Усилитель мощности

Обеспечить требуемое  напряжение смещения с помощью фиксированного смещения нецелесообразно, поскольку  изменение входной мощности приведет к отклонению режима работы транзистора  по постоянному току от оптимального.

Для стабилизации режима работы транзистора применяют комбинированное  смещение, при этом к базе транзистора  необходимо подвести  постоянное напряжение отсечки u_отс и обеспечить автосмещение U_авт = γ₀( π – θ) ∙ Q_y1 / C_э.

 

Рассчитаем требуемое  сопротивление автосмещения и элементов схемы смещения

R_см =

,

так как θ = 90˚  формула приимет вид

R_см = R_з =

,

где τ_β –постоянная времени на частоте ω_β (частота, на которой модуль коэффициента усиления тока в динамическом режиме уменьшается в √2 раз по сравнению со статическим режимом. ω_β находится по формуле ω_β = ω_гр / B , где В – средний коэффициент усиления тока) и находится по формуле                             τ_β = 1 / ω_β = 1 / 2 ∙ π ∙ 5 ∙ 10⁶ = 31.8 нс.

   R_см = 13.8 Ом.

Применяя схему смещения, приведенную                                                                   на рисунке 3,

необходимо чтобы выполнялись  условия:

E_п ∙ R2 / ( R1 + R2 ) = U_отс , R1 ∙ R2 /( R1 + R2 ) = R_см.

 

Эти условия выполняются при

R1 = 138 Ом и R2 = 15Ом

 

 

 

2.Расчет выходной нагрузочной системы усилителя мощности

 

Назначение нагрузочной  системы – фильтрация высших гармоник и согласование транзистора с  нагрузкой. Для обеспечения фильтрации высших гармоник в усилителе мощности нагрузочная система настраивается на частоту первой гармоники сигнала. Настроенная в резонанс нагрузочная система обладает на частоте первой гармоники чисто активным входным сопротивлением. Согласование нагрузки заключается в том, чтобы , подключив нагрузочную систему к транзистору и к нагрузке, обеспечить оптимальное (критическое) сопротивление нагрузки транзистора R_к.при согласовании не должно нарушаться условие резонанса, должен обеспечиваться по возможности большой к.п.д. нагрузочной системы η_к, добротность нагрузочной системы должна оставаться достаточно высокой для сохранения хорошей фильтрации высших гармонических составляющих.

 

В усилителях мощности на транзисторах широкое применение получил  П – образный контур, схема которого изображена на рисунке 4.

 

 

Рис. 4.

 

На частоте сигнала f входное сопротивление П – контура должно быть чисто активным и равным требуемому критическому сопротивлению нагрузки транзистора R_к. таким образом П – контур на частоте сигнала f трансформирует активное сопротивление нагрузки R_н в активное входное сопротивление R_к.

 

1. Электрический расчет нагрузочной системы

 

Зададимся величиной  волнового сопротивления контура 

 

ρ = 2 ∙ π ∙ f ∙ L₀ = 250 – 500 Ом

 

ρ = 50 Ом.

 

Определяем индуктивность  контура L₀

 

L₀ = ρ / 2 ∙ π ∙ f = 50 / 2 ∙ π ∙ 150 ∙10⁶ = 53 нГн.

 

На частоте сигнала f  П – контур сводится к виду, изображенному на рисунке 5, причём  L, L₀, C₀ находятся в соотношении

 

2 ∙ π ∙ f ∙ L = 2 ∙ π ∙ f ∙ L₀ – 1 / 2 ∙ π ∙ f ∙ C₀.

 

Рис. 5.

 

Величиной L необходимо задаться в соответствии с формулой

 

L >

= = 118∙ 10^-9 ≈ 9 нГн.

 

Определяем С₀

 

С₀=1 / (4 ∙ π ²∙ f² ∙ (L₀ – L)) =1 / (4 ∙ π ²∙ (150 ∙10⁶)² ∙(53∙10^-9 – 9∙10^-9))=25,61 пФ.

 

Определяем емкости  С1 и С2

 

С1 = = = =

 

= 1 нФ.

 

С2 = = = =

 

= 139 пФ.

 

Рассчитываем внесенное  в контур сопротивление

 

r_вн =

= = 0,77 Ом.

 

Определим добротность  нагруженного контура

 

Q_н = ρ / (r₀ +r_вн ),

 

где r₀ – собственное сопротивление потерь контурной индуктивности L₀. Эта величина точно определяется при конструктивном расчете контурной катушки индуктивности, а на данном этапе можно принять r₀ = (1…2) Ом = 1 Ом.

 

Q_н = ρ / (r₀ +r_вн ) = 50 / ( 1 + 0,77) = 28,24.

 

Найдем коэффициент  фильтрации П – контура

 

ф = Q_н ∙( n² –1 ) ∙ n = 28,24 ∙ ( 2² – 1) ∙2 = 169,44

 

где n =2 для однотактной схемы усилителя.

 

Определим к.п.д. (ориентировочный) нагрузочной системы

 

η_к = r_вн / (r_вн + r₀) = 0,77 / ( 1 + 0,77) = 0.43

2.2 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы

 

В процессе конструктивного  расчета нагрузочной системы  необходимо выбрать номинальные  значения стандартных деталей (С₀, С1, С2 ), входящих в контур, и определить конструктивные размеры контурной катушки L₀.

При выборе номинального значения конденсатора С1 необходимо учитывать, что параллельно ему подключена выходная емкость транзистора усилителя  мощности.

Для настройки контура  в резонанс и обеспечения оптимальной  связи с нагрузкой в состав емкостей С₀ и С2 целесообразно включить подстроечные конденсаторы. При включении в цепь подстроечных конденсаторов схема контура примет вид изображенный на рисунке 6.

Рис. 6.

 

Номинальные значения элементов  входящих в контур:

 

С₀ = 27 пФ; С2 =130 пФ.

 

Учитывая, что выходная емкость транзистора С_к = 60 пФ емкость С1 определится так С1 = 573 – 150 = 423 пФ, номинальное значение равно 850 пФ.

 

Произведем расчет контурной  катушки:

 

Зададим отношение длины  намотки катушки ( l ) к диаметру намотки ( D )

 

v = l / D = (0.5…2) = 1.25.

 

Определим площадь продольного  сечения катушки S = l ∙ D по формуле

 

S = P₁ ∙ η_к / K_s = 10 ∙ 0.43 / 0.5 = 8,6 см²,

 

где K_s = (0,1 – 1) – удельная тепловая нагрузка на 1 см² сечения катушки, [Вт/см²].

 

Определим длину l и диаметр D катушки

 

 см;

= 2,62 см.

 

Рассчитаем число витков контурной катушки

 

= 9,56 ≈ 10,

 

где L0 – индуктивность катушки в мкГн.

 

Определим диаметр провода  катушки d (мм)

 

I_к = U_k1 ∙2 ∙ π ∙ f ∙ C1 = 5 ∙2 ∙ π ∙150 ∙ 10⁶ ∙ 1 ∙ 10^-9 = 4,71 A;

d ≥ 0.18 ∙ I_к ∙

= 0.18 ∙ 4,71 ∙ = 1,82 мм ≈ 2 мм,

 

где U_k1 – амплитуда импульсов коллекторного напряжения; I_к – амплитуда контурного тока в амперах, f – рабочая частота в МГц.

 

Найдем собственное  сопротивление потерь контурной  катушки на рабочей частоте

r₀ =

0,84 Ом,

где       f – рабочая частота, МГц; d – диаметр провода, мм; D – диаметр катушки, мм.

 

Определим к.п.д. контура

 

η_к = r_вн / ( r₀ + r_вн ) = 0,77 / (0,84 + 0,77 ) = 0,47.

 

 

3. Связь с антенной

Назначение антенн в передатчике - преобразовать высокочастотные ток и напряжение в электромагнитные колебания и излучить их в пространство (среду). Приемная антенна выполняет обратную функцию. Антенна представляет собой обратимую систему, т.е. передающая антенна может быть и приемной без изменения конструкции. Любая антенна представляет собой открытый колебательный контур или систему связанных контуров.

Полуволновый вибратор - основа многих более сложных линейных антенн (рис.7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F=c/λ

 

 

T=1/f

 

λ=3∙10⁸/150∙10⁶=2

                   

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В результате проектирования и расчетов отдельных блоков получились следующие результаты:

 

 

Усилитель мощности построен по схеме с общим эмиттером, имеет выходную мощность 10 Вт, к.п.д. равен 39,4 %.

 

Выходная согласующая  цепь построена в виде П-образного  контура с к.п.д. 47% и коэффициентом фильтрации 169,44 .

 

 

Проделанная работа закрепила  полученные на лекциях знания в области  проектирования и  анализа работы радиопередающих устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

 

1. Терещук Р. М., Фукс Л. Б. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник радиолюбителя – Киев: Наукова думка. – 1967

 

2. Лаповок Я. С. Я строю КВ радиостанцию. – 2-е изд., прераб. И доп. – М.: Патриот, 1992.

 

3. Шахгильдян В.В. и др., Радиопередающие устройства: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, - 1996.

 

4. Петров Б. Е., Романюк В. А., Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.: Учебное пособие для радиотехн. Спец. Вузов. – М.: Высшая школа – 1989.

 

5. Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.:Мир,1983.-512с.,ил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Параметры транзистора КТ 930А

 

 

 

Обратный ток эмиттера при U_к = 3.5В    10 мА;

 

Напряжение насыщения  коллектор – эмиттер при I_к = 10 А 0.15 В;

 

Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте 1,5;

 

Статический коэффициент  передачи тока в схеме с ОЭ  30;

 

Емкость эмиттерного  перехода     930 пФ;

 

Емкость коллекторногоперехода     60 пФ;

 

Максимально допустимые параметры

 

постоянный ток коллектора     6 А;

 

импульсный ток коллектора     7 А;

 

постоянное напряжение эмиттер – база   4 В;

 

постоянное напряжение коллектор – база    50 В;

 

постоянное напряжение коллектор – эмиттер   50 В;

 

рассеиваемая мощность коллектора   75 Вт;

 

Диапазон рабочих температур      -40…+160˚С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Спецификация к принципиальной схеме усилителя мощности

 

 

 

 

Поз. Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
C1, C2   C3 С4 С5 С6       R1 R2     VT1         L1   L2 L3	Конденсаторы   Рассчитываются во входной  согласующей цепи К73-11 – 5 нФ ± 10% КТ – Н70 - 850 пФ ± 10% КТ – Н70 - 27 пФ ± 10% КТ – Н70 - 130 пФ ± 10%   Резисторы   МЛТ - 0,5 – 130 Ом ± 10% МЛТ - 0,5 – 15 Ом ± 10%     Транзистор КТ930А     Катушки индуктивности   Рассчитывается во входной  цепи 1 нГн 53 нГн	1 1 1 1 1       1 1     1         1   1 1