Електрониката е наука за управление на потока от електрони в системите за управление на енергията или за предаване на информация

Вакуумната радиолампа сложи началото на развитието на развитието на електрониката; транзисторът разшири много нейните възможности. Сега електрониката се изправя пред нова революция – микроминиатюризацията – едно изключително рязко намаляване на физичния обем на системите. Характерна черта на микроелектронните устройства са техните малки размери . Този факт допринесе микроелектрониката да навлезе във всички области, където изискванията за добри технически характеристики трябва да се съчетаят с минимални обеми при изработката. Най-масовото приложение в което микроелектрониката стана необходимост е тази на бързодействуващите цифрови изчислителни машини. При работата на такива цифрови апаратури като съвременните изчислителни машини е необходимо да се предават сигнали под формата на електрически импулси от една част на системата в друга. Времето , което е необходимо, за да премине един електрически

сигнал през един елемент на изчислителната машина се нарича време на разпространението. Съвременните изчислителни машини изискват такова бързодействие, че времето на разпространението се измерва във наносекунди. Една наносекунда е толкова малък интервал от време , че даже, разпространявайки се със скоростта на светлината – 300000 км/с , електрическият сигнал за една секунда би изминал само 30 сантиметра. Съвременната електроника e достигнала такова равнище , при което намаляването на линейните размери на елементите е необходимо, за да се намалява времето на разпространение на сигналите в системата.

Професионална гимназия по електроника“Джон Атанасов”

град Стара Загора

Курсов проект по процеси и схеми в

Радиоелектрониката

Тема:Проектиране на крайно стъпало на безтрансформаторен усилвател по мощност

Проверил:.................... Изготвил:

(М.Бакоева)

Задание

Pизх. = 50 w

Еc = 12V

Mн. = Мв. = 1 db

Усилването на електрически сигнали е основен процес в радио - електрониката, тъй като сигналите от източниците са слаби и не могат да използвуват непосредствено. Така например сигналът от антената на радиоприемника е съв – сем недостатъчен за задейст- ване на високоговорителя, токът на входа електронния волтметър се усилва, за да отклони стрелката на уреда и т.н.

За усилването на електрически сигнали е характерно следното:

• 
  изходната мощност е по – голяма от входната за сметка на захранващия източник.
  
• 
  изходния и входния сигнал трябва да са еднакви по форма, за да се запази информацията, която се съдържа в тях.
  
• 
  отношението на изходния и входния сигнал трябва да е не - зависимо от честотата.
  

• 
  В зависимост от вида на сигнала усолватвлите се делят на:
  

- усилватели на импулсни сигнали

• 
  В зависимост от големината на сигнала усилвателите се делят на:
  

- крайноусилвателни стъпала – КУС

• 
  В зависимост от вида на активните елементи на:
  

- трнзисторни

- интегрални

• 
  В зависимост от броя на усилвателните стъпала:
  

- многостъпални – на базата на повече от едно усилвателно стъпало

• 
  В зависимост от връзката между отделните усилвателни стъпала
  

- трансформаторна

- R,C връзка

• 
  В зависимост от честотата на усилваните сигнали
  

- нискочестотни усилватели – НЧУ усилват звукови сигнали от 20Hz 20KHz като f1/f21, където f1 и f2 са съответно най – нис – ката и най – високата честота

- високочестотни усилватели – високо честотните усилватели са предназначени за сигнали, чиито спектър е групиран около една централна честота, тези усилватели се наричат още резонаторни
Основни електрически параметри на усилвателите

Свойствата на усилвателите се оценяват количествено чрез основните им показатели, които са необходими при разработва - нето и комлектоването на апаратурите. Основните показатели на усилвателите са:

• 
  Коефицент на усилване – това е количествена оценка за усилването, т.е. доколко изходния сигнал е по – силен от входния. Коефицентът на усилване може да характеризира усилването на напрежението (Кu) , токът (Ki) и мощноста (Kp). Най – често се използва – Ku.
  

Uизх. Uизх. m

Ku = =

Uвх. Uвх.m
По същия начин се изчисляват Ki и Kp т.е.

Iизх. Iизх.m

Ki = =

Iвх. Iвх.m
Pизх. Uизх. Iизх.

Kp = =

Pвх. Uвх. Iвх.

От тук можем да запишем, че Kp = Ku . Ki ; Винаги Kp 1 – защото ако Kp 1 самото устройство не е усилвател.

• 
  Честотна, фазова и преходна характеристика – коефицентът на усилване зависи честотата, тъй като усилвателя съдържа реактивни елементи. Прието е функциите K(f) и (f) да се наричат съответно честотна и фазова характеристика.
  

K

Фиг. 2 в

От фигура 1 се вижда, че честотната характеристика е равномерна за един голям участък, за който К = Ко = const. Това са средните честоти, за ниските и високите честоти съответно

К = Кн и К = Кв. Неравномерноса на честотната характеристика е признак на за честотни изкривявания, които се оценяват с коефицент на честотни изкривявания(М).

М =

К
“К” е коефицент на усилване при честотата, за която се опреде – лят изкривяванията. Обикновено М се изразява в децибели (db).

Усилвателят може да предизвика фазови изкривявания, които се дължат на обстоятелството, че времето на закъснение на съставките с различни честоти не е еднакво.

• 
  Нелинейни изкривявания – при усилването формата на входния и изходния сигнал може да не е една и съща, тъй като усил – вателните елементи и трансформаторите с феромагнитно ядро имат нелинейни характеристики и внасят изкривявания, коити се наричат нелинейни.
  

Uвх.

Идеален

усилвател

t t

Uвх. Uизх.

Реален

усилватвл

t t

• 
  Амплитудно – честотни характеристики и динамичен обхват на усилвателите.
  

• 
  Амплитудна характеристика на усилвателя е зависимоста на изходното от входното напрежение.
  
• 
  Динамичен обхват – определя се с отношението на Uвх.min и Uвх.max и обикновено се изразява в децибели:
  

Uвх.max

• 
  Собствени смущения на усилвателя – дължат се на напреже – нията, които се прехвърлят чрез паразитни връзки, на недоста – тъчното филтриране в захранването и на шумовете в градивните елементи (транзистори, резистори, кондензатори, и др.). Тяхното ниво трябва да е много по – ниско от нивото на нормалния сиг – нал.
  

• 
  Входни и изходни данни
  

• 
  входното и изходното съпротивление на усилвателя са от значение при свързването му с източника на сигнал и с товара.
  
• 
  номинална мощност – максималната изходна мощност, при която се повишават допустимите нелинейни изкривявания.
  
• 
  чувствителност – минималното входно напрежение, при което се получава номинална мощност, определя чувствителността на усилвателя.
  

• 
  Коефицентът на полезно действие (К.П.Д.) – чрез този пока – зател се изразява количествено оползотворената енергия от из – точника за захранване в сигнал.
  

• 
  К.П.Д. на изходната верига е отношение на изходната мощ – ност на сигнала Pизх. към консумираната мощност P0 от зах – ранващия източник във веригата
  

P0

• 
  Променлив коефицент на полезно действие е отношението на изходната мощност на усилвателя Pизх. към сушата от мощ – ностите, консумирани от всички източници захранване
  

P01 + P02 + … P04

• 
  Стабилност на усилвателя – оценява се с относителната нес – табилност в проценти съгласно зависимостта
  

К

където К е изменението на коефицента на усилване независимо от причините

• 
  неговата стойност преди изменението
  

вземе под внимание времето за протичане на изходния ток при въздействие на синусоиден сигнал.

• 
  Режим клас A
  

IB Ic

T

При режим клас А работната точка се разполага между положе – ние 1 и 2 така че изходния ток да протича през целия период на сигнала.При режим клас А се внасят малки нелинейни изкривя – ванияпри слаб сигнал.Този режим на работа не е подходящ за мощни усилватели, защото К.П.Д е твърде нисък 3540.

• 
  Режим клас Б
  

IB Ic

• 
  Режим клас АБ
  

t
Самото название подсказва, че този режим притежава особеностите на режим клас А и режим клас Б. Работната точка се намира върху характеристиката между началото на входната характеристика и средата; ъгълът на отсечка е 120. Благодарение на това се получава голям К.П.Д. 5060 %. Колекторния ток на покой има малки стой – ности, ако на входа се подаде синусуидален сигнал на изхода се получава сигнал малко по – голям от входния. Режим клас АБ се прилага ограничено в някои усилватели за звуковъзпроизвеждане и в резонансните усилватели със синусуидално предназначение.

• 
  Схема общ емитер – ОЕ
  

KU 1; KI 1 ; Kp 1

• 
  Схема общ колектор – ОК
  

NPN транзистор PNP транзистор

KI1; KU 1; Kp 1

• 
  Схема обща база – ОБ
  

Ku1; Кi 1; Kp 1

ОВ – връщане на част от изходния сигнал на входа на усилвателите. Чрез обратните връзки се предават измененията на тока и напре – жението в посока от изхода към входа на усилвателя.Благодарение на тях се стабилизират режимът и усилването и се подобряват пока- зателите.Това се постига само при правилен подбор на схемата и елементите на ОВ.

ОВ
локова схема

• 
  Видове обратни връзки
  

• 
  ОВ по ток – съпротивлението R е много по - малко от товар – ното съпротивление Rт.По този начин изходния ток не зависи от R, а сигналът, който се връща на входа , е пропорционален на Iизх.
  

К

ОВ

R

• 
  ОВ по напрежение – усилвателят е означен с К, а веригата за ОВ - с ОВ . Сигналът, който се връща от изхода към входа на усилвателя е пропорционален на изходното напрежение.
  

К
Uизх

2. По отношение на усилвателя

• 
  Последователна ОВ – при тази схема двата извода на веригата за ОВ са свързани последователно с източника на сигнала и входа на усилвателя.
  

К

ОВ

Uвх

Uов

• 
  Паралелна ОВ – при тази схема изводите на веригата за ОВ се вклячват паралелно на източника на сигнала и входа на усилвателя .
  

К

ОВ

Uвх

3. В зависимост между отношението на Uов и Uвх

• 
  Положителна обратна връзка – ПОВ - когато върнатото изменение увеличава входното, Uов и Uвх съвпадат по фаза.
  
• 
  Отрицателна обратна връзка – ООВ – сигналът, който се връща на входа Uов и Uвх са дефазирани на 180.В усил – вателните устройства най – често се използва ООВ.
  

Кu 1

Кu 2

Кu 3

• 
  Влияние на обратните връзки върху параметрите на усилвателя.
  

2.ОВ подобряват температурната стабилност на схемата.

3. ОВ подобряват нелинейните изкривявания.

4. ОВ влияят върху големината на “К”, при ООВ.

Обикновенно безтрансформаторните усилватели на мощност имат крайни стъпала с голям коефицент на усилване по мощност, но коефицентът на усилване по напрежение пред крайното стъпало се свързват допълнителни стъпала , които осигуряват необходимото усилване по по напрежение, като изпълняват и други важни функции.Тези стъпала често се свързват галванично по между си, поради което изчисляването на постояннотоковият им режим не може да се извърши самостоятелно.Необходимо е да се направи последователно изчисляване на цялостното устройство, което често има доста сложна схема.

Транзисторите Т1 са комплементарни мощни транзистори които обикновено имат коефицент на усилване по ток до 100.от друга страна , транзисторите на предусилвателя , които са маломощни могат ,могат да отдадат ток до няколко милиампера и следователно токът през товара ще достигне до няколко стотици милиампера. При товарни съпротивления от порядъка на няколко ома или няколко десетки ома това съответствува на мощности от порядъка на няколко стотици миливата или няколко вата. При по-големи мощности усилване по ток се осигурява чрез свързването на допълнителните транзистори Т2 по схема на Дарлингтон.

Крайните транзистори работят в режим АB, за да се избягнат нелинейните изкривявания, породени при работа в началните области на проходните характеристики на транзисторите. Началният колекторен ток обаче трябва да бъде незначителен в сравнение с максималния колекторен ток, за да се постигнат големи стойности на коефицента на полезно действие, които са характерни за режим B. Необходимото преднапрежение за крайните транзистори се осигурява от двойките диоди Д2 , върху които има напрежителен пад от около 2,8 V. Това напрежение се разпределя върху емитерните преходи на транзисторите Т1 и Т2 и върху резисторите R1, така че на емитерните преходи на Т1 e приложено напрежение, което е по-малко от 0,6 V и при което протича незначителен колекторен ток. При постоянно напрежение на емитерния преход с повишаване на температурата началният колекторен ток започва да расте, което може да доведе до по-нататъшно загряване на крайните транзистори и като краен резултат – до повредата им. Това изменение се компенсира частично от намалението на напрежителният пад върху диодите Д2 , но те не се загряват по същият начин, както колекторните преходи на крайните транзистори, дори и да са монтирани на корпусите на последните. Постоянство на началният колекторен ток се поддържа значително по-ефективно посредством отрицателна обратна връзка по ток, която се създава от резисторите R1 . За да се избегне загубата на мощност върху тях, се използуват паралелно свързаните диоди Д1 , които при липса на входен сигнал са запушени, но при протичане на определен изходен ток, когато падът върху R1 стане достатъчно голям, се отпушват и шунтират R1 . Tака загубата на напрежение върху тези резистори е само около 0,7 V .
При липса на входен сигнал базовите токове на Т1 са незначителни и за осигуряване на нормален начален колекторен ток на T2 се свързва резисторът R6 .

Върху Т2 е приложено почти същото колекторно напрежение, както върху T1, но колекторният им ток е с толкова по малък от този на Т1, колкото е коефицентът на усилване по ток на крайните транзистори. Толкова по-малка е и загубата на мощност на Т2 в сравнение с тази на Т1.

Ако базовите вериги на Т2 се захранваха от токоизточниците през резистори, тези резистори биха натоварвали значително предусилвателя и биха намалявали общият коефицент на усилване по ток

Изчислителна част

1.Изчисляване амплитудата на напрежението върху товара:

4. Изчисляваме максималната загубна мощност, разсейвана в крайните транзистори (Pc1 или Pcmax).В режим Б тази мощност възлиза на 0,1 / Rт.При работа в режим АБ към нея се добавят загубите от протичането на началния колекторен ток = (0,010,05) = 0,05 . 3,6 = 0,18 А.Приемаме = 0,09 А.

4. Изчисляваме максималната загубна мощност, разсейвана в крайните транзистори (Pc1 или Pcmax).В режим Б тази мощност възлиза на 0,1 / Rт.При работа в режим АБ към нея се добавят загубите от протичането на началния колекторен ток = (0,010,05) = 0,05 . 3,6 = 0,18 А.Приемаме = 0,09 А.

5.Изчисляваме съпротивлението на резисторите R1 и R1`.Те се изсисляват по следната формула:

Тогава ,a = 28 + 2 + 0,7 +0,7 + 1 + 2,3 =34V

• 
  Върху транзистора, който не усилва в даден полупериод, се прилага максимално напрежение .За сигурност се приема .
  
• 
  При претоварване колекторния ток наТ1 може да нарастне, преди да е задействувала защитата , тъй като времето на превключване на мощните транзистори е относително голямо.Затова е необходим известен резерв и се приема,че
  
• 
  , както изчислихме в точка 4.
  
• 
  Честотата на преминаване fт на мощните транзистори трябва да бъде значително по висока (например десет пъти ) от максималната честота на усилвания сигнал.Ако тези две честоти са близки една до друга, е възможно поради крайното време на превключване едновременно да се отпушат и двата крайни транзистора, което ще доведе до повреждането им .Това може да се случи и при обхващане на усилвателя с обратна връзка, ако той се самовъзбуди на честота близка до fт .За това е нужно да се осигури устойчива работа на усилвателите с обратна връзка.