Розрахунок однотактного вихідного каскаду на одному транзисторі (ОЕ).

Перш за все вивчимо формулу закону Ома.

(Якщо це не пам'ятаєш – значить далі читати безглуздо).


Рис.1.

 

Запис на змінному струмі
(Динамічний розрахунок)

Запис на постійному струмі
(Статичний розрахунок)

I=U/R

I=E/R

U=I*R

E=I*R

R=U/I

R=E/I

 

, Де

U, В – змінна напруга сигналу

E, В – постійна напруга прикладена до опору R;

I, А – миттєвий струм в ланцюзі R;

R, Ом – опір навантаження.

Далі варто кілька слів сказати про параметри транзистора, вірніше поки про одне – коефіцієнті підсилення. Як написано в багатьох джерелах у транзистора (як втім і в іншого активного елементу) можна знайти дуже багато коефіцієнтів посилення (якщо захотіти), від яких в аматорських розрахунках (та й не тільки в аматорських) толку мало. Тому говорити ми будемо тільки про одне – коефіцієнті посилення струму бази у схемі включення з загальним емітером (ОЕ). Раніше його позначали грецькою буквою бетта – b і називали статичний коефіцієнт посилення струму бази. b = Ік / Іб, тільки от при різних струмах колектора Ік (соттветственно і Iб) значення b = Ік / Iб трохи різні, а тому розумні вчені ввели інше поняття, взяте з теорії чотириполюсників (чорна коробочка, а з неї виходять чотири вивола – Два на вхід і два на вихід: наш транзистор можна легко вписати туди, якщо вивести загальний провід – емітер окремо для входу і виходу). Динамічний коефіцієнт посилення струму бази у схемі з ОЕ – h21 = DIк / DIб (DIк – приріст струму колектора, викликане збільшенням струму бази DIб). Для простоти в радіоаматорських розрахунках вважаємо b = h21 (далі будемо позначати скрізь h21, не тому, що так правильніше, а просто так мені простіше писати в html-файлі) вибираємо з довідника мінімальне значення (звичайно там дається вилка)

Ну от прийшов час поговорити про приємне. Отже почнемо.

Здається зовсім просто – поставив транзистор, підключив до колектора динамік і слухай музику. Ан ні! Треба ще транзистор в режим увігнати. Яке ж повинно бути напруга на базі? Відповідь проста – не знаю. Справа в тому, що транзистор управляється струмом бази і нам абсолютно однаково (тобто по барабану), яке в нього напруга база-емітер. Але для розрахунку параметрів потрібно знати ще один параметр – напруга на колекторі.

Воно вибирається у вихідних каскадах таким чином, щоб отримати максимально неспотворений сигнал.

Розглянемо схему однотактного вихідного каскаду в працює в режимі A.


Рис.2.

Виходимо з того, що обмеження вихідного сигналу має бути рівномірний. Обмеження зверху (верхній напівхвилі сигналу) обумовлено досягненням потенціалу колектора напруги джерела живлення і настає при повністю закритому транзисторі. Колекторний струм, а отже і базовий (Iб = Ік * h21) дорівнюють нулю. Обмеження знизу (нижньої напівхвилі сигналу) настає при повністю відкритому транзисторі, тобто Ік>> IRк. Тоді внутрішній опір відкритого транзистора мало і не впливає на струм, в колекторному ланцюзі. У емітерний ланцюга до струму колектора додається струм бази, але так як він досить малий (в коефіцієнт посилення струму h21 разів менше Ік – приблизно 50-100 разів) – їм можна знехтувати і прийняти що струм колектора дорівнює струму емітера. Тоді обмеження знизу настане при U вих = Uкн = Ік * Rе = [Eп / (Rк + Rе)] * Rе. Вибираємо Rе <<Rк. Як показано в [1] можна з достатньою точністю вважати коефіцієнт посилення нашого вихідного каскаду Kус = Rк / Rе (завдяки наявності негативного зворотного зв'язку обумовленої введенням того ж Rе).

Але колекторне і емітерний опору впливають і на інші важливі параметри підсилювального каскаду, а саме на вхідний (Rе) і вихідний (Rк) опору.

З достатнім ступенем точності можна вважати, що вхідний опір каскаду Rвх = Rе * h21, а вихідний приблизно дорівнює Rвих = Rк.

Ось тут треба знайти компроміс (Розрахунок завжди компроміс) .

I). Для збільшення коефіцієнта посилення необхідно:

а) зменшувати Rе;

б) збільшувати Rк.

Для збільшення максимального вихідного необмеженого напруги необхідно:

а) зменшувати Rе;

б) збільшувати Rк.

Це обумовлено тим, що корисне напруга знімається тільки з Rк рис.3.


Рис.3.

II). Але для узгодження з попереднім каскадом вхідний опір, а отже і Rе = Rвх/h21 повинно бути якомога більше.

Для узгодження з подальшим каскадом вихідний опір, а отже і Rк = Rвих повинно бути як можна менше.

У продовженні треба сказати ще, що номінал резисторів Rк і Rе обмежує струму транзистора і рассеиваемую на ньому потужність нашого каскаду.

Отже почнемо розрахунок. Живильна напруга Eп = 12 В

1.Прінімаем Rк = (5-15) * Rе = 10 * Rе

2.Транзістор КТ315Г (найпоширеніший в Росії). Pmax = 150 мВт; Imax = 150 мА, h21> 50.

Не варто працювати на максимальних струмах. Коефіцієнт запасу не повинен перевищувати 0,8.

Знайдемо максимальний статичний струм колектора Iкmax. Він визначається максимальною потужністю, що розсіюється транзистором. Iкmax дорівнює статичному (постійному) току транзистора без сигналу або при необмеженій (Симетричному) гармонійному сигналі (синусоїді).

Розглянемо рис.3. Режими транзистора в моменти часу, кратні p / 2 гармонійного сигналу представлені в таблиці.

 

t

Напруга
колектор-емітер
Uке

Струм
колектора
Ік

Потужність, що розсіюється
на транзисторі
Pрас

p/2

Eп

0

0

p

Eп / 2

(Eп / 2) / (Rк + Rе)

[(Eп / 2) / (Rк + Rе)] * (Eп / 2)

3/2p

0

Eп / (Rк + Rе)

0

2p

Eп / 2

(Eп / 2) / (Rк + Rе)

[(Eп / 2) / (Rк + Rе)] * (Eп / 2)

 

З таблиці бачимо, що максимальна потужність розсіюється на транзисторі в моменти проходження змінного сигналу, через крапку статичного режиму транзистора (p, 2p і т. д.).

Приймаються Pрас.max = 0,8 * Pmax = 0,8 * 150 мВт = 120 мВт

Струм колектора в статичному режимі (без сигналу) визначимо Iк0 = Pрас.max/Uке0 = Pрас.max / (Eп / 2) = 120 мВт / (12 В / 2) = 20 мА

3.Тогда, враховуючи що на транзисторі в статичному режимі (без сигналу) падає половина напруги живлення друга половина напруги живлення буде падати на резисторах (Rк + Rе) = (Eп / 2) / Iк0 = (12 В / 2) / 20 мА = 6 У / 0,02 А = 300 Ом

4.Учітивая п.1, а так само існуючий ряд номіналів резисторів знаходимо: Rк = 270 Ом; Rе = 27 Ом (я думаю легше знайти резистор номіналом 27 Ом, ніж 30).

5.Найдем напруга на колекторі транзистора без сигналу. Для цього визначимо максимуми напруги змінного сигналу (це ми знайдемо подвоєну амплітуду),

Uк0 = (Uке0 + Iк0 * Rе) = (Eп-Iк0 * Rк) = (12 В -0,02 А * 270 Ом) = 6,6 В (дуже уважно стежте за розмірністю величин!)

6.Базовий струм визначається напругою зсуву на базі, яке задається базовим резистивним дільником Rб1, Rб2. Струм бази Iб = Iк/h21 = або приблизно = [Eп / (Rк + Rе)] / h21 = [12 В / (270 Ом +27 Ом)] / 50 = 0,0008 А = 0,8 мА. Струм резистивного базового подільника повинен бути набагато більшим (5-10 разів) струму бази, щоб останній не робив впливу на напругу зсуву. Вибираємо струм дільника Rб1, Rб2 Iд = 10 * Iб = 10 * 0,8 мА = 8,0 мА. Тоді Rб1 + Rб2 = Eп / Iд = 12 В / 8 мА = 1,5 кОм.

Крім закону Ома при розрахунку транзисторного каскаду необхідно пам'ятати такий постулат: напруга б-е робочого транзистора ніколи не може перевищити 0,7 В! Напруга на емітер в режимі без вхідного сигналу приблизно дорівнює Uе = Iк0 * Rе = 0,02 А * 27 Ом = 0,54 В, де Iк0 – струм спокою транзистора, який можна розрахувати з умови, що без сигналу на транзисторі падає половина живильного напруги (Це напруга між осями сигналу рис.3). Отже падіння напруги на емітер транзистора в режимі без сигналу (утім навіть якщо подати сигнал нічого не зміниться за умови, що вихідний сигнал не обмежений) одно Uе = Iе0 * Rе або приблизно Uе = Iк0 * Rе або зовсім точно (на розрахунки це навряд чи вплине) Uе = (Iк0 + Iб0) * Rе == (Iк0 + Iк0/h21) * Rе = Iк0 * [ (h21 +1) / h21] * Rе = 20 мА * 27 Ом = 0,02 А * 27 Ом = 0,54 В.

Напруга на базі вважаємо напруга б-е транзистора в режимі рівним 0,66 У одно Uб = Uе + Uбе = 0,54 У +0,66 В = 1,2 В. Тоді Rб2 = (Rб1 + Rб2) * Uб / Eп = 1,5 кОм * 1,2 В/12В = 0,15 кОм. Або по ряду 150 Ом. Rб1 = (Rб1 + Rб2)-Rб2 = 1,5 кОм-0, 15 кОм = 1,35 кОм. Або по ряду у бік зменшення (тому що через цей резистор ще тече струм бази) Rб1 = 1,3 кОм.

Ну ось і весь розрахунок, крім частотного. Для повірки можемо зібрати все це на монтажній платі. І перевірити на частоті 400-1000 Гц Конденсатори номіналом порядку 5-10 мкФ.

Амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) каскаду на транзисторі залежить від багатьох параметрів, але для аматорських цілей розрахунок можна значно спростити.

На ніхніх частотах АЧХ залежить від часу перезаряду розділового конденсатора через послідовно з'єднані вхідний опір нашого каскаду, блокувальний конденсатор, резистор колекторної нпгрузкі предидущегго каскаду. Оскільки Вхідний опір нашого каскаду набагато більше вихідного, а ємність блокувального конденсатора багато більше ємності рпзделітельного, то можна з достатньою точністю сказати, що АЧХ каскаду в області ніхніх частот визначається постійною часу tн = Rвх * Cвх, де Rвх = Rе * h21, Cвх – розділова вхідна ємність нашого каскаду. Та й пам'ятаєте, що Cвих нашого каскаду це Cвх наступного і розраховується вона так само Гранична частота зрізу каскаду fн = 1 / (tн), де fн нижня гранична частота. Необхідно вибирати 1 / (tн) = 1 / (Rвх * Cвх) <<fн в 3-30 разів (в залежності від числа каскадів і відповідно числа розділових конденсаторів). Кожен конденсатор додає свій спад АЧХ. Ідеально треба б вибирати 1 / (tн) = 1 / (Rвх * Cвх) <<fн в 30-100 разів для всіх каскадів (як правило досить розділової ємності 5,0 мкФ) крім останнього. В останньому каскаді, як правило, через Cвих запитан навантаження з досить низьким опором, а отже номінал ємності доводиться збільшувати до 100,0-1000,0 мкФ. І навіть цього буває мало, але доводиться йти на межі для зниження габаритів схеми.

В області верхніх частот спад АЧХ определяеттся постійної часу tв = Rвих * Cк = RкCк, де Cк – паразитна ємність колекторного переходу (визначається за довідником). Але так як для звукових частот ємність сучасних кремнієвих транзисторів можна вважати незначною – практично будь-транзистор працюватиме до частот порядку 200-300 кГц в будь-аматорської схемою.

Євген Мерзлікін