Курсова робота
з дисципліниТеоріяелектричних кіл
на тему:
“Розрахуноктранзисторного резонансного підсилювача потужності”
Зміст
Аналіз резонансногопідсилювача
Вибір режиму роботирезонансного підсилювача потужності
Вхідні данні
Вибір транзистора тасхеми резонансного підсилювача потужності
Вольт-амперніхарактеристики транзистора
Схема резонансногопідсилювача потужності
Розрахунок резонансногопідсилювача потужності
Специфікація
Висновки
Література
Аналізрезонансного підсилювача потужності
В нашчас в проміжних і вихідних каскадах радіопередаючих пристроїв, які працюють врізних частотах диапазона широко використовуються резонансні підсилювачіпотужності.
Підсилювачемпотужності радіосигналів називається пристрій, який перетворює енергію джерелапостійного струму в енергію високочастотних коливань для забезпечення заданоїпотужності цих коливань на виході підсилювача.
Підсилювачпотужності характеризується в загальному випадку рядом показників: вихідноюпотужністю, коефіцієнтом підсилення потужності і корисної дії, діапазономробочих частот, амплітудно-частотною характеристикою, рівнем нелінійнихспотворень і власних шумів.
В60-70-их роках більшість резонансних підсилювачів потужності були на лампах. Зчасом радіоелектронні елементи вдосконалювались. Все більше почаливикористовувати транзистори, які в потужних каскадах підсилення високочастотнихколивань дають можливість значно покращити такі важливі параметрирадіопередавачів військового призначення, як надійність та довговічність,зменшити вагу та габарити. Але серйозною перешкодою широкому використаннютранзиситорів в радіопередаючих пристроях була відсутність потужнихвисокочастотних транзисторів з’явилась реальна можливість створенняпідсилювачів на сотні ват в короткохвильовому диапазоні, і до десятків ват вдиапазоні ультра коротких хвиль.
Потехнологічним причинам більша частина потужних високочастотніх транзисторіввипускається n-p-n типу. Найбільшого розповсюдження одержала схема включенняприладу зі спільним емітером, що забезпечує більш високий коофіцієнт підсиленняза потужністью.
Допідсилювачів потужності пред’являють наступні основні вимоги:
1. Більша величина потужності вихідного радіосигналу (від кількох ватдо десятків і сотень кіловат в залежності від призначення радіостанціі).
2. Висока економічність, яка характеризується коефіцієнтом корисноїдії підсилювача.
3. Малі нелінійні спотворення радіосигналів, що підсилюються.
4. Можливість плавної і дискретної перестройки підсилювача в заданомудиапазоні частот.
Важливоюпроблемою при проектуванні транзисторних підсилювачів потужності є забезпеченняїх стійкості. Виникнення паразитних коливань може призвести до різних небаченихявищ: паразитній модуляціі, зниження корисної потужності, шкідливомувипроміненню, складності настройки підсилювача потужності і, що особливонебезпечно, виходу з ладу транзисторів.
Нестійкістьпідсилювача може бути зумовлена різними факторами: тепловим оберненим з’язком втранзисторі, внутрішнім оберненим зв’язком через ємкості активної і пасивноїчастини колекторного переходу і паразитні реактивні параметри транзистора,нелінійності ємкості p-n переходів, негативними опорами, зв’язаними зпрольотними ефектами, лавиноподібним розмеженям і т.п.
Вкаскадах підсилювачів потужності радіосигналів різні динамічні режими,особливості яких обумовлені видом характеристики передачі Ik=f(Uке).Отже РПП може працювати в трьох режимах: недонапруженому,граничному(критичному), і перенапруженому.
Підсилювачіпотужності в загальному випадку можуть працювати як з відсіканням струмів, такі без відсікання.
Призаданій вихідній потужності критичний режим підсилювача потужності будеефективніше, чим вище коефіцієнт корисної дії і коефіцієнт підсиленняпотужності. Однак умови, що відповідають максимальним значенням того чи іншогопоказника, не співпадають. Це призводить до необхідності рішення задачоптимального режиму підсилювача потужності, тобто знаходження компроміснихумов, при яких забезпечується найбільш вигідне співвідношення енергетичниххарактеристик з урахуванням граничних експлуатаційних параметрів транзисторів.
Завихідні данні при розрахунку РПП приймаються справочні відомості про граничнийрежим, статичні характеристики, максимальні частотні параметри і характеристиканелінійних якостей транзистора.
Вибіррежиму роботи резонансного підсилювача потужності
Резонанснийпідсилювач потужності може працювати в одному з трьох динамічних режимів,особливості яких зумовлені видом характеристики передачі Ik=f(Uке),яка виражає залежність колекторного струму підсилювального прибору від напругина колекторі при заданих величинах напруги зміщеня, напруги джерелаколекторного живлення, амплітуд напруги на базі і на колекторі.
Режимроботи підсилювача з малим коефіцієнтом використання колекторної напруги, колиімпульс струму має гострокінечну форму, називається недонапруженим. Длянедонапруженого режиму x
Якщокоефіцієнт використання колекторної напруги x=0.7-0.8, то маємісце граничний(критичний)режим (графік 2 мал. 1)
Режимроботи з великим коефіцієнтом використання колекторної напруги, коли імпульсструму має впадину на вершині, називається перенапруженим. Для перенапруженогорежиму x>0.9 (графік 3 мал. 1)
Якбачимо, для резонансного підсилювача потужності краще брати гранічний режимроботи, він є оптимальним. А задача оптимізаціі — це забезпечення найбільшвигідних основних енергетичних показників.
Врезонансних підсилювачах потужності, які працюють в граничному режимізахоплюють дві області характеристик6 активна і область обернених зміщенихпереходів(область відсікання).
Резонанснийпідсилювач потужності характеризується максимальною віддачею потужності внавантаження, коли динамічна характеристика перетинає лінію граничного режимупри максимальній напрузі на базі.
Вхідніданні№п/п Величина Параметр Номінал Розмірність 1. f Робоча частота 90 МГц 2.
Pн Потужність в навантаженні 0,15 Вт 3.
Ек Напруга живлення 12 В 4.
rф Хвильовий опір фідера 12 Ом 5.
Rвих Вихідний опір попередньго каскаду 75 Ом
Вихідні дані транзиттор КТ 805Б№п/п Величина Параметр Номінал Розмірність 1.
Sk Крутизна характеристики 0,3 А/В 2.
E¢б Напруга відсікання 0,2 В 3.
h21е Коефіцієнт передачі струму 20 4.
b0
Низькочастотне значення h21е 20 5.
Ск Ємність колекторного переходу 4,1 пФ 6.
fгр Гранична частота транзистора 20 МГц 7.
Се Ємність емітерного переходу 20 пФ 8.
tк Постійна часу кола оберненого зв`язку 22 пс 9.
Uкб мах Максимальна напруга колектор – база 5 В 10.
Uеб мах Максимальна напруга емітер – база 5 В 11.
Iк мах Максимальний постійний струм колектора 5 мА 12.
Pк мах Розсію вальна потужність 3 Вт 13.
Uке мах Максимальна напруга колектор – емітер 135 В 14.
tп Максимальна температура навколишнього середовища 120 °С 15.
Rпс Загальний тепловий опір транзистора 30 °С/Вт 16
Lб=Lе=Lк Індуктивність виводів 3 нГн Вибір транзистора та схеми РПП
Задача гармонійного аналізу зводитьсядо визначення форми і спектру імпульсного струму при заданій формі напруги.Повний аналіз процесів і розрахунків підсилювача в нелінійному режимі нависоких частотах є доволі складним та громіздким. Тому робиться ряд доволісерйозних спрощень, що дозволяє приблизити методику розрахунку транзисторнихсхем до традиційних лампових.
Завихідні данні при аналізі і розрахунку приймаються довідникові дані (відомості)про граничні характеристики, частотні параметри і характеристики нелінійнихвластивостей транзистора.
Отже,в першу чергу нам необхідно вибрати транзистор. Вхідними даними для виборутранзистора є робоча частота f=90 МГц і потужність в навантажені, яку ми зарекомендаціями беремо в 1,1¸1,2 рази більше Р1=(1,1– 1,2)Рн, враховуючі можливі втрати на розсіювання. Отже Р1=0,18Вт
Користуючисьданими рекомендаціями і обмеженнями вибираємо транзистор великої потужності,середньої частоти КТ 805Б
Дляреалізації резонансного підсилювача потужності враховуючи рекомендації іобмеження, а також те, що транзистор великої потужності ми обираємо Н – схемуРПП з спільним емітером (дане включення дозволяє отримати більший коефіцієнтпотужності і меншу реакцію вхідного кола на вхідне)
Вольт – амперні характеристикитранзистора КТ 805Б/>
Ik
mA
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>/>/>/>/>/>/>/>
Uke, В
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
Uбе, В
/>
Розрахунокрезонансного підсилювача потужності
1. Визначимо ємність активної області колекторного переходу.
Ска=Ск/(1+Кс)= (/>)=1,36пФ
2. Визначимо ємність пасивної області колекторного переходу зврахуванням ємності між виводами колектора і бази.
Скп=Ск — Ска = (4,1-1,36)*10-12=2,74пФ
3. Так як tк=r¢б*Ска,знаходимо омічний опір бази.
r¢=/>=/>=16,09 Ом
4. Знаходимо омічний опір емітера
r¢=/>=/>=0,766Ом
Вибіркута відсіканняОцінемо можливість роботи транзистора знульовим зміщенням:1. Перша гармонікаколекторного струму в нульовому наближені. Ік0=/>=0,25*0,3*18(1- />)=0,217А
Х=/>=/>=0,296
2.Параметри нелінійної моделі транзистора при струмі ік ср=І0к1
а)Низькочастотне значення крутизни:
Sn=/>=/>=2,26А/В
б)Опір втрат рекомбінації
rb=b/Sn=20/2,26=8,85Ом
в)Низькочастотний коефіцієнт передачі по переходу
Кп=(1+Sn*r¢є+r¢б/rb)-1=(1+2,26*0,766+16,09/8,85)-1=0,219
г)Крутизна статичних характеристик колекторного струму
S=Kn*Sn=2,26*0,219=0,49А/В
д)Параметри інерційності
ns=f*S*r¢б/fт=/>=3,94
nb=/>=/>=10
nє=2pf*r¢б*Се=2*3,14*107*16,09*20-12=0,29
3.Обчислюємоузагальнений параметр інерційності та коефіцієнти розкладання
а=/>=/>=0,461
b1-1(q; а)=/>=/>=0,0101
Пографіку залежності коефіцієнтів розкладання b1-1 від кута відсіканняпри різних параметрах а знаходимо кут відсікання q =102°
Прицьому куті відсікання g1=0,631, a1=0,522, g1=1,47
Висотаімпульсу та перша гармоніка струму при q =102°
Прицьому куті відсікання cos102°= — 0,207
4.Висота імпульса та перша гармоніка струму при q=102°
Z=0,5*(/>/>)=0,5*(/>)=0.089
Ікмах=Sk*Ek*Z=0,3*18*0,089=0,48A
Ік1=a1*Ік мах=0,522*0,48=0,269А
Якбачимо І0к1»Ік, томурозрахунок продовжуємо
5. Максимум оберненої напруги на ємітерному переході.
Unmax=/>=/>=1,087В
Оскількивиконується умова Un maxРозрахунок колекторного ланцюга
6. Коливна напруга на колекторі
Uкє=/>=/>=12,16В
Ек+Uке18*12,16
7. Визначимо провідність навантаження
Gk=/>=/>=22,12мСм
8. Постійна складова колекторного струму і потужність яка використовуєтьсявід джерела живлення по колекторному ланцюгу.
Ік0=/>=/>=0,18А
Р0=Іко*Ек=0,18*18=3,24Вт
9. Потужність, яка розсіюється на конденсаторі
Рр.к=Р0 – Р1=3,24-1,8=1,44 Вт
10. Електронний ККД колекторного ланцюга
h=/>=/>=0,66
Зметою перевірки правильності розрахунків знаходимо коефіцієнт використанняколекторної напруги та електронний ККД колекторного ланцюга. Для цього знайдемокоефіцієнт використання колекторної напруги x
x=1 – Z 1 – 0,089=0,911
hе=0,5g1x=0,5*1,47*0,911=0,669
Як мибачимо hе іh майже однакові 11.Знаходимо Н – параметри
а)Вхідний опір в режимі малого сигналу, його дійсна та уявна частини:
dН11в=/>=/>=0,239
Н11в=r¢б+ r¢е+wт Lе+dН11в=0,766+16,09+20*106*3*10-9+0,239=17,13Ом
dН11м=dН11в*nb=0,239*10=2,39
dН11м=wт*Lе — />+dН11м=2*3,14*50*106*3*10-9–
— />= — 343, Ом
б)дійсна та уявна частини коефіцієнта оберненого зв`язку по напрузі в режимімалого сигналу
Н12в=- w*Ск*Н11м= — 2*3,14*50*106*4*10-12*(-343) = 0,43
Н12м=w*Ск(Н11в — rб), де rб1=/>
rб1=/>=0,23 Ом
Н12м=2*3,14*107*4*10-12(17,13-0,23)=0,0041
в)знаходимо фазу та модуль коефіцієнта оберненого зв`язку
j12=arctg(/>) =arctg(/>) =0°59¢
|H12|=/> =/>=0,241
г)знаходимо фазу та модуль коефіцієнта передачі
j12= — arctgnb= — arctg10= — 84°17¢
|H21|=n1*fT/f=/>=0,244
д)дійсна та уявна частини вихідної повної провідності
Н22в=wт *Ск* g1=2*3,14*20*106*4*10-12*0,611=319мкСм
Н22м=/>=/>=3,18*10-5 См
12. Складові добутку Н12 Н21:
а)модуль добутку Н12 Н21:
|Н12 Н21|=0,244*0,241=0,0588
б)фаза добутку Н12 Н21:
j= j12+j21=0°59¢-84°17¢= — 83°36¢
в)дійсна та уявна частини добутку Н12 Н21:
(Н12Н21)в = | Н12 Н21|*cosj=0,0969*cos(-81°02¢) =0,015
(Н12Н21)m=| Н12 Н21|*sinj=0,0969*sin(-81°02¢) = — 0,0953
13. Складова вихідного опору і уявна частина провідності навантаження.
Rвх=Н11в — />=17,13 — /> =16,42 Ом
Хвн= Н11м — /> = — 291 — /> =-286,75
14. Коефіцієнт підсилення потужності
Кр=/>=/>=4,31
15. Потужність збудження і амплітуда вхідного струму:
Рб1=Р1/Кр=1,8/4,31=0,418Вт
Іб1=/>=/>=0,226 А
16. Сумарна потужність розсіювання та загальний ККД каскаду:
Рроз=Рр.к+Рб1=1,44+0,418=1,858Вт
РрозРк мах=/>; 1,858 />=5 Вт
hзаг= />=/>=0,53hт
Коефіцієнткорисної дії трансформатора знаходиться при розрахунку ланцюга зв`язку знавантаженням.
Колекторнийланцюг зв`язку. Розрахуємо П – трансформатор з додатковим фільтром (мал. 1)
R1=1/Gk=1/22,12*10-3=45,2Ом
R2=Rф= 200 Ом
Df=0,4МГц
Qå=Q1+Q2+Qф»f/(2Df)»/>=25
НехайQ1=6. Тоді
Q2=/>=/>=12,75
Qф=Q å— (Q1+Q2)=25 – (12,75+6)=6,25
С3=/>=/>=2113 Пф
С4=/>=/>=1015 Пф
L2=/>=/>=3,64*10-7Гн
Lф=/>=/>=1,2*10-7 Гн
Сф=/>=/>=2309,4 пФ
При Qx.x=100ККД трансформатора
hт=/>=/>=0,8
Базовийланцюг зв`язку. Вякості вхідного ланцюга зв`язку візьмемо Т –трансформатор (мал. 2)
/>
R1=Rвих=90Ом
R2=Rвх=16,42Ом
Длятого, щоб забезпечити режим збудження транзистора від джерела гармонічногоструму необхідно, щоб виконувалась умова
Q22>/> — 1; Q22>5,48
Томуберемо Q2=15
Q1=/>=/>=6,34
L1=/>=/>=3,92 мкГн
С1=/>=/>=27,9 пФ
С2=/>=/>=37,16 пФ
19.Розрахунок додаткової індуктивності в колекторному та базовому ланцюгах.
Lдр1=/>=/>=14,3 мкГн
Lдр2=/>=/>=7,1 мкГнСпецифікація
КонденсаториПозначення Тип елементу кількість примітка С1 К10-17-50-30 пФ ± 5% 1 С2 К10-17-50-40 пФ ± 5% 1 С3 К10-17-50-2113 пФ ± 5% 1 С4 К10-17-50-1015 пФ ± 5% 1
Котушки індуктивностіL1 4 мкГн 1 L2 37 мкГн 1
Дроселі
Lдр1 15 мкГн 1
Lдр2 8 мкГн 1
ТранзисторVT1 КТ-805Б 1
Висновки
Вданій курсовій роботі було розраховано резонансний підсилювач потужності натранзисторі. За значенням граничної частоти та максимальної потужності булообрано транзистор КТ-805Б. Була застосована Н — схема резонансного підсилювачапотужності зі спільним емітером та паралельним живленням колекторного кола.
Вході розрахунків отримано:
-загальнийкоефіціэнт корисної дії каскаду hзаг=0,42
-коефіцієнтпідсилення потужності Кр=4,31
-кутвідсікання колекторного струму Ðq=102°
Розрахованийрезонансний підсилювач потужності працює у граничному режимі роботи. Отже,будуть реалізовані найкращі енергетичні показники.
Вякості базового та колекторного кіл було обрано n-транзистори. При розрахункуотримали номінали елементів, що входять до складу резонансного підсилювачапотужності. Вони представлені в специфікаціі.
Розрахованасхема має достатній коефіцієнт підсилення та корисної дії і являєтьсявисокочастотною, що визначає її використання у військовій техніці зв’язку.
Література
1. Терещук М.Т. Полупроводниковые приемо-уселительные устройства. –К.: научная мысль, 1989,- 672с.
2. лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам.-К.:Научная мысль, 1984,- 424с.
3. Богачев В.М., Никифоров В.В. Транзисторные уселители мощности.-М.:Энергия, 1978,-344с.
4. Теплов Н.Л. Нелинейные радиотехническиеустройства.-Л.: ВКАС,1972,-353с.
5. Хопов В.Б. и др. Военная техника радиосвязи.-М.: Военноеиздательство,1982,-440с.