Расчет транзисторных усилителей, работающих

В РЕЖИМЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Схема усилителя

Схема усилителя, работающего в режиме переключения, показана на рис. 7.1.

Задача расчета

Определить номинальные значения сопротивлений всех резисторов, входящих в схему (R ₁, R ₂, R ₃); определить нагрузки на полупроводниковые приборы; сделать выбор полупроводниковых приборов; определить входную мощность Р_вх и коэффициент усиления усилителя по мощности К_Р.

Исходные данные для расчета

В качестве исходных данных для расчета задаются параметры нагрузки, характер нагрузки (активная либо активно – индуктивная), напряжение источников питания Е_к и смещения Е_см.

В качестве исходных данных для примера расчета принимаем следующие параметры:

Р_н = 50 Вт;

Е_к = – 24 В;

Е_см = + 6 В.

Нагрузка активно – индуктивная.

Условия расчета

Рассматривается расчет всех электрических цепей, необходимых для управления выходным транзистором V₂. При этом исходим из предположения, что ключевой режим работы транзистора V₁ обеспечивается частью схемы усилителя, предшествующей входным зажимам, показанным на рис. 7.1.

Выполнение расчетов тепловых режимов работы транзисторов не предусмотрено с целью уменьшения объема расчетного задания.

Порядок расчета

7.5.1 Определяем параметры нагрузки:

а) ток нагрузки

б) сопротивление нагрузки

7.5.2 Расчет параметров и выбор выходного транзистора V₂

а) определяем коллекторный ток транзистора V₂ в режиме насыщения

I_{к 2 нас} = I_н = 2.08 A;

б) определяем напряжение на транзисторе V ₂ в закрытом состоянии

U_{кэ 2 макс} = Е_к = 24 В;

в) для установки в схему выбираем транзистор типа П213 со следующими параметрами.

Максимально допустимый ток коллектора

I_{к макс доп.} = 5 А.

Максимально допустимое напряжение эмиттер – коллектор

U _{кэ макс доп.} = 45 В.

Тепловой ток коллектора

I_{к 0} (20⁰ С) = 0.15 мА.

Остаточное падение напряжения на открытом транзисторе

∆ U_кэ = 0.5 В.

Коэффициент усиления по току

β = 20  50.

7.5.3 Расчет цепи напряжения транзистора V₂:

а) определяем величину тока базы транзистора V₂ в режиме насыщения

I_{б 2 нас} =

где К_нас – коэффициент насыщения, принимается равным 1.4  1.6;

б) определяем полное сопротивление цепи насыщения, состоящее из суммы сопротивлений резисторов R ₁ и R ₂,

R_нас = R ₁ + R ₂ =

где U_{эб 2 нас} – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора V₂ в режиме насыщения. Определяется по входной характеристике транзистора. При отсутствии справочных данных можно приблизительно полагать U_{эб нас} ≈ 0.5 В – для германиевых транзисторов и U_{эб нас} ≈ 1 В – для кремниевых;

в) определяем сопротивление резисторов R ₁ и R ₂, полагая, что

R ₁ = 0.8 R_нас;             R ₂  = 0.2 R_нас:

R ₁ = 0.8 R_нас = 0.8 ∙ 151 = 121 Ом;

R ₂ = 0.2 R_нас = 0.2 ∙ 151 = 30 Ом.

7.5.4 Расчет параметров и выбор управляющего транзистора V₁:

а) определяем максимальный коллекторный ток транзистора (в состоянии насыщения) I_{к 1 нас} =

б) определяем максимальное напряжение на коллекторе транзистора V₁ (в состоянии отсечки) U_{кэ 1 отс.} ≈ Е_к

в) для установки в схему выбираем транзистор типа МП – 25А со следующими основными параметрами.

Максимально допустимый ток коллектора                I_{к макс доп} = 400 мА.

Максимально допустимое напряжение

коллектор – эмиттер                                                    U_{кэ макс доп} = 40 В.

Остаточное падение напряжения

на открытом транзисторе                                            ∆ U_{кэ нас}  В.

Коэффициент усиления                                                β = 20

7.5.5 Расчет цепи запирания транзистора V₂:

а) задаемся величиной запирающего напряжения на базе транзистора V₂

U_{зап 2} = 0.2 В;

б) определяем величину падения напряжения на резисторе R ₂, необходимого для запирания транзистора V₂,

U  = U_{зап 2} + Δ U_{кэ 1 нас} = 0.2 + 1 = 1.2 В;

в) определяем величину тока, проходящего через резистор R ₂, когда транзистор V₂ находится в состоянии отсечки,

I =

г) проверяем условие I < I_{к 1 нас} :

0.04 < 0.2;

д) определяем величину тока, протекающего через резистор R ₃, когда транзистор V₂ находится в состоянии отсечки,

I = I  + I _{к 0 V} = 40 + 0.2 = 40.2 мА;

е) определяем падение напряжения на резисторе R ₃

U = E_см – U_{зап 2} = 6 – 0.2 = 5.8 В;

ж) определяем сопротивление резистора R ₃:

R ₃ =

7.5.6 Расчет параметров входного сигнала:

а) определяем входной ток, необходимый для перевода транзистора V₁ в режим насыщения,

I_вх = I_{б 1 нас} =

б) определяем напряжение входного сигнала по входной характеристике транзистора V₁ (при отсутствии справочных данных принимаем приближенно U_вх ≈ 0.5 В)

U_вх ≈ 0.5 В;

в) определяем мощность входного сигнала

Р_вх = U_вх I_вх = 0.5 ∙ 0.015 = 0.0075 Вт;

г) определяем коэффициент усиления каскада по мощности

К_Р =

7.5.7 Расчет параметров диода V₃.

Диод V₃ вводится в схему лишь в том случае, если нагрузка имеет активно – индуктивный характер (обмотка реле и т.п.), и служит для замыкания тока самоиндукции силового транзистора. В противном случае э.д.с. самоиндукции неизбежно вызывает пробой транзистора, что приводит к выходу его из строя.

Расчет параметров и выбор диода V₃ производится в следующем порядке:

а) определяется максимальное напряжение на диоде V₃

U_{a 3 макс}  = E_к = 24 B;

б) определяем максимальную величину тока диода V₃

I_{a 3 макс} = I_{н макс} = 2.08 А;

в) для установки в схему выбираем диод типа Д303 со следующими основными параметрами.

- Максимально допустимый выпрямленный ток (среднее значение)

I_{а макс доп.} = 3.0 А.

- Максимально допустимое обратное напряжение

U_{обр макс} (20⁰ С) = 150 В;

U_{обр макс} (10⁰ С) = 50 В.

Задание

Произвести расчет транзисторного усилителя, работающего в режиме переключения. Исходные данные для расчета приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Исходные данные для расчета транзисторного усилителя

Напряжение источника питания Ек, В	Мощность нагрузки Рн, Вт
	16	25	32	35	40	45
8	1	2	3	4	5	6
14	7	8	9	10	11	12
20	13	14	15	16	17	18
28	19	20	21	22	23	24
32	25	26	27	28	29	30

Нагрузка активно – индуктивная.

Напряжение вспомогательного источника Е_см = 6 В.

Контрольные вопросы:

1. Импульсные устройства. Работа транзистора в режиме ключа.

2. Усилитель импульсных сигналов. Принцип работы.

Литература: [2, 3, 4, 5].