12 Е24 Е3 Е6 Е12 Е24 Е3 Е6 Е12 Е24
2.2 2.2 2.2 2.2 4.7 4.7 4.7 4.7
      1.1       2.4       5.1
    1.2 1.2     2.7 2.7     5.6 5.6
      1.3             6.2
  1.5 1.5 1.5   3.3 3.3 3.3   6.8 6.8 6.8
      1.6       3.6       7.5
    1.8 1.8     3.9 3.9     8.2 8.2
            4.3       9.1

 

 

 

Номиналы соответствуют числам, приведенным в таблице и числам, полученным умножением на 10n, где n - целое положительное или отрицательное число.

Ряд Е3 соответствует отклонению от номинального значения ±50%
Ряд Е6 соответствует отклонению от номинального значения ±20%
Ряд Е12 соответствует отклонению от номинального значения ±10%
Ряд Е24 соответствует отклонению от номинального значения ±5%.

 

Номинальные значения мощностей резисторов:

 

 

Приложение 2


Статические характеристики биполярных транзисторов






 


 


ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Рисунок 1 – Условные обозначения приборов

 









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.