Москва 2014г

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)

Кафедра общей электротехники

ЭЛЕКТРОНИКА

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

По теме: «Расчёт двухтактного усилителя мощности»

Выполнил студент 3 курса: Мясников Алексей Валерьевич

Москва 2014г.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

1. Задача. Расчёт двухтактного усилителя мощности

1.1. Задание

Рассчитать двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности (рис. 1). Нагрузка должна быть выбрана так, чтобы снять с транзисторов максимальную мощность при синусоидальном сигнале. Параметры транзисторов заданы в табл. 1.

Принятые обозначения: I_к.доп., U_кэ.доп., Р_к.доп ­− допус­тимые коллекторный ток, напря­жение коллектор-эмиттер, рассеиваемая мощность на коллекторе;

I_к.max, U_к.max − максимальный коллекторный ток и максимальное напряжение коллектор-эмиттер;

U_кэ,н, I_к.н. − напряжение коллектор-эмиттер и коллекторный ток в режиме насыщения;

β_min − минимальный коэффициент передачи по току.

1.2. Описание схемы

Бестрансформаторный двухтактный усилитель мощности построен на двух одинаковых по параметрам транзисторах разного типа: п-р-п (VT1) и р-п-р (VT2). Применение двух разнополярных источников пита­ния, имеющих одинаковые по модулю напряжения, позволяет подклю­чить нагрузку непосредственно к каскаду, не используя конденсаторы или трансформаторы. Оба транзистора включены по схеме эмиттерного повторителя, т.к. нагрузка включена в эмиттерные цепи.

Транзисторы работают в режиме класса "В". В этом режиме при отсутствии входного сигнала равны нулю напряжение база-эмиттер (U_БЭ = 0) и ток коллектора. Рабочая точка находится в точке А на вы­ходных характеристиках (рис. 2).

При положительной полуволне входного сигнала открыт транзи­стор VT1, а транзистор VT2 закрыт. При отрицательной полуволне вход­ного сигнала открыт транзистор VT2, а транзистор VT1 закрыт.

Когда открытый транзистор (например, VT1) близок к насыщению и его напряжение коллектор-эмиттер мало (U_кэ1 ≈ 0), то ко второму транзистору прикладывается напряжение двух источников питания (U_кэ2 ≈ 2Е_к). Поэтому, если задано напряжение питания Е_к, то допусти­мое напряжение коллектор-эмиттер U_кэ.доп транзистора должно быть по крайней мере в 2 раза больше, чем Е_к (U_кэ.доп ≥ 2Е_к). И, наоборот, если задано допустимое напряжение коллектор-эмиттер U_кэ.доп транзистора, то напряжение питания Е_к должно быть меньше, чем 0,5∙ U_кэ.доп.

Таблица 1

1.3. Рассчётная часть

1. Построим выходные характеристики одного из транзисторов (рис. 2), считая, что оба транзистора имеют приблизительно одинаковые параметры.

Рис.2. Выходные характеристики транзистора.

Если в справочнике отсутствуют выходные характеристики задан­ного типа транзистора, то их можно построить по упрощённой методи­ке. В справочниках приводится значение напряжения коллектор-эмиттер U_кэ.н в режиме насыщения при определённом коллекторном токе насы­щения I_к.н. По этим данным определяется положение точки D на выход­ных характеристиках (рис. 2).

В режиме насыщения эта точка располагается на крутом (почти вертикальном) участке выходных характеристик. Соединив точку D с нача­лом координат, получим этот участок выходных характеристик. Коор­динаты точки D (U_кэ.н и I_к.н) для каждого варианта приведены в табл. 1.

Пологие (почти горизонтальные) участки характеристик в расчёте не используются, но чтобы характеристики имели завершённый вид, эти участки проводятся почти горизонтально (с небольшим наклоном) и на равном расстоянии друг от друга. При более точном построении можно учесть, что продолжения пологих участков сходятся на оси абсцисс при отрицательных значениях U_кэ от -50 В до -200 В, в зависи­мости от типа транзистора.

2. На характеристиках нанесем горизонтальную линию на уровне допустимого коллекторного тока I_к.доп и вертикальную линию, соответствующую половине допустимого напряжения коллектор-эмиттер 0,5U_кэ.доп.

3. Построим кривую допустимой рассеиваемой мощности Р_к.доп (при использовании радиатора). Для этого задаются произвольными значениями напряжения U_кэ в пределах от 0 до 0,5 U_кэ.доп (например, используя ряд значений 5 В, 10 В, 15 В и т.д. или ряд 10 В, 20 В, 30 В и т.д.) и затем определяем соответствующие им значения коллекторного тока I_к = Р_к.доп / U_кэ. Результаты занесем в табл.2. Координаты точек (U_кэ, I_к) нанести на выходные характеристики и через них провести кривую Р_к.доп.

Таблица 2

4. На характеристике проведем линию нагрузки АЕ так, чтобы снять с транзистора максимальную мощность. Для этого пло­щадь треугольника ABC должна быть мак­симальной (рис. 2). Но линия нагрузки не должна выходить за пределы ограничитель­ных линий Р_к.доп, I_к.доп, 0,5U_кэ.доп. Для надёжной работы транзистора желательно иметь некоторый запас по току и напряжению, поэтому вы­бираем I_кз < I_к.доп и Е_к< 0,5U_кэ.доп (т.е. 95% от максимального значения).

5. Определим точки пересечения линии нагрузки с осями коорди­нат, и по этим точкам определим напряжение питания Е_к и ток коротко­го замыкания I_кз.

Е_к = 19В, I_кз = 9,5А

6. Отметим точку В, которая лежит на пересечении линии нагрузки АЕ с прямой насыщения 0D. По графику определим амплитуды коллекторного тока I_{к. max} и выходного напряжения U_вых.max.

I_{к. max} = 7,92 А; U_вых.max = 19−3,17= 15,83 В.

7. Рассчитаем выходную мощность Р_вых, как произведение дейст­вующих значений тока I_к.д и напряжения U_вых.д, которые меньше ам­плитудных значений в раз:

.

8. Определим потребляемую мощность P_d. Ток каждого источника питания равен току подключённого к нему транзистора; среднее значение этого тока определяется как среднее значение полуволны тока за период повторения Т (рис. 2): I_d = I_{к. тах}/π.

I_d = 7,92 /π= 2,52 А.

Линия среднего значения тока I_d про­водится так, чтобы заштрихованные площадки были равны (рис. 2). Мощность, потребляемая от одного источника питания, равна (P_d)₁= Е_к∙(I_к.max/π). От двух источников потребляется мощность вдвое больше:

P_d=2E_K∙(I_к.max/π)= 2∙19∙2,52= 95,76 Вт.

9. Определим КПД каскада η как отношение выходной мощности к потребляемой: η= Р_вых/ P_d. КПД можно выразить и через отношение амплитуды выходного напряжения U_вых.max к напряжению источника питания Е_к, используя полученные выше выражения для Р_вых и P_d.

.

10. Определим входное сопротивление усилителя, предполагая, что выходное напряжение эмиттерного повторителя мало отличается от входного, а входной ток равен току базы:

R_вх=U_вх/I_вх≈U_вых/I_б=(R_нI_э)/I_б=R_н(β+1)

R_вх= R_н(β+1)= 2∙(15+1)= 32 Ом.

11. Определим коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности:

K_I= I_вых/I_вх=I_э/I_б= β+1= 15+1= 16

K_U= U_вых/U_вх≈ 1

K_P= K_I∙K_U≈ β+1≈ 16

2. Вопросы к контрольной работе №2

9. Силовые биполярные и полевые транзисторы. IGBT-транзисторы.

Силовые биполярные и полевые транзисторы

Силовые биполярные транзисторы выпускаются на токи до 200 А и напряжения до 1400 В. Они широко применялись в последние два деся­тилетия, но их доля на рынке продаж уменьшается, так как появились новые типы силовых приборов.

В низковольтных преобразователях (напряжения до 200 В, токи до 50 А) самыми распространёнными приборами являются силовые поле­вые транзисторы с изолированным затвором (МОП-транзисторы). Воз­можное увеличение напряжения до 600−1200 В позволит создавать на МОП-транзисторах преобразователи мощностью до десятков киловатт, вытеснив из этой области биполярные транзисторы. Преимущества МОП-транзисторов: малая мощность управления, малые статические и динамические потери, малое время переключения, что позволяет увели­чить частоту коммутации, например, в автономных инверторах с широтно-импульсной модуляцией.

В настоящее время выпускаются так называемые "интеллектуаль­ные" силовые интегральные схемы, в которых на одном кристалле изго­товлены силовые МОП-транзисторы, схемы их запуска, устройства за­щиты, управления и диагностики.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором

В середине 90-х годов появились новые полупроводниковые при­боры ключевого типа − биполярные транзисторы с изолированным за­твором, которые чаще обозначают аббревиатурой IGBT − это начальные буквы слов Isolated Gate (изолированный затвор) и Bipolar Transistor (биполярный транзистор). У IGBT-транзистора управляющий электрод изолирован от эмиттера Э и коллектора К (рис. 20). Такой прибор представляет собой комбинацию полевого транзистора с изолиро­ванным затвором на входе с биполярным тран­зистором на выходе. Применение полевого транзистора позволило существенно уменьшить мощности в цепи управления. IGBT- транзисторы имеют лучшие динамические пока­затели (время включения и выключения) по сравнению с запираемыми тиристорами, хотя и уступают им по статиче­ским параметрам.

В настоящее время IGBT-транзисторы стали самыми распростра­ненными приборами в диапазоне токов более 50 А. Предполагается, что в будущем высоковольтные IGBT-транзисторы частично и возможно полностью заменят тиристоры.

В настоящее время для IGBT-транзисторов достигнуты параметры: ток до 2400 А, напряжение до 4500 − 6500 В, время переключения 0,2 − 0,4 микросекунды.

3. Устное собеседование

После проверки преподавателем контрольной работы проводится устное собеседование по следующим вопросам:

1. Объяснить, чему равно максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора при заданном напряжении питания в двухтактном усилителе мощности.

2. Объяснить режимы насыщения и отсечки (запирания) транзисто­ра.

3. Кроме письменного ответа дать устный ответ на вопрос по кон­трольной работе (по предпоследней цифре шифра).