2.4 Расчет усилителя мощности

Выбор схемы усилителя.

Выбираем простейший усилитель мощности, имеющий 4 каскада усиления и отрицательную обратную связь. Сигналы, передающиеся от микроконтроллера к исполнительному устройству на выходе модуля ВЫВОД 24 - дифференциальные.

Рис. 2.8 Схема усилителя

Процесс усиления электрического сигнала происходит за счет мощности, потребляемой от источника питания. Часть мощности Р_о в усилителе преобразуется в мощность Р₂, т.е. в мощность, выделяемую в нагрузке. Для преобразования мощности Р_о в мощность Р₂ затрачивается мощность Р₁, т.е. мощность источника сигнала. Таким образом, усиление - процесс увеличения мощности источника сигнала.

Разработка и расчет оконечного каскада усилителя мощности

Выберем в качестве оконечного каскада двухтактный, бестрансформаторный, каскад на составных биполярных транзисторах, включенных по схеме с общим коллектором. Это позволит нам осуществить непосредственную связь с нагрузкой, а значит, обойтись без громоздких

трансформаторов и разделительных конденсаторов. А т.к. последние являются частотно-зависимыми элементами, то их отсутствие существенно расширит полосу пропускания усилителя. Отсутствие частотно-зависимых элементов позволяет вводить глубокие обратные связи по постоянному току, что улучшает характеристики усилителя.

Выберем схему построения оконечного каскада.

Для повышения КПД транзисторы оконечного каскада используют в режиме класса В. Тогда оконечный каскад будет состоять из двух симметричных плеч, каждое из которых будет работать параллельно и в противофазе друг другу на общую нагрузку (Рисунок 13).

Однако при этом существенно увеличиваются нелинейные искажения. Поэтому выходные каскады обычно используют в режиме АВ (при этом в принципиальную схему добавляется цепь смещения), обеспечивая высокий КПД и малые нелинейные искажения. Такие схемы выполняют на комплиментарных транзисторах.

При значительной мощности выходного сигнала (более 5 Вт) или при слишком большом коэффициенте гармоник может возникнуть ситуация, когда для предоконечного каскада тоже может потребоваться режим АВ. В этом случае оконечный каскад выполняют на составных транзисторах.

Рис. 2.9 Схема выходного каскада

Выбор 1^ой пары транзисторов.

Первая пара транзисторов составляет свой каскад. Он состоит из двух комплиментарных транзисторов V1 и V2, работающих на общую нагрузку . По своим усилительным свойствам транзисторы V1 и V2 должны быть идентичны. В схеме (Рисунок 14) транзисторы V1 и V2 включены с ОК. Напряжения источников питания равны между собой . При положительных входных сигналах транзистор V1 работает в активном режиме и усиливает входной сигнал, а транзистор V2 заперт. При отрицательных входных напряжениях - наоборот. Таким образом, транзисторы работают в активном режиме попеременно, каждый в течение одного полупериода входного напряжения. При оба транзистора заперты.

Рис. 2.10 Схема оконечного каскада

а) рассчитаем амплитуду выходного питания

U = (2P_н R_н )^1/2; (1)

==15,49 В;

б) выберем напряжение питания

E_п = U_нм + U_ост= 15,49 + 6 = 21,49 , следовательно E_п = 21 В (2)

U_ост= 6 В;

в) рассчитываем мощность, рассеиваемую на одном транзисторе

= 6,2 Вт ; (3)

г) ток нагрузки

А, то есть I_km = 1,94 A; (4)

д) исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов

Выбираем транзисторы КТ-818В и КТ-819В.

КТ-818В - это кремневые мезаэпитаксиально - планарные p-n-p-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах.

Корпус пластмассовый с гибкими выводами или металлический, масса не более 15 г.

КТ-819В - это кремневые мезаэпитаксиально - планарные n-p-n-транзисторы предназначены для применения в ключевых и линейных схемах, узлах, блоках аппаратуры. Корпус пластмассовый с гибкими выводами, масса не более 2,5 г. или металлостеклянный, масса не более 15 г.

Выбор 2^ой пары транзисторов.

Для второй пары транзисторов составного каскада входные параметры первого являются выходными, то есть для выбора транзисторов используем следующие данные:

E_п = U_нм + U_ост= 14,84 + 6 = 20,84 , следовательно E_п = 21 В

U_ост= 6 В;

= 0,15 Вт

, то есть I_km = 50 мA;

Исходя из рассчитанных данных выбираем пару транзисторов:

КТ-629А и КТ-630А.

КТ-629А - это кремниевые эпитаксиально-планарные p-n-p-транзисторы предназначены для использования в быстродействующих импульсных и других неремонтируемых гибридных схемах, микромодулях, узлах и блоках, имеющих герметичную защиту от действия солнечного света, влаги и так далее, для аппаратуры широкого применения. Оформление бес корпусное, на диэлектрической подложке. Масса не более 0,02 г.