2. Выбор, обоснование и расчет электрической схемы усилителя мощности.

Бес трансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном рабочих частот, меньшими габаритами размерами и массой. Недостатки этих каскадов – меньшие выходные мощности и коэффициенты усиления по мощности и большой уровень нелинейных искажений, если не применяется отрицательная обратная связь. В бес трансформаторных схемах легко осуществить непосредственную связь между каскадами, при которых число элементов уменьшается и стабилизируется режим работы по постоянному току.

Бес трансформаторные двухтактные выходные каскады, реализованные на комплиментарных транзисторах, управляются однофазным напряжением и имеют предельно простые схемы. Схема такого усилителя приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. электрическая схема выходного каскада.

При выборе транзисторов для оконечного каскада воспользуемся неравенством

где P_Kmax – максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора.

Определим максимальное значение коллектора тока транзистора:

Граничная частота коэффициента передачи тока транзистора должна в 5 раз превышать рабочую частоту

Выбираем транзисторы с P_Rmax=50 Вт, с использованием тепло отвода в виде радиатора с возможным охлаждением м помощью вентилятора, U_Kmax=25В,

f_гр=30кГц, I_Kmax=10А

Напряжение источника питания с учетом максимального КПД для двухтактной схемы, работающей в режиме В

где U_нас – напряжение насыщения коллектора – эмиттера, для транзистор равное 1,0В.

напряжение на выходе оконечного каскада при максимальной выходной мощности

Используя выходные характеристики транзистора проводим нагрузочную прямую через точки Uкэ=E_П/2=15В и IК=E_П/2*R_H=3,7

I_б0=3,2А, U_бэ0=3,8В

Определим параметры элементов смещения транзисторов VT1, VT2, R1, R2, VD1, VD2- для выбранных I_б0 и U_бэ0.

Выберем в качестве VD1, VD2 кремневые диоды. Из ВАХ диода следует, что для обеспечения напряжения на нем U_бэ0=3,8В ток через диод должен быть 1,6мА. При этом выполняется условие I_д=(0,2-0,3)I_б0.

Найдем теперь сопротивление R1 и R2 по формуле

R1=R2=6,776кОм

Выберем по ГОСТу резисторы с номиналом 10 кОм.

Определим глубину обратной связи в данном каскаде. Для этого воспользуемся расчетной формулой F=1+g₂₁*R_H, где g₂₁=I_км/U_бэм – усредненная крутизна характеристики транзистора. Итак, глубина обратной связи F=1+1.87/0.9*4

Входное сопротивление каскада Rвх=F*R_д/(F+g11*R_Д), где g₁₁=Iбм/Uбэм – усредненная входная проводимость транзистора, определяемая по его входной характеристике; R_Д=R1/2=5кОм – сопротивление делителя по переменному току.

Коэффициент усиления оконечного каскада по напряжению

Необходимое для обеспечения требуемой мощности напряжения на входе оконечного усилителя равно Umвв=Uмввы/Кум=14,1/0,878=16,106В. Соответственно, входной ток усилителя мощности равен Iмвв=Uмвв/Rвх=14,1/157=103мА

Емкость разделительных конденсаторов найдем из условия обеспечения заданных частотных искажений на нижней граничной частоте. На усилитель мощности приходится 1.5дБ частотных искажений. Допустим, что частотные искажения распределяются между входной и выходной цепью усилителя по 0,75 дБ, или М=0,917.

В соответствии с ГОСТом выбираем значение С_p2=1000мкф

Здесь =1/Rвх=1/155=6мСм, =1/Rпу=1/10=0,1См –выходная проводимость предварительного усилителя.

=110мкФ

Выбираем по ГОСТу ближайшее большее значение =150мкФ.

Оценим нелинейные искажения по второй гармонике выходного напряжения. Для транзисторов можно определить коэффициент асимметрии плеч равным 0,3. Тогда коэффициент гармоник без учета ООС будет

C учетом действия ООС коэффициента гармоник будет равен кг=6,5/8,2=0,795%, что не превышает заданного по ТЗ уровня.