Шишлаков В.Ф. Проектирование электронных усилительных устройств систем автоматического управления

Подождите немного. Документ загружается.

Потери мощности в каскаде определяются следующим образом:

= P

закр

+ P

откр

где P

закр

= 2U

ИП

к.закр

– потери мощности в закрытом плече каскада;

откр

= P

вх

+ P

к.э

– потери мощности в открытом плече каскада.

Здесь:

бэ.нас н

вх вх ИП ип

PiU U

== −

потери во входной цепи;

эн

=−

потери на эмиттерном сопротивлении;

кэ н кэ н ИП н н

(

PIUIU IR

== −−

)

−

– потери на открытом транзисторе.

Тогда общие потери мощности в каскаде

()

бэ.нас н

ээ

пИПк.закр ИПн нИПнн н

бэ.нас н

ИП к.закр ИП н ИП н н

PUi U I IU IR I

RN N

Ui U IU IR



=+ ++−−=





=+ +−

а коэффициент полезного действия каскада как функция R

ннн

нп

бэ.нас н

ИП к.закр ИП н ИП

бэ.нас э

к.закр

ИП

нн б

PUI

Ui U IU

UI R

== =







(2.21)

Пример. Проведем расчет термостабилизирующего резистора выход-

ного каскада, показанного на рис. 2.8. Для определения R

в соответ-

ствии с соотношениями (2.20) и (2.21) построим зависимости i

к.закр

)

и η(i

к.закр

), R

) для следующих исходных данных: транзисторы VT

марки КТ816А (КТ817А); R

э.ур

= 2 Ом; I

кб0

= 0,1 мА; I

э0

= 0,05 мА;

п.доп

150 СТ



; m = 2; β = 40;

бэ.нас

б.нас

5Ом

; U

= 7 В; I

= 2 А;

ИП

= 9 В.

Определяем температурный потенциал

(

)

()

0,026 273

0,026 0,8 150 273

0,03487

293 293

KT +

⋅+

ϕ= = =



а затем, подставляя исходные данные в (2.19) и (2.20), получаем функ-

циональные зависимости i

к.закр

) и η(i

к.закр

), R

)

()

к.закр к.закр

к.закр

348,73ln 10 1 5 10 1

2,5

1 121,95

++⋅ −

=−

−

где аргумент функции изменяется в пределах:

к.закр

,2 10

А8,210Аi

−−

⋅≤≤⋅

;

к.закр

η.

91,75







рказ.к

Ам, R

мО,

12,084,2040477,0

05,045,4663577,0

57,010,2285577,0

00,187,4787577,0

00,228,31413577,0

00,374,80917477,0

00,420,46521477,0

00,568,47535377,0

00,610,55459277,0

Зависимости i

к.закр

) и

ηη

η(i

к.закр

), R

)

Таблица 2.4

Результаты расчетов сведены в табл. 2.4 и представлены в виде гра-

фиков на рис. 2.10, где кривая 1 – i

к.закр

); кривая 2 – η(i

к.закр

), R

Также на рис. 2.10 показано ограничение по предельно допустимому

значению R

, которое может быть включено в цепь базы транзистора

соответствующего типа (из паспортных данных транзистора).

Как видно из рис. 2.10, функция

()

к.закр б б

iRR

имеет экстремум при

= 874,78 Ом, который находится левее R

б max доп

. Следовательно, данное

значение является оптимальным. Если бы экстремум функции

()

к.закр б б

iRR

находился правее R

б max доп

, то в качестве оптимального

следовало принять R

= R

б max доп

кОм

бопт

мА

023456

0,772

0,773

0,774

0,775

0,776

0,777

к.закр

max

бmaxдоп

Рис .2.10

3. РАСЧЕТ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ УСИЛЕНИЯ

3.1. Выбор транзисторов предварительных каскадов усиления

Выходная цепь каждого последующего каскада многокаскадного уси-

лителя мощности является нагрузкой предыдущего, что иллюстрирует-

ся структурой усилителя, показанной на рис. 3.1, где приняты следую-

щие обозначения: ОУ – операционный усилитель; УК

, …, УК

– каскады

предварительного усиления; УМ – усилитель мощности (оконечный кас-

кад усиления).

Таким образом, для расчета каждого предыдущего каскада необходи-

мо знать параметры последующего, а именно:

максимальное значение входного тока каскада следующего за рас-

считываемым, который для последнего является током нагрузки;

входное сопротивление каскада следующего за рассчитываемым, ко-

торое для последнего является сопротивлением нагрузки.

Обычно все каскады многокаскадного усилителя запитываются от

одного источника питания, следовательно, выбор транзисторов всех

каскадов усиления должен производиться с учетом обязательного вы-

полнения условия

кэmax доп з ИП

KU≥

в случае двухтактных схем при симметричном источнике питания.

Кроме того, как показано в разд. 2, транзисторы должны удовлетво-

рять условиям (2.6). При этом для проверки требования к максимально

н1

= R

вх1

УК1 УК2

ОУ

УМ

...

н2

= R

вх2

= R

вхУМ

выxУМ

> I

выxОУ

> I

н1

= I

вx1

выxУК1

> I

н2

= I

вx2

выxУК2

> I

i–

= I

вx

–1

выxУКi–1

> I

= I

вx

Рис. 3.1

допустимым значениям тока можно использовать приближенное значе-

ние тока нагрузки (входного тока последующего каскада), который в

основном определяется максимальным значением тока базы последую-

щего каскада. В результате

кmax

кmaxдоп

min

≥

где N – число параллельно включенных транзисторов в одном плече

каскада усиления, следующего за рассчитываемым;

кmaxi

min

– мак-

симальное значение тока и минимальное значение коэффициента пере-

дачи тока транзистора i-го каскада усиления.

Если же в ходе расчетов ток нагрузки очередного каскада окажется

меньше, чем допустимый ток нагрузки операционного усилителя, кото-

рый предполагается использовать в качестве предварительного усили-

теля-сумматора, то необходимость во включении промежуточных кас-

кадов усиления, построенных на транзисторах, отпадает, и компоновка

принципиальной электрической схемы всего усилительного устройства

на этом завершается.

Сопротивлением нагрузки (i-1)-го каскада является входное сопро-

тивление i-го каскада, величина которого зависит от схемы соответ-

ствующего каскада усиления.

Так для оконечного каскада усиления входное сопротивление опре-

деляется в соответствии со схемой, изображенной на рис. 2.7. В этом

случае эквивалентная расчетная схема будет иметь вид, показанный на

рис. 3.2, тогда входное сопротивление

вх н

бвх э1вх э2 вх э

11 1 1

... ,

VT VT VT n

RR R R R R R

−



=+ + ++ +



++ +



где R

вхVT

– входное сопротивление транзистора.

Поскольку при параллельном включении все транзисторы одного

плеча имеют одинаковые входные сопротивления, а в эмиттерные цепи

включаются одинаковые уравнительные резисторы, то

()

бвх э

вх н н

бвхэ бвхэ

VT VT

RR R

RRR

RR R NRR R

−



=+ += +



+++



где N – число параллельно включенных транзисторов.

Пример. Допустим, что мощный каскад рассчитан, как это сделано в

предыдущих примерах. При этом полагаем, что I

нmax

= 2,4 А; R

= 3,5 Ом;

= 2,0 Ом; R

= 874 Ом. В параллель включены два транзистора КТ816А

(КТ817А), входное сопротивление которых R

вхVT

= 5 Ом. Тогда ток нагруз-

ки каскада предварительного усиления

нmax

кmaxдоп

min

2,4

0,12 А,

β20

I ≥==

а входное сопротивление

() ()

бвх э

вх н

бвх э

874 5 2

3,5 6,986 7 Ом.

2874 5 2

RR R

NR R R

=+=+=≈

++ ⋅++

Максимальное значение мощности, рассеиваемой на коллекторе тран-

зистора:

к max н max к max вх

0,3 0,3 0,3 0,12 7 0,03 Вт.PPIR

== =⋅⋅=

Значение

кэmax доп

21В

≥

получено в предыдущих расчетах. Тог-

да, исходя из условий (2.6), выбираем комплиментарную пару транзи-

сторов, например КТ502Б и КТ503Б, параметры которых приведены в

табл. 3.1.

вх

ИП

э1

э2

вх

Рис. 3.2

вх

3.2. Расчет сопротивлений резисторов промежуточных

каскадов усиления

Схемные решения промежуточных каскадов зависят от схемы вклю-

чения выходного (мощного) каскада (схема с общим эмиттером или схе-

ма с общим коллектором), а также от числа каскадов, расположенных

между операционным усилителем-сумматором и оконечным каскадом.

Рассмотрим типовые варианты построения промежуточных каска-

дов, расчет резисторов которых ведется графо-аналитически построе-

ыртемараПацинидЕ

яинеремзи

питиворотсизнартикраМ

итсомидоворпхи

Б205ТК

p-n-p

Б305ТК

n-p-n

......

под.эк

В0404

сан.эк

ирп( I

;Ам01= I

)Ам1=

В6,06,0

под.эб

В55

сан.эб

ирп( I

;Ам01= I

)Ам1=

В8,08,0

под.к

А51,051,0

под.б

А1,01,0

0б.к

Ам100,0100,0

0э

Ам––

под.к

тВ53,053,0

nim

–0808

xam

–042042

тВ/С°––

С°051051

рг

цГк00050005

мс

858,0858,0

m г3,03,0

пк

кс

п. доп

Таблица 3.1

Паспортные данные транзистора

нием области допустимых значений, ограниченной прямыми, соответ-

ствующим условиям:

достаточности входного напряжения;

ограничения тока базы транзистора максимально допустимым значе-

нием;

требуемого входного сопротивления каскада;

обеспечения требуемой термостабильности;

обеспечения требуемого тока нагрузки;

ограничения максимально допустимого значения обратного напря-

жения база–эмиттер.

Вариант 1

Схема усилительного каскада показана на рис. 3.3, где R

нi

– входное

сопротивление следующего каскада усиления; А и В – точки подключе-

ния следующего каскада, а эквивалентная расчетная схема одного пле-

ча показана на рис. 3.4.

1. Условие достаточности входного напряжения определяем исходя

из предположения, что транзистор находится в состоянии насыщения,

тогда:

()

вх max б б б.э н э з

IR U I R K

≥++

(3.1)

где K

зU

= 1,1...1,3 – коэффициент запаса по напряжению; U

вх max

= U

вых ОУmax

напряжение на входе усилительного каскада, соответству-

ющее напряжению выхода операционного усилителя (из паспортных дан-

ных); U

бэ

= U

бэ.нас

= 0,5...1 В (при отсутствии справочных данных);

min

I =

здесь I

нi

ток нагрузки усилительного каскада, соответствующий входному

току следующего каскада усиления, определенному в предыдущих расчетах.

Из соотношения (3.1) следует функциональная зависимость R

= R

)

выхОУmax

бэ.нас

бэmin

β.



−



≤−





(3.2)

2. Условие ограничения тока базы транзистора допустимым значе-

нием следует из соотношения

вх max б б бэ.нас э max э

UIRUIR

=+ +

(3.3)

где I

эmax

= I

нi

, здесь K

зi

= 1,1...1,3 – коэффициент запаса по току.

Тогда из (3.3) получаем

вых ОУmax бэ.нас н з э

бз з б.доп

UUIKR

IK K I

−−

=≤

(3.4)

где I

б.доп

– максимально допустимое значение тока базы (из паспортных

данных транзистора).

ИП

э1

вн

–U

ИП

э1

э2

Рис. 3.3

Из соотношения (3.4) следует функциональная зависимость

= R

)

вых ОУmax бэ.нас з н э

б.доп

UUKIR

−−

≥

(3.5)

3. Условие требуемого входного сопротивления каскада получаем из

соотношения

вх б б бэ э э

UIRUIR

=++

представив его в виде

вх бэ э

бэ

ббб

III

=+ +

(3.6)

где

вх

=−

входное сопротивление каскада;

бэ

вх

=−

входное

сопротивление транзистора, определяемое по входной характеристике

ИП

вх

э1

э2

вн

= U

вых

Рис. 3.4