Расчёт усилителя мощности звуковых частот

 

Пусть на участке коллектор-эмиттер  транзистора VT3 действует напряжение =3 В. По рисунку 10 - =15 мА. Тогда:

Зная, что отношение тока на резисторе R7 к току на резисторе R6 равно 1,33 можно предположить, что отношение напряжений U6 к U7 при рассмотрении только предоконечного каскада также будет равно 1,33. Тогда:

 

Зная это можно определить параметры резисторов R6 и R7:

 

 

Сопротивление нагрузки для предоконечного каскада - .

Как и в предыдущем пункте определяем мощность, выдаваемую транзистором и мощность, рассеиваемую в нагрузке:

 

 

По рисунку 10 определяется амплитудное значение тока базы транзистора VT3:

 

 

4.3 Расчёт входного каскада  и цепи обратной связи

 

Входной каскад проектируемого усилителя выполнен на дифференциальном каскаде. Данный каскад, как уже говорилось выше, обладает большим входным сопротивлением. Большое входное сопротивление необходимо для согласования входа УМЗЧ с источником сигнала.

Транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры. Транзистор VT1 должен обеспечивать базу транзистора VT3 током 0,22 мА. По справочной литературе был выбран следующий транзистор:

VT1, VT2 – КТ209В             

Его выходные характеристики представлены на рисунке 11.

 

 

Рисунок 11 – Выходные характеристики транзистора КТ209В

 

Пусть на участке коллектор-эмиттер  транзистора VT1 действует напряжение . По рисунку 11 определяется ток коллектора (учитывая то, что этот транзистор работает в режиме А): . Тогда, зная ток на базе транзистора VT3, и учитывая, что , определяется сопротивление резисторов R2 и R3:

 

 

И в одной и в  другой формуле берётся удвоенный  ток коллектора из-за того, что на оба резистора поступают токи от двух транзисторов: VT1 и VT2.

 

В схему проектируемого усилителя включена цепь отрицательной  обратной связи (ООС), которая охватывает весь усилитель и подключается к  смесительному каскаду, выполненному на транзисторе VT2. Она уменьшает коэффициент усиления и понижает уровень сигнала на выходе. Однако ООС необходима так как она улучшает стабильность усиления; снижает уровень нелинейных искажений сигнала; определяет полосу рабочих частот усилителя. В данном усилителе цепь ООС составляют следующие элементы: .

Коэффициент усиления схемы  с ООС определяется по следующей  формуле:

, где  - коэффициент обратной связи.

Коэффициент ещё можно определить следующим образом:

, где  - входное сопротивление для цепи ООС, образованное параллельным соединением цепи R4C2 с входным сопротивлением транзистора VT2 (VT2 включён по схеме с ОК).

Сопротивление резистора R5 можно найти из следующего условия:

 

 

 

Коэффициент передачи по напряжению усилителя без ООС:

Зная коэффициент передачи по напряжению можно найти сопротивление  резистора R4 из следующего выражения:

 

 

Для определения входного сопротивления транзистора VT2 необходимо определить его h11 и h21 (по рисункам 12 и 11 соответственно).

Так как  транзистора VT2 одновременно представляет собой выходное сопротивление каскада ОК, то его входное сопротивление следует находить следующим образом:

 

 

Рисунок 12 – Входная  характеристика транзистора КТ209В

Ёмкость конденсатора С2 можно определить, зная нижнюю частоту полосы пропускания, из следующей формулы:

  Соответственно ряда Е24 –  3 мкФ

Зная параметры R4, Rin2 и С2 можно найти величину :

 

Так как эта цепь ООС частотнозависимая, то и глубина обратной связи тоже будет меняться с изменением частоты входного сигнала. На рисунках 13 и 14 приведены соответственно зависимости

Рисунок 13 – Зависимость  реактивного сопротивления ХС2 от частоты сигнала

 

Рисунок 14 – Зависимость  глубины ОС от частоты сигнала

 

Из рисунка 14 видно, что  величина F максимальна при частоте равной Fн и равна 2,32, а минимальна при частоте Fв и равна 1,98. Среднее значение глубины ОС, 2,15, достигается при частоте .

 

 

 

 

Сопротивление резистора R1 берётся равным сопротивлению резистора R5

 

 

Также на входе схемы  присутствует разделительный конденсатор  С1. Он предотвращает поступление  постоянного тока, так как при частоте его сопротивление будет равно бесконечности. Достаточно будет взять конденсатор ёмкостью 10 мкФ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Расчёт нелинейных искажений

5.1 Оконечный  каскад: VT6, VT7

 

Транзисторы VT6 и VT4 образуют составной транзистор. Здесь будет ООС с очень большой глубиной обратной связи:

 

Коэффициент нелинейных искажений будем определять, используя  метод пяти ординат. Для этого  необходимо построить проходную  характеристику транзистора.

Если Rвх=38,4 Ом, то Rc Ом.

Данные для построения проходной характеристики приведены  в таблице 1.

 

Таблица 1:

Iб, (A)	Iк, (A)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,002	0,1	0,68	0,46	1,14
0,004	0,2	0,7	0,92	1,62
0,008	0,36	0,72	1,84	2,56
0,01	0,4	0,74	2,3	3,04
0,015	0,66	0,76	3,45	4,21
0,02	1	0,8	4,6	5,4
0,04	1,94	0,85	9,2	10,05
0,06	2,2	0,88	13,8	14,68

 

Полученная проходная  характеристика показана на рисунке 15.

Рисунок 15 – Проходная характеристика КТ319Б

 

i1=2,2 A; i2=1,66 A; i3=0,36 A; i4=0,24 A; i5=0,1 A

 

Расчёт четырех гармоник тока коллектора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2 Оконечный каскад: VT4, VT5

 

Также как и в пункте 5.1 определяется глубина ООС транзистора:

Данные для построения проходной характеристики этого  каскада представлены в таблице 2.

 

Таблица 2:

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,1	5	0,64	50,4	51,04
0,3	10	0,734	151,2	151,934
0,5	20	0,76	252	252,76
0,8	60	0,78	403,2	403,98
1	100	0,8	504	504,8
2	140	0,82	1008	1008,82
3	190	0,83	1512	1512,83
3,5	210	0,84	1764	1764,84

 

Полученная проходная  характеристика представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 – Проходная  характеристика КТ815А

 

i1=210 мA; i2=140 мA; i3=20 мA; i4=10 мA; i5=5 мA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3 Предоконечный каскад: VT3

 

Рассчитаем глубину ООС по следующей формуле:

Здесь коэффициент усиления каскада по напряжению определяется следующим образом:

, где параметр h21=53, а h11=40 Ом (по рисунку 10 и из справочной литературы соответственно).

Коэффициент передачи ООС  определяется из следующего выражения:

Тогда глубина ООС:

Данные для построения проходной  характеристики для этого каскада  представлены в таблице 3.

Таблица 3:

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,2	15	0,56	400	400,56
0,3	24	0,6	600	600,6
0,4	30	0,62	800	800,62
0,5	36	0,64	1000	1000,64
0,57	42	0,65	1140	1140,65
0,62	45	0,65	1240	1240,65

 Полученная по таблице  3 проходная характеристика представлена  на рисунке 17.

Рисунок 17 – Проходная  характеристика КТ315В

i1=45 мA; i2=30 мA; i3=14 мA;

 

Используя метод трёх ординат для данного каскада, получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.4 Входной  каскад: VT1, VT2

 

Для входного каскада, как  и для оконечного и предоконечного, также необходимо рассчитать коэффициент гармоник.

Входным сопротивлением для одной части входного каскада (допустим – левой, на транзисторе VT1) является параллельное соединение резистора R1 и входного сопротивления . Где последнее определяется из следующей формулы:

 

В таблице 4 представлены данные для построения проходной  характеристики данного каскада.

 

Таблица 4:

Iб, (мA)	Iк, (мA)	Uэб, (B)	Iб* Rс,  (B)	Ec, (B)
0,05	10	0,644	1395	1395,644
0,052	10,4	0,648	1450,8	1451,448
0,054	10,8	0,652	1506,6	1507,252
0,0565	11,3	0,656	1576,35	1577,006
0,057	11,4	0,66	1590,3	1590,96

На рисунке 18 показана сама проходная  характеристика.

Рисунок 18 – Проходная  характеристика КТ209В

i1=11,4 мA; i2=10,77 мA; i3=10 мA;

 

В итоге суммарный  коэффициент гармоник, определяющий нелинейные искажения всего усилителя  будет равен:

А с учётом обратной связи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Вывод

Результатом проделанной  работы является усилитель звуковых частот. Данный усилитель удовлетворяет предъявленным требованиям, таким как заявленная мощность в нагрузке, коэффициент нелинейных искажений, не превышающий критического значения в 5%. Усилитель спроектирован на отечественной элементной базе.

Из-за довольно большой  заявленной мощности в нагрузке оконечный  каскад, а точнее – транзисторы VT6 и VT7, выдают мощность большую максимально допустимой. Для надёжной работы усилителя, для защиты транзисторов от перегрева и выхода из строя и для безопасной эксплуатации разработанного усилителя  эти транзисторы необходимо соединить с радиатором, а радиатор – с корпусом устройства. Для ещё более лучшего охлаждения в корпусе усилителя рекомендуется сделать несколько перфорационных отверстий.