WWW.EL.Z-PDF.RU
БИБЛИОТЕКА  БЕСПЛАТНЫХ  МАТЕРИАЛОВ - Онлайн документы
 

««Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) ИнститутРадиоэлектроники и телекоммуникаций Направление (специальность) ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Казанский национальный исследовательский технический

университет им. А.Н. Туполева-КАИ»

(КНИТУ-КАИ)

ИнститутРадиоэлектроники и телекоммуникаций

Направление (специальность) Инфокомуникационные технологии и системы связи (210700.62)

КафедраРадиоэлектронных и квантовых устройствВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Усилитель мощности система аварийного оповещения

Утверждаю зав. кафедрой д.т. н, проф. Г.И.ИльинРуководитель ассистент А.Ю.Антонов

Содержание.

Введение

Глава 1. Обзор литературной информации по теме работы

1.1Система аварийного оповещения

1.2 Классификация СО

1.3 Назначение и классификация усилителей мощности

1.4 Основные технические параметры усилителей

1.5 Режимы работы усилительных элементов

Глава 2. Расчетная часть

2.1 Обоснование выбора схемы УНЧ

2.2 Расчет усилителя

2.3 Печатная плата

Список использованной литературы

Приложения

Аннотация

В данном дипломным проекте производится проектирование усилителя низкой частоты, состоящего из трех каскадов и RC-цепочки связи. Входной каскад представляет собой инвертирующий усилитель на ОУ, выходной – двухтактный бестрансформаторный усилительный каскад АВ дипломном проекте рассматривается построение электронного устройства.

Этот дипломный проект является одним из способов решения конструирования усилителя низкой частоты. Многие решения реализации функциональных блоков заимствованы из уже существующих реальных схем, поэтому многие данные приводятся на основе опытных данных. В основе данного дипломного проекта лежит усилитель мощности звуковой частоты, построенный на транзисторах с n-p-n и p-n-p, переходами на транзисторных разного типа проводимости. Помимо расчетов принципиальной схемы в данной работе также представлены принципиальная схема, один из вариантов расположения элементов на плате и разводка к ним, спецификация элементов.

Проект реализован в программной среде Word 2010, все расчеты произведены в программном пакете Mathcad pro 7.0, моделирование схемы и спецификации произведено в среде Компас 3D. Для разводки платы использованы программные пакеты P-CAD.

Введение

Система оповещения включает в себя систему мер и технических средств, нацеленных на своевременное предупреждение людей о возникновении пожара, указание эвакуационных путей и очередности выхода из здания. Во всех общественных местах: в супермаркетах и торговых центрах, в административных зданиях и метро, на вокзалах и в аэропортах – обязательно присутствуют системы оповещения. С их помощью людей уведомляют о возникшем пожаре или опасности другого рода. Однако в спокойной обстановке подобные системы передают рекламные объявления, транслируют музыку, помогают вызвать сотрудника, сообщают об отправлении транспортного средства.

Система оповещения – одного из ведущих мировых производителей – состоит из:

громкоговорителей;

усилителей;

тюнеров;

магнитофонных дек;

CD-проигрывателей;

коммутационного оборудования.

Как действует система оповещения

Каждое большое здание делится на зоны (к примеру, административный корпус – по этажам, а вокзал – по залам). Система может охватывать до 16 зон. Коммутационные панели позволяют передавать голосовые сообщения в каждую зону отдельно, либо во все зоны сразу, либо же в группу зон.

Сигнал оповещения может возникнуть автоматически – в случае срабатывания пожарной сигнализации. А может подаваться вручную, для этого оператор выбирает необходимые зоны при помощи кнопок на аварийном переключателе. Транслировать сигнал можно опять-таки двумя способами: через подсоединенный к аварийной панели микрофон либо с магнитофонной деки, что включается автоматически. Усилители, входящие в систему оповещения, поднимают мощность сигнала до нужного уровня. А общее управление всеми блоками производится с помощью матричного коммутатора.

Системы аварийного оповещения

Разновидности систем оповещения:

Аварийное оповещение изначально служит для передачи сигналов о внештатной ситуации (пожаре, утечке газа и проч.). Обычно в системах несколько каналов, один из которых приоритетный – по нему и передаются сообщения при экстренной ситуации, остальные сигналы автоматически глушатся. Приоритетным принимающим устройством может быть микрофон (микрофонные консоли) либо магнитофон, CD-проигрыватель.

В штатном режиме система оповещения служит для передачи речевых сообщений для сотрудников либо для музыкальной трансляции.

Так как системы устанавливают на разных функциональных территориях от цехов до торговых центров, то и наполнение аварийного оповещения различается по многим компонентам.

Виды систем аварийного оповещения:

Локальные или централизованные системы. Локальные включают запись сообщения при поступлении сигнала тревоги (например, от датчиков), централизованные – автоматически открывает запись, в полуавтоматическом режиме диспетчер может наблюдать ситуацию, передавая сообщения через микрофон блока оповещения. Однозонные и многозонные. Однозонные при поступлении приоритетного сигнала транслируют сообщение по всем громкоговорителям, многозонные одновременно в разных зонах могут передавать различные звуковые сигналы.

Перечисленные системы разделяют на настольные и монтируемые в стойку. Настольные удобно подключать к АТС, монтируемые системы более сложны – их работа зависит от функций установленных модулей.

Общая классификация систем оповещения

Разнообразие задач и систем оповещения, присутствующих на рынке, приводит к целесообразности их классификации.

Системы оповещения можно классифицировать по различным признакам, наиболее важными из которых являются следующие, рис.1:

Рис. 1 - Классификация систем оповещения

Классификация СО по назначению

Системы оповещения, в зависимости от области применения, могут решать различные задачи. В связи с которыми их можно разделить на трансляционные, аварийные и комбинированные системы.

Трансляционные системы пропускают транслировать звуковую информацию различного назначения – речевые объявления, информационные сообщения, фоновую музыку.

Комбинированные – многофункциональные системы, совмещающие функции аварийного оповещения и музыкальной трансляции. Данная комбинация требует реализации такой функции, как многоприоритетность, при которой аварийное сообщение передаваться по высокому приоритету, блокируя низкие, менее значимые, приоритеты (функции), например, музыкальную вещанию.

Аварийные системы позволяют транслировать аварийные экстренные сообщения. К аварийным системам предъявляются повышенные требования по надежности, обеспечению контроля работоспособности, контролю линий, возможности резервирования по питанию. Аварийные системы строятся как высокоприоритетные, должны уметь функционировать в дежурном режиме. Включение аварийных систем осуществляется ручным или автоматическим способом; звуковые сообщения в таких системах транслируются на громкоговорители (в линии) на полной громкости.

Классификация СО по способу передачи информации

По способу передачи информации СО делятся на:

проводные;

беспроводные.

Беспроводные – системы, передача информации в которых осуществляется по беспроводным каналам связи.

Проводные – системы, передача информации в которых осуществляется по проводным каналам, называемым линиями трансляции, иногда фидерами или фидерными линиями. Проводные системы называются наиболее распространенными, отличаются повышенной надежностью, удобством эксплуатации и обслуживания.

Классификация СО по способу построения

По способу включения СО делятся на: централизованные; локальные; зональные;

Централизованные СО– называют системы с возможностью централизованного (удаленного по месту расположения) управления. Так, например, в СОУЭ управление осуществляется с пожарного поста, диспетчерской или другого специального помещения, отвечающего требованиям пожарной безопасности (НД), предъявляемым к указанным помещениям.

Локальные СО – это системы, которые функционируют в пределах ограниченного объекта (пространства).

Зональные СО – это системы с возможностью управления (выбора и коммутации) зонами. Для зональных систем характерна ситуация, когда к выходу трансляционного усилителя подключаются несколько линий громкоговорителей. Выбор и коммутация нужной линии (зоны) осуществляется селектором-коммутатором, включаемым между усилителем и линиями.

Классификация СО по уровню управления (по способу взаимодействия)

В СО можно выделить следующие уровни управления: контактный, протокольный, сетевой.

Классификация СО по способу реализации

По способу реализации СО можно разделить на: аналоговые, цифро-аналоговые, цифровые. Для каждого способа реализации характерен свой уровень управления.

Цифровые – это системы, использующие цифровые методы преобразования и кодирования, в том числе аудио информации. Данные системы позволяют передавать, управлять и контролировать информацию на больших расстояниях по различным каналам и сетям, в том числе оптоволоконным. Для цифровых систем характерными являются протокольный и сетевой уровни управления. Цифровые системы позволяют достигать высоких показателей по таким критериям как:

многофункциональность – решение широкого класса задач, интеграция с другими системами;

эргономичность – гибкость, удобство и простота настройки и управления (интуитивно понятные интерфейсы);

полный контроль – автоматический сбор статистики о состоянии узлов системы, анализ полученных данных, мгновенное реагирование;

возможность протоколирования – запись всех событий, происходящих в системе, активация дополнительных средств, хранение информации;

минимизация энергопотребления.

Аналоговые – это системы, транслирующие аналоговый (не оцифрованный) звук. Аналоговые системы строятся на аналоговых элементах. Данные системы характеризуются высокой надежностью и доступностью по цене. Для аналогового оборудования характерен контактный способ взаимодействия.

Классификация систем оповещения по конструктивному исполнению

В зависимости от конструктивного исполнения (способа монтажа) СО можно разделить на настольные, стационарные, настенные (корпусные), модульные.

Настольные системы (блоки) – предназначены для установки на стол или на специальные полки, монтируемые в электротехнический шкаф. Настольные СО (блоки) должны иметь надежное конструктивное исполнение. Большинство современных настольных систем строятся как многофункциональные системы.

Стационарные системы строятся из блоков различного функционального назначения, выполненные в жестком металлическом 19” корпусе и предназначены для монтажа в специализированный электротехнический шкаф или стойку.

Электротехнический шкаф защищает блоки от несанкционированного доступа, обеспечивает необходимый температурный режим, сохранность оборудования, увеличивая тем самым срок ее эксплуатации.

Настенные системы – состоит из отдельных блоков различного функционального назначения, предназначенных для настенного монтажа. Данные блоки могут выполняться в пластиковых или металлических корпусах, монтируются на стену, в специализированные (в т. ч. настенные) электротехнические шкафы при помощи дополнительного крепежа, например, DIN-реек.

Модульные системы – многофункциональные системы или конструкции, формирующиеся из отдельных съемных модулей. Данные модули устанавливаются в специализированные корпуса (кейсы).

1.1 Назначение и классификация усилителей сигналов

Усиление – это управления энергией, при котором процесс управления непрерывен, плавен и однозначен. Устройство, осуществляющее управление, называется усилителем. Усилители электрических сигналов управляются и управляют электрической энергией.

Усилитель мощности – усилительный каскад, предназначенный для передачи в нагрузку заданной либо максимально возможной мощности при максимально возможном КПД и минимальных нелинейных искажениях. УМ выполняет функцию доведения сигнала до заданной мощности и усиливает сигнал, как по напряжению, так и по току.

Как правило, данные усилители имеют один линейный вход. На передней панели располагается клавиша включения устройства и иногда регулятор уровня выходного сигнала. Устройства, имеющие большую выходную мощность, имеют систему принудительного охлаждения. Основным параметром, характеризующим усилитель мощности, является выходная мощность при заданном значении нелинейных искажений. Часто применяют такой параметр как номинальная мощность – мощность, которую разовьет устройство при заданных значениях входного напряжения, значении коэффициента нелинейных искажений и соотношении сигнал/шум.

Усилители выделяют:

1.Усилители гармонических сигналов.

2.Усилители импульсных сигналов.

Усилители гармонических сигналов. Предназначены для усиления непрерывных периодических и квазипериодических электрических сигналов, гармонические составляющие которых изменяются много медленнее длительности нестационарных процессов в цепях усилителей.

Усилители импульсных сигналов. Предназначены для усиления электрических импульсов различной формы и величины. Нестационарные процессы в них протекают так быстро, что форма усиливаемых сигналов этими процессами почти не искажается.

Усилители, в которых сигналы усиливаются без преобразования их частоты, называют усилителями прямого усиления, иначе – усилителями с преобразованием.

По роду используемых усилительных элементов бывают транзисторные, ламповые, магнитные, диодные, молекулярные и другие усилители.

В зависимости от ширины полосы и абсолютных значений усиливаемых сигналов разделяют:

Усилители постоянного тока. Усиливают медленно меняющиеся напряжения и токи, причём как переменную, так и постоянную составляющую сигнала в полосе частот от низшей fн0 до высшей fв рабочей частоты.

Усилители переменного тока. Усиливают только переменные составляющие сигнала в полосе частот от низшей fн до высшей fв рабочей частоты.

Усилители высокой частоты предназначены для усиления электрических колебаний модулированной высокой частоты.

Усилители промежуточной частоты предназначены для усиления электрических сигналов модулированной преобразованной частоты.

Усилители низкой частоты предназначены для усиления первичных электрических колебаний, несущих информацию (усилители звуковых частот).

Широкополосные усилители – имеют очень большое отношение верхней граничной частоты к нижней.

1.2 Основные технические параметры усилителей

Усилители характеризуются следующими основными техническими показателями: коэффициентом усиления К, входным и выходным сопротивлением, выходной мощностью, коэффициентом нелинейных искажений, КПД, уровнем собственных шумов, полосой пропускания.

Коэффициент усиления по напряжению - отношение амплитуды переменного выходного напряжения к амплитуде переменного входного напряжения усиливаемого сигнала.

Коэффициентом усиления по току именуют отношение силы тока нагрузки к входному току.

Коэффициентом усиления по мощности имеют отношение мощности, отдаваемой в нагрузку, к вызвавшей её мощности выходного сигнала.

Полоса пропускания усилителя – это диапазон усиливаемых частот, в котором выходное напряжение падает менее, чем на 0,707 от наибольшего значения.

Для нормальной работы усилителя его входное сопротивление должно быть много выше выходного сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление усилителя должно быть намного меньше сопротивления нагрузки.

Номинальная выходная мощность усилителя – это наибольшая мощность, которую он может отдать в нагрузку без превышения заданного значения коэффициента нелинейных искажений.

Нелинейные искажения – это искажения, в результате которых на выходе возникают новые гармоники, которые отсутствовали в исходном сигнале. Они обусловлены нелинейностью вольтамперных характеристик транзисторов. Количественно эти искажения представляют в виде выраженного в процентах коэффициента гармоник, или коэффициента нелинейных искажений.

КПД отражает эффективность усилителя. Он равен отношению полезной выходной мощности (мощности полезного сигнала) к мощности, затрачиваемой источником питания на функционирование усилителя.

Обратной связью называется связь между выходными и входными цепями какого-либо устройства. В зависимости от соотношения фаз колебаний, который поступают на вход усилителя от источника сигнала и с выхода усилителя через цепь обратной связи, обратная связь может быть положительной или отрицательной. При ПОС фазы этих колебаний совпадают и коэффициент усиления возрастает. При ООС коэффициент усиления меньше, чем без обратной связи; увеличивается стабильность работы усилительного устройства при изменении режима работы, напряжения питания, рабочей частоты, амплитуды и т.д. Обратные связи выделяется на полезные (специально вводимые) и вредные (паразитные). По способу осуществления различают обратную связь по напряжению, току и смешанную (комбинированную), а по способу введения напряжения обратной связи во входную цепь усилителя — параллельную и последовательную. При обратной связи по току напряжение обратной связи пропорционально выходному току. Для оценки действия обратной связи вводят коэффициент K0OC+1, называемый глубиной обратной связи: чем она больше, тем большее влияние на параметры усилителя оказывает цепь ООС, но при очень глубокой отрицательной обратной связи существует опасность возникновения самовозбуждения на высоких частотах и ухудшения переходной характеристики вблизи порога возбуждения.

1.3 Мощные усилительные каскады

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка RН и мощность PН, рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков - сотен Вт. Поэтому мощные каскады, которые, как правило, бывают выходными. Чтобы оценить, какую мощность должен давать каскад предварительного усиления, приходится оценивать коэффициент усиления каскада по мощности KP.Мощный выходной каскад является главным потребителем энергии. Он имеет основную часть нелинейных искажений и занимает объем, соизмеримый с объемом остальной части усилителя. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения наибольшего КПД, малые нелинейные искажения и габаритные размеры.

В однотактных выходных каскадах активные приборы работают в режиме A. При их создании используют три схемы включения транзисторов. Для согласования нагрузки с выходным каскадом иногда применяют трансформаторы, которые обеспечивают получение максимального коэффициента усиления по мощности, но существенно ухудшают его частотные характеристики.

Бестрансформаторные выходные каскады получили преимущественное распространение. Они позволяют осуществить непосредственную связь с нагрузкой, что дает возможность обойтись без громоздких трансформаторов и разделительных конденсаторов; имеют хорошие частотные и амплитудные характеристики; легко могут быть выполнены по интегральной технологии. Кроме того, в связи с отсутствием частотно-зависимых элементов в цепях связи между каскадами можно вводить глубокие общие отрицательные ОС как по переменному, так и по постоянному токам, что существенно улучшает характеристики преобразования всего устройства. При этом обеспечение устойчивости усилительного устройства может быть достигнуто введением простейших корректирующих цепей. Бестрансформаторные мощные выходные каскады собирают в основном по двухтактным схемам на транзисторах, работающих в режиме B или АВ и включенных по схемам с ОК или ОЭ. В этих схемах возможно сочетание в одном каскаде либо одинаковых, либо комплементарных транзисторов. По способу подключения нагрузки различают две разновидности схем: с питанием от одного или двух источников.

Операционные усилители

Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного напряжения, выполненный в виде интегральной микросхемы. Он используется в качестве отдельного элемента схемы или библиотечного элемента для создания интегральных микросхем более высокой степени интеграции. В принципе нет никакой разницы между обычным и операционным усилителями: оба применяются для усиления напряжений или токов. Но если свойства обыкновенного усилителя задаются его внутренним устройством, то операционный усилитель рассчитывается таким образом, чтобы его функции преимущественно определялись цепями внешней обратной связи. Для этого операционные усилители выполняются с большим коэффициентом усиления и связью по постоянному напряжению. Во избежание дополнительных мер для установки рабочей точки входной и выходной потенциалы задают равными нулю, поэтому операционному усилителю обычно требуется два источника питания – положительного и отрицательного напряжений. Подобные усилители, собранные на дискретных элементах (электронных лампах или транзисторах), применялись раньше исключительно в аналоговых вычислительных устройствах и для выполнения таких математических операций, как сложение и интегрирование. Отсюда и произошло само название операционных усилителей.

Общие сведения

Разнообразные операционные усилители выпускаются в виде интегральных микросхем, мало отличаясь по размерам и стоимости от дискретных транзисторов. Благодаря во многом идеальным свойствам операционных усилителей, применямых значительно проще, чем дискретные транзисторы. Привлекательность классического ОУ связана его высокими параметрами на низких частотах. Однако первые операционные усилители были слишком инерционны, поэтому вскоре появились варианты с модифицированной архитектурой, обладающие хорошими высокочастотными характеристиками, так что к настоящему времени практически не осталось направлений, где бы дискретные транзисторы имели преимущества перед ОУ. В этой главе их внутреннее устройство рассматривается только для того, чтобы пояснить свойства интегральной схемы.Собственно внутренняя схема на транзисторном уровне интересна лишь как основа создания интегральных усилителей.

Схемное обозначение операционного усилителя приведено на рис. 2.

У него имеется два входа – инвертирующий и неинвертирующий – и один выход.

Рис. 2. Выводы операционного усилителя

Типы операционных усилителей

Существует четыре типа операционных усилителей (рис. 3). Они различаются высоко- и низкоомными входами и выходами. Неинвертирующий вход у всех четырех типов является высокоомным.

Рис. 3. Схемные символы и передаточные функции четырех операционных усилителей

1.4 Режимы работы усилительных элементов

Рассмотрим классификацию усилителей по режиму работы, т. е. по величине тока, протекающего через транзисторы усилителя в отсутствие сигнала.

Усилители класса А

Рабочая точка каскада, которая функционируют в режиме работы класса А, лежит на линейном фрагменте проходной динамической характеристики. Для этого необходимо организовать смещение, то есть подачу на вход каскада небольшой постоянной составляющей напряжения, для чего обычно используют делитель напряжения источника питания. Амплитуда входного сигнала меньше, чем величина смещающего напряжения. Угол отсечки составляет 180 градусов, то есть постоянный ток через активный усилительный компонент каскада протекает в течении длительности всего периода. Если сигнал на вход каскада класса А не подан, то место, через которое проходит линия нагрузочной прямой и требуемая ветвь выходной статической характеристики, носит название рабочей точки покоя. В связи с тем, что амплитуда переменной составляющей тока выходного сигнала меньше постоянной составляющей тока этого сигнала, то КПД каскада не велик ( 50 %).

К достоинствам класса А нужно отнести появление минимальных, относительно остальных классов усиления, нелинейных искажений, ввиду нахождения рабочей точки в линейной области.

Рисунок 4. Динамическая характеристика усиления в режиме А.

Рисунок 5. Мощный выходной каскад, работающий в режиме А.

Усилители класса В

Напряжение смещение каскада, функционирующего в режиме класса В выбирают таким, чтобы рабочая точка покоя находилась около нуля в начале координат, а ток, потребляемый каскадом в отсутствии сигнала, был незначительным. Угол отсечки составляет 90 градусов. КПД каскада довольно высок (70 – 80 %), так как в режиме B ток протекает через транзистор лишь полпериода и появляется возможность увеличить вдвое (по сравнению с режимом А) коллекторный ток при той же средней мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора.

Рисунок 6. Динамическая характеристика усиления в режиме В.

Важным недостатком режима класса В выступают большие нелинейные искажения, что ограничивает область применения это режима оконечными двухтактными усилителями мощностями.

Если усилительный каскад класса B включает лишь один транзистор, нелинейные искажения сигнала будут значительными. Это объясняется тем, что результирующий коллекторный ток по форме повторяет лишь положительную полуволну входного сигнала, а не весь сигнал, так как для отрицательной полуволны транзистор остается запертым. Для создания на выходе сигнала, аналогичного по форме со входным сигналом, необходимо использовать двухтактную схему.

Рисунок 7. Мощный выходной двухтактный каскад, работающий в режиме В.

Усилители класса АВ

Рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются и через них протекает некоторый ток покоя (каскад перейдёт в режим А). Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но при этом существенно уменьшаются нелинейные искажения. Если уровень сигнала превысит определённый порог, то будет осуществлён переход работы в класс В.Класс AB является наиболее экономичным для усилителей НЧ, поскольку в этом случае усилитель потребляет от источника питания минимальный ток. Это объясняется тем, что в рабочей точке транзисторы заперты и коллекторный ток протекает лишь при поступлении входного сигнала.

КПД усилительного каскада класса АВ обычно составляет 45 – 70 %.

Класс АВ используют в основном в двухтактных схемах, при этом базы биполярных транзисторов разделяют между собой парой диодов, которые обеспечивают смещение напряжения, при котором в них протекает ток покоя.

Рисунок 8. Динамическая характеристика усиления в режиме АВ.

Рисунок 9. Мощный выходной двухтактный каскад, работающий в режиме АВ.

Полупроводниковые электронные приборы

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый элемент с тремя выводами, которые называют базой (B), эмиттером (E) и коллектором (C). Различают дискретные транзисторы, предназначенные для монтажа на платах и заключенные в собственный корпус, и интегральные транзисторы, которые изготавливаются совместно с другими полупроводниковыми элементами на общей полупроводниковой подложке. Интегральные транзисторы снабжаются четвертым выводом. Он называется подложкой (S) и играет второстепенную роль в функционировании транзистора. Диодные эквивалентные схемы. Биполярные транзисторы эквивалентны паре диодов с p_n переходами, включенными последовательно навстречу один другому. На рис. 10 показаны условные графические обозначения и диодные эквивалентные схемы n_p_n транзистора с общей p областью и p_n_p транзистора с общей n областью. Хотя диодные эквивалентные схемы транзисторов не способны отражать их

функционирование, они дают представление о режиме работы транзистора и показывают, что его тип (n_p_n или p_n_p) и вывод базы можно определить с помощью пробника; гораздо труднее различать коллектор и эмиттер из за симметричности структуры.

Рисунок.10. Условные графические обозначения и диодные эквивалентные схемы: a – n_p_n транзистор; б – p_n_p транзистор

Режимы работы.

Биполярные транзисторы используются для усиления и коммутации сигналов и обычно работают в активном режиме, когда на переход база эмиттер (BE) подается прямое напряжение, а на переход база–коллектор (ВС) –обратное. В некоторых типах схем переход BC в течение определенного времени может иметь прямое смещение; в таком случае говорят о режиме (или области) насыщения. Инверсный режим реализуется при взаимной замене эмиттера и коллектора, но его достоинства проявляются лишь в исключительных ситуациях. В режиме отсечки оба перехода заперты. Полярность напряжений и токов транзисторов n_p_n и p_n_p в активном режиме показана на рис. 11.

Рисунок 11. Напряжения и токи в активном режиме: a – n_p_n транзистор; б -p_n_p транзистор.

Свойства биполярных транзисторов

Свойства биполярного транзистора наглядно представляются в виде графиков функций (характеристик), показывающих взаимозависимость токов и напряжений транзистора в статике, когда все величины медленно меняются или постоянны во времени. Для расчетов свойств биполярных транзисторов требуются дополнительные уравнения, достаточно строго описывающие их поведение. Уравнения значительно упрощаются, если ограничиться практически важным активным режимом и пренебречь вторичными эффектами. Напротив, их необходимо учитывать при проверке функциональных возможностей какой-либо схемы путем компьютерного моделирования. Существуют также сложные модели, способные строго описывать динамические свойства транзистора, когда на него действует синусоидальный или импульсный сигнал. Эти модели анализируются в разделе 2.3 и не нужны для понимания основных закономерностей. Далее речь пойдет главным образом о n_p_n транзисторе; напряжения и токи p_n_p транзистора имеют противоположные знаки.

Характеристики транзисторов

Семейство выходных характеристик. Если в цепи, представленной на рис.11, прикладывать различные напряжения UBE к переходу база–эмиттер и измерять ток коллектора IC как функцию напряжения UCE между коллектором и эмиттером, получим семейство выходных характеристик, представленное на рис. 12 За исключением короткого отрезка вблизи оси IC, характеристики слабо зависят от UCE, и транзистор работает в активном режиме, то есть переход BE проводит ток, а переход BC заперт. Около оси IC напряжение UCE настолько мало, что переход BC тоже открыт и транзистор пребывает в состоянии насыщения. На границе начального отрезка с напряжением насыщения UCE,sat характеристика испытывает резкий излом и проходит почти через начало координат.

Передаточная характеристика. В активном режиме ток коллектора IC зависит главным образом от UBE. Если при различных значениях напряжения коллектор–эмиттер UCE, свойственных активному режиму, нанести на график значения IC как

функцию UBE, получим передаточную характеристику, приведенную на рис.13. Эти характеристики почти сливаются, потому что ток коллектора IC слабо зависит от UCE.

Рис. 13. Характеристики в активном режиме: a — cемейство передаточных характеристик; б — семейство входных характеристик

Входные характеристики. Для полного описания поведения транзистора требуется знать входные характеристики (рис. 2.4б). Их образуют значения тока базы IB от напряжения UBE при различных UCE, присущих активному режиму. Такие характеристики также почти не зависят от UCE.

Усиление по току. Сходство характеристик передачи, приведенных на рис.13а, с входными характеристиками рис.13б очевидно. Отсюда следует, что в активном режиме ток коллектора IC приблизительно пропорционален току базы IB. Коэффициент пропорциональности B называется усилением по току:

Биполярные транзисторы классифицируются по двум параметрам: мощности и частотным свойствам.

По мощности:

на маломощные

средней мощности

мощные

По частотным свойствам :на низкочастотные

среднечастотные

высокочастотные

сверхвысокочастотные

Обычно транзисторы включаются в электрическую схему таким образом, чтобы один из его электродов был входным, второй — выходным, а третий — общий для входа и выхода. В зависимости от этого различают три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Рассмотрим особенности каждой схемы.

УМ в передатчиках используют схемы включения транзисторов либо с общим эмиттером (ОЭ), либо с общей базой (ОБ). И та и другая схема включения имеет свои достоинства, целесообразность же применения их в конкретном случае должна быть обоснована.

Рисунок.14 Схема включения биполярного транзистора в усилителя с общим эмиттером.

Для включения в схему транзистор должен иметь четыре вывода — два входных и два выходных. Но транзисторы всех разновидностей имеют только три вывода. Для включения трёхвыводного прибора необходимо один из выводов объединить, и поскольку таких комбинаций может быть только три, то существуют три базовых схемы включения транзистора:

Схемы включения биполярного транзистора

• с общим эмиттером (ОЭ) производит усиление как по току, так и по напряжению наиболее часто применяемая схема. Схема с ОЭ обеспечивает усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности, используется в усилителях, генераторах, формирователях и является самой распространенной;

• с общим коллектором (ОК) производит или эмиттерный повторитель усиление только по току — применяется для согласования высокоимпедансных источников сигнала с низкоомными сопротивлениями нагрузок;

• с общей базой (ОБ) — усиление только по напряжению, в силу своих недостатков в одно-транзисторных каскадах усиления применяется редко (в основном в усилителях СВЧ). Таким образом, схема включения транзистора с ОБ не обеспечивает усиление по току, однако усиливает входной сигнал по напряжению и мощности.

Рис. 15. Основные схемы включения биполярного транзистора: а – с общим эмиттером; б – с общим коллектором; в – с общей базой

Маркировка биполярных транзисторов предусматривает шесть символов:

первый символ — буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор: Г (1) германий, К(2) — кремний, А(З) — арсенид галлия;

второй символ — буква «Т», означающая биполярный транзистор;

третий символ — цифра, указывающая мощность и частотные свойства транзистора (табл.1 );

четвертый и пятый символы — двухзначное число, указывающее порядковый номер разработки; шестой символ — буква, обозначающая параметрическую группу прибора.

Таблица1

Транзисторы Частота низкая средняя высокая

Малой мощности КТ1... КТ2... КТ3...

Средней мощности КТ4... КТ5... КТ6...

Мощные КТ7... КТ8... КТ9...

Например: КТ665А — транзистор биполярный, высокочастотный, малой мощности, широкого применения, группа А; 2Т895А — транзистор биполярный, высокочастотный, специального применения, большой мощности, группа А.

ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

 Iк.мax - максимально допустимый постоянный ток коллектора

Iк.и.мax - максимально допустимый импульсный ток коллектора

Uкэ - максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер

UэбО - максимально допустимое обратное напряжение эмиттер-база

(UкбО - максимально допустимое обратное напряжение коллектор-база)

Pкmax - максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом

h21э - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером

IкбО - обратный ток коллектора

Uкб - напряжение коллектор-база

(Uкэ - напряжение коллектор-эмиттер)

Iк - ток коллектора

(Iэ - ток эмиттера)

Uкэ нас. - напряжение насыщения коллектор-эмиттер

fгр - граничная частота в схеме с общим эмиттером

Диоды

Диод представляет собой полупроводниковый элемент с двумя выводами, один из которых называют анодом (А), а другой – катодом (К). Различают дискретные диоды в виде отдельного элемента, предназначенного для монтажа на плате и заключенного в собственный корпус, и интегральные диоды, которые вместе с другими элементами схемы изготавливаются на общей полупроводниковой подложке. У интегральных диодов имеется третий вывод, необходимый для соединения с общей подложкой. Иногда его называют субстратом (S), но он играет второстепенную роль в функционировании самого диода.

Устройство. Диоды представляют собой электронно- дырочный переход p-n или переход металл–полупроводник и называются соответственно диодами с p-n переходом или диодами Шоттки. Зона p обогащена дырками, а зона n – электронами. Условное графическое обозначение и структура диода показаны на рис. 16. Обычно зоны p и n диода с p-n переходом изготавливаются из кремния. Кроме этого существуют дискретные диоды на основе германия. Им свойственно низкое прямое падение напряжения, однако они устарели. В диодах Шоттки зона p заменена слоем металла, что также

приводит к низкому прямому падению напряжения, поэтому они часто используются вместо германиевых диодов с p-n переходом. На практике кремниевые диоды с p-n переходом называют просто диодами. За исключением ряда диодов особого типа, все они изображаются на схемах одним и тем же графическим символом. Диоды разного типа различают лишь по маркировке на корпусе и техническим данным.

Режимы работы. В процессе работы диод может находиться в областях проводимости, запирания и пробоя, подробное описание которых дается в следующем разделе. Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными; они попеременно работают в областях проводимости и запирания. Диоды, сконструированные для работы в области пробоя – стабилитроны (диоды Зенера) применяют для стабилизации напряжения. Еще один важный класс диодов составляют варикапы. Они функционируют в режиме запирания и благодаря зависимости емкости запорного слоя (барьерной емкости) от приложенного напряжения могут использоваться для настройки колебательных контуров на нужную частоту. Существует также множество специальных диодов, которые здесь не рассматриваются

Рис. 16. Условное графическое обозначение и устройство диода: а – графический символ; б – диод с p-n переходом; в – диод ШотткиСвойства диодов

Поведение диода проще всего представить с помощью его вольтамперной характеристики, описывающей зависимость тока, протекающего через диод от приложенного к нему напряжения в случае, когда все величины постоянны или медленно меняются во времени. Для расчетов необходимы уравнения, строго описывающие поведение прибора. Чаще всего достаточно простых соотношений. Кроме того, имеется модель, хорошо воспроизводящая динамическое поведение диода под воздействием синусоидальных или импульсных сигналов. Эта модель рассматривается в разделе 1.3 и не требуется для изучения основных понятий. А теперь обратимся к поведению кремниевого диода с p-n переходом.

Способ подключения нагрузки к выходу каскада:

Трансформаторные усилители мощности

    Эти усилители предназначены для получения максимальной, мощности переменного тока в нагрузке усилителя при заданной амплитуде входного напряжения и допустимых искажениях выходного напряжения. Усилители мощности могут выполняться по однотактной. и двухтактной схемам. Для удобства согласования выходного сопротивления усилителя с нагрузкой ее подключают через выходной согласующий трансформатор. Пря этом схема однотактного усилителя мощности аналогична схеме трансформаторного усилителя.     Недостатком однотактных усилителей мощности является то, что они имеют низкий КПД (до 30 %). Поэтому для получения больших мощностей усилители обычно выполняют по двухтактным схемам. Двухтактный усилитель содержит как бы два однотактных усилителя, работающих на общую нагрузку, и имеющих общий источник питания.     Схема двухтактного трансформаторного усилителя приведена на рис.10.

Рассмотрим, как работает такой усилитель, если на его вход подается сигнал в виде переменного напряжения синусоидальной формы (рис.11,а). Во вторичной обмотке входного трансформатора это напряжение разделяется на два одинаковых напряжения, которые в противофазе подаются на эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2 (рис.11,б,г). Таким образом, если на базе транзистора VT1 действует положительный полупериод входного напряжения, то на базе транзистора VT2 —отрицательный. Спустя полпериода полярность напряжений на базах меняется на противоположную. В исходном состоянии оба транзистора немного приоткрыты, благодаря небольшому отрицательному напряжению, подаваемому на базы с делителя R1R2.

  В течение действия положительного напряжения на базе транзистора VT1 он закрывается, и его коллекторный ток IK1 оказывается близким к нулю (рис.11,в). В это время транзистор VT2 открывается, так как на его базе входное напряжение имеет отрицательную полярность, и его коллекторный ток IK2 изменяется в соответствий с законом изменения отрицательного напряжения на базе (рис.11,д). Через полпериода, наоборот, открывается транзистор VT1, а транзистор, VT2 закрывается, вследствие чего протекает импульс коллекторного, тока IK1, а коллекторный ток второго транзистора IK2=0. Через полпериода состояния транзисторов снова изменяются на противоположные и т. д.    Коллекторные токи протекают через первичную обмотку выходного трансформатора в противоположных направлениях, поэтому результирующий ток первичной обмотки, равный разности коллекторных токов IK1 и IK2 протекает в каждый полупериод входного напряжения и также имеет синусоидальную форму (рис.11,е); Такую же форму будут иметь ток и напряжение, создаваемые во вторичной обмотке выходного трансформатора.     Недостаток трансформаторного двухтактного усилителя громоздкость выходного трансформатора. В связи с этим наиболее распространенными среди транзисторных двухтактных усилителей являются бестрансформаторные усилители.   

 

Бестрансформаторные усилители мощности

    Схема простейшего двухтактного бестрансформаторного усилителя приведена на рис.12. Как и в трансформаторном усилителе на базы транзисторов VT1 и VT2 необходимо подавать напряжения одинаковой амплитуды, но сдвинутые по фазе, на 180°, т. е. противоположной полярности. Транзисторы VT1 и VT2 работают поочередно, и их коллекторные токи IK1 и IK2, протекая через нагрузку RH, создают в ней переменное напряжение, совпадающее по форме с входным напряжением.

    Недостатком данной схемы является наличие двух источников питания (GK1 и GK2) и отсутствие общей точки у входов транзисторов VT1 и VT2, что вызывает дополнительные трудности для создания переменных напряжений UБЭ1 и UБЭ1. Схему можно значительно упростить, если в качестве транзисторов VT1 и VT2 применить транзисторы с разными типами проводимости и близкими параметрами (рис.13,а).

В этом усилителе входной сигнал поступает одновременно на базу транзистора VT1 типа р-n-р и на базу транзистора VT2 обратной проводимости (типа n-р-n). Начальное смещение на базы подается с резистора R2, входящего в состав делителя R1R2. Это смещение выбирается таким, чтобы напряжение эмиттеров (в точке а) равнялось половине напряжения источника питания GK. Благодаря этому напряжение на конденсаторе С2 также равно половине напряжения GK.

    При синусоидальном входном напряжении в течение положительного полупёриода транзистор VT1 закрывается, его коллекторный ток IK1уменьшается до нуля, а транзистор VT2, наоборот открывается «сильнее». Закрывшийся транзистор VT1 отключает источник питания GK от транзистора VT2. Роль источника питания транзистора VT2 в этом случае начинает выполнять конденсатор С2.

Под действием его напряжения через транзистор VT2 и нагрузку ВА протекает коллекторный ток IK2.     В отрицательный полупериод входного напряжения транзистор VT2 закрывается и его коллекторный ток IK2 уменьшается до нуля. Транзистор VT1 открывается еще «больше» и его коллекторный ток протекает также через нагрузку, но уже в противоположном направлении. Таким образом, при синусоидальном входном напряжении через нагрузку протекает синусоидальный ток, создающий на ней напряжение синусоидальной формы.     В рассмотренной схеме бестрансформаторного усилителя из-за нелинейности вольтамперных характеристик транзисторов на начальных участках усиление при малых входных напряжениях значительно уменьшается, что приводит к появлению искажений. При усилении напряжения синусоидальной формы в местах изменения полярности напряжения появляются небольшие горизонтальные участки, образующие как бы ступеньку между положительным и отрицательным полупериодами результирующего тока (или напряжения), протекающего через, нагрузку (рис.13,б). Поэтому такие искажения получили название искажений типа ступеньки. Для их уменьшения между базами транзисторов VT1 и VT2 включают резистор R3 (рис.13,в) с небольшим сопротивлением. За счет протекания по этому резистору тока делителя на нем создается небольшое напряжение, благодаря чему исчезают начальные нелинейные участки вольтамперных характеристик транзисторов и уменьшения усиления при малых входных сигналах не происходит. Для улучшений температурных свойств усилителя вместо резистора R3 включают полупроводниковый диод.     Подобрать пару мощных транзисторов р-n-р и n-р-n с одинаковыми параметрами гораздо труднее, чем пару транзисторов одного типа проводимости (оба р-n-р или n-р-n). В связи с этим часто бестрансформаторные усилители выполняют двухкаскадными (рис.14). В этой схеме VT1 и VT3 образуют составной транзистор p-n-p a VT2 и VT4 составной транзистор типа n-р-n. Транзисторы VT1 и VT2 рассчитаны на меньшую мощность, чем VT3 и VT4, поэтому их проще подобрать по параметрам. Нетрудно выбрать также транзисторы VT3 и VT4 с близкими параметрами, так как они оба p-n-p типа. На резисторах R4 и R5 создаются напряжения, которые подаются на эмиттерные переходы транзисторов VT3 и VT4 и задают необходимый режим работы выходных транзисторов. Изменяя сопротивления резисторов, можно добиться более полной симметрии плеч усилителя даже при значительных отклонениях параметров транзисторов VT1, VT2 и VT3, VT4. Чаще всего это делается путем, подбора резистора R5.

Список литература

1.) КАК РАБОТАЕТ СИСТЕМА ОПОВЕЩЕНИЯ

http://stroykhv.ru/kak-rabotaet-sistema-opovescheniya-2.)Общая классификация систем оповещения

http://www.escortpro.ru/page/article/article105.htm3)Источник: В.К.Лабутин. Книга радиомастера. Госэнергоиздат. М.-Л. 1961

4.) Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике (1991) Пример Расчет УНЧ стр293-241.

5) Ульрих ТитцеКристоф ШенкПолупроводниковая схемотехникаЗадание на дипломное проектирование

Рассчитать усилитель, обеспечивающий следующие параметры:

Выходная мощность, Вт - 100;

Сопротивление нагрузки, Ом – 4;

Диапазон усиливаемых частот, Гц – 100 17000;

Чувствительность, В – 1;

Сопротивление источника, кОм – 20;

Коэффициент нелинейных искажений,% - 1;

Напряжение питания (двухполярное), В - +-40;

Похожие работы:

«ДОГОВОР№ на оказание услуг по хранению авиационного топлива и заправке воздушных судов г. Оренбург" "20 г. Государственное унитарное предприятие Оренбургской области "Международный аэропорт "Оренбург" (сокращенное наименование ГУП Ор...»

«Falcon MMSРУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ FE-AC100 MMS Оглавление TOC \o 1-3 \h \z \u 1.Введение PAGEREF _Toc395817170 \h 1 -1.1 Введение PAGEREF _Toc395817171 \h 1 -1.2 Применение PAGEREF _Toc395817172 \h 1 -1.3 Электропитание PAGEREF...»

«II. Техническое состояние многоквартирного дома, включая пристройки   Наименование конструктивных элементов Описание элеменов (материал, конструкция или система, отделка и прочее )Техническое состояние элементов общего имущества многоквартирного дома 1 Фундамент монолитный железобетонный л...»

«АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДСКОГО ОКРУГА ГОРОД МИХАЙЛОВКАВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИПОСТАНОВЛЕНИЕ от 08 ноября 2017г. № 2967 Об утверждении проекта межевания и проекта планировки территории для размещения линейного объекта "Водовод х. Глинище – х. Сухов-2 городского округа город Михайловка Волгоградской области" В соответствии со ст...»

«Перечень документов необходимых для заключения договора на поставку тепловой энергии. УК, ТСЖ, ЖСК1. Заявление на поставку тепловой энергии, в котором необходимо указать:Ф.И.О. руководителя и гл. бухгалтера, номер телефона, контактное лицо для урегулирован...»

«ТЕНДЕРНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ № 366 от "16" июля 2012 г. на закупку строительно-монтажных работ (монтаж оборудования, наладочных работ на участковой водоотливной установке гор.300м) на ПСП "ШАХТА им. Н.И...»

«Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиГорный ИНСТИТУТ КОЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК АспирантураУТВЕРЖДАЮ Директор института, академик Н.Н. Мельников "_"2013 г. Протокол Ученого совета №_ от "_" 2013 г.РАБОЧАЯ...»

«Приложение №6 к Конкурсной документации №143-15/06/17 от "15" июня 2017г. Техническое задание на организацию СКС в ЦОД группы банков ТКБ и ИТБ Требования к организации ВОЛС/СКС в ЦОД СКС должна отвечать требованиям категории 6. ВОЛС должна отвечать требованиям пропускной способности многомодового оптоволокна - до 10 Гбит/с.Общее ко...»

«Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"УТВЕРЖДАЮ Декан ИЭФ _ Н.И. Гвоздев "_" 201 г.РАБОЧАЯ ПРО...»

«Решения, принятые Дисциплинарным комитетом Саморегулируемой организацией Некоммерческим партнерством "Первое Поволжское Строительное Объединение" (с момента присвоения статуса СРО – 30 апреля 2010г.) № протокола Дата проведения заседания Принятые решения 1 18.02.2011 1....»





















 
2018 www.el.z-pdf.ru - «Библиотека бесплатных материалов - онлайн документы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 2-3 рабочих дней удалим его.