Главная Обратная связь

Дисциплины:






ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ



1. Цель работы: Изучить принцип действия, свойства и характеристики усилителя мощности.

2. Вопросы для подготовки к работе.

1.Назначение усилителя мощности.

2.Основные требования, предъявляемые к усилителю мощности.

3.Объяснить работу схемы и назначение элементов исследуемого усилителя мощности.

4.Каковы условия обеспечения на выходе усилителя мощности максимальной мощности?

5.Какие характеристики усилителя мощности исследуются в данной лабораторной работе?

6.Чем можно контролировать степень нелинейных искажений в исследуемом на стенде усилителе?

7.Как определяются значения выходной мощности, КПД, коэффициента усиления по опытным данным?

8.Как производится графо – аналитический анализ усилителя мощности?

9.Как выбираются точки покоя для режимов А, В, АВ при графо – аналитическом анализе усилителя мощности?

3. Описание лабораторной установки.

В работе исследуется бестрансформаторная двухтактная схема усилителя мощности на транзисторах с разным типом проводимости, включенных по схеме с общим коллектором (рис. 7.1). Имеется предварительный усилитель на операционном усилителе.

На вход схемы подается сигнал от генератора синусоидальных колебаний низкой частоты. Выходное напряжение измеряется с помощью электронного вольтметра, форма выходного сигнала исследуется с помощью осциллографа.

Для измерения энергетического режима схемы используются измерительные приборы непосредственной оценки. В качестве нагрузки применяется магазин сопротивлений.

4. Содержание работы.

1. Собрать и опробовать схему (рис. 7.1). Увеличивая входной сигнал (f = 1000Гц), отметить по осциллографу момент появления в выходном сигнале нелинейных искажений, определить диапазон линейного усиления входного сигнала, зарисовать осциллограммы выходного напряжения.

2. Снять амплитудную характеристику усилителя при f = 1000 Гц и сопротивлении нагрузки Rн=1000 Ом. Диапазон изменения входного сигнала должен захватывать часть режима усилителя при нелинейных искажениях. Данные опыта занести в таблицу 7.1.

Таблица 7.1.

Uвх, В  
Uвых, В  

3. Построить амплитудную характеристику, определить по ней область линейного усиления, максимально возможный входной сигнал.

4. Снять нагрузочную характеристику усилителя Рн = f(Rн), при максимальном входном сигнале (при допустимом значении линейных искажений). Данные занести в таблицу 7.2.

Таблица 7.2.

Uвх (B)  
I0 (A)  
Uвых (В)  
Rн (Ом)  
Pн (Вт)  
КПД  

5. Определить оптимальное сопротивление нагрузки, соответствующее максимальной выходной мощности. Построить нагрузочную характеристику Рн = f(Rн), а также зависимости Uвых, КПД от сопротивления нагрузки.



6. Снять амплитудную характеристику усилителя при оптимальном сопротивлении нагрузки. Построить характеристику и сравнить ее с такой же, но при Rн макс. Определить влияние величин сопротивления нагрузки на степень искажения усиливаемого сигнала.

 

5. Содержание отчета.

1. Цель работы.

2. Паспортные данные приборов и оборудования.

3. Схему исследования и таблицы с результатами измерений.

4. Графики амплитудных и нагрузочной характеристик, осциллограммы выходного напряжения.

5. Ответы на вопросы к зачету.

6. Теоретические сведения

Усилители мощности являются выходными каскадами систем управления электро-механическими устройствами и обеспечивают получение в нагрузке необходимой электрической мощности. Нагрузкой могут являться обмотки электродвигателей, реле и т.д.

Принцип работы усилителя мощности основан на управлении передачей мощности от источника питания в нагрузку.

В конкретном усилителе мощность в нагрузке зависит от уровня входного напряжения (чем больше входное напряжение, тем больше мощность), коэффициента усиления и сопротивления нагрузки. Потребляемая от источника питания мощность превышает мощность в нагрузке, так как часть ее рассеивается в виде тепла на выходных усилительных транзисторах.

Для передачи максимальной мощности в нагрузку и обеспечения, таким образом, высокого коэффициента полезного действия усилителя необходимо обеспечить согласование усилителя с нагрузкой по мощности, то есть выполнить условие равенства выходного сопротивления усилителя и сопротивления нагрузки. Поскольку нагрузка обычно является низкоомной, то выходное сопротивление усилителя также должно быть небольшим. Для этого выходные транзисторы усилителя включают по схеме с общим коллектором и вводят в схему общую отрицательную обратную связь по напряжению. Чтобы связь была эффективной в качестве промежуточного каскада для усиления напряжения используется ОУ с высоким коэффициентом усиления по напряжению kU0 .

Схема усилителя мощности представлена на рис. 7.1. Здесь DA1 – ОУ, включенный по схеме инвертирующего усилителя, VT1, VT2 – выходные транзисторы, R1 – входной резистор, определяющий входное сопротивление усилителя, R3 – резистор цепи ООС, задающий вместе с R1 коэффициент усиления по напряжению схемы, R2– резистор компенсации токовой ошибки усилителя, R4, R5, VD1, VD2 – цепь смещения выходных транзисторов, обеспечивающая класс усиления АВ, Rн – регулируемая нагрузка. Питание усилителя осуществляется от источников Е1 и Е2. С помощью переключателя SA усилитель может быть охвачен общей (положение 1) или местной ООС (положение 2) по напряжению.

Рассмотрим принцип работы схемы не зависимо от положения переключателя SA.

При нулевом входном напряжении благодаря действию цепи смещения выходные транзисторы VT1 и VT2 находятся в активном режиме при небольших значениях тока коллектора, который протекает сверху вниз через оба транзистора. При этом напряжение на нагрузке равно нулю. Благодаря малому значению тока покоя транзисторов схема потребляет небольшую мощность.

При положительной полуволне входного напряжения на выходе ОУ появляется отрицательное напряжение

, (7.1)

которое через открытые диоды VD1 и VD2 подается на базы транзисторов. В результате транзистор VT1 входит в отсечку, а VT2 остается в активном режиме и еще больше открывается. Через нагрузку протекает ток в направлении от общего провода через резистор R7, транзистор VT2 к источнику питания Е2. На выходе формируется отрицательная полуволна напряжения , так как коэффициент усиления выходного каскада примерно равен единице. В нагрузке выделяется мгновенная мощность

. (7.2)

При отрицательной полуволне напряжения на входе на выходе ОУ наблюдается положительное напряжение. Транзистор VT2 входит в отсечку, а VT1 остается в активном режиме и дополнительно приоткрывается. Через нагрузку протекает ток от источника питания Е1 через VT1 и R6 на общий провод схемы. На выходе формируется положительная полуволна напряжения, и в нагрузке выделяется соответствующая электрическая мощность.

Как видно, каждый из транзисторов участвует в усилении только одной полуволны сигнала. Причем усиление осуществляется только по току (выходной ток транзисторов – ток эмиттера – существенно больше входного тока – тока базы). По этой причине выходной каскад усилителя принято называть двухтактным, а транзисторы, отличающиеся по проводимости (структуре) - комплементарными.

Поскольку транзисторы при усилении сигнала работают в активном режиме, то при протекании тока на них непроизводительно выделяется мощность, рассеиваемая в виде тепла. Для отвода тепла используются радиаторы, форма и размеры которых зависят от мощности и коэффициента полезного действия (КПД) усилителя. Расчет площади поверхности радиатора ведется из расчета 10см2 на 1Вт рассеиваемой транзистором мощности.

КПД усилителя можно оценить по формуле

, (7.3)

где Ртр - мощность, рассеиваемая транзистором. При этом

. (7.4)

Свойства усилителя зависят от положения переключателя SA. В положении 2, когда используется местная ООС, охватывающая только ОУ, наблюдаются более значительные нелинейные искажения усиливаемого сигнала, возникающие вследствие нелинейности и различия входных характеристик транзисторов. В положении 1 используется общая ООС, охватывающая весь усилитель (в том числе и транзисторы). При этом благодаря ее действию нелинейные искажения сигнала существенно уменьшаются.

При проектировании усилителя мощности принципиально важным является выбор класса усиления и типа выходных транзисторов. Покажем это, используя графический метод.

На рис. 7.2,а и 7.2,б представлены графики, характеризующие работу транзисторов в классах усиления А (все время в активном режиме) и В (работают в активном режиме при усилении одной полуволны). Здесь на входные характеристики наложены в виде фрагментов синусоид усиливаемые сигналы (напряжения с амплитудой ), которые создают соответствующие изменения тока базы . Эти изменения, в свою очередь, вызывают изменения тока коллектора , где β – коэффициент усиления по току транзисторов, которые преобразуются в изменения напряжения коллектор-эмиттер и изменения напряжения на нагрузке: .

Видно, что в случае использования класса А (рис. 7.2, а), транзистор способен усиливать обе полуволны сигнала. Однако при этом, если уровень входного сигнала равен нулю, через транзистор протекает значительный ток покоя , соответствующий точке А на выходных характеристиках, что приводит к значительному рассеиванию тепла на нем и обуславливает неприемлемо низкое для усилителя мощности значение КПД. В другой ситуации, когда используется класс усиления В (рис. 7.2, б), транзистор может усиливать только одну полуволну, но при этом в режиме покоя ток коллектора небольшой, и КПД схемы много выше. Применение в классе В комплементарной пары транзисторов с разной структурой решает проблему усиления обеих полуволн сигнала, при этом КПД схемы остается достаточно высоким.

Выбор типов транзисторов для применения в выходном каскаде усилителя производится, исходя из требуемой максимальной мощности в нагрузке при максимальном уровне выходного напряжения, близком к напряжению питания Е1,2. Поскольку усилитель работает с разными уровнями входного сигнала, то наихудшим с точки зрения рассеиваемой на транзисторе мощности является случай, когда напряжение на нагрузке составляет половину напряжения источников питания Е1 и Е2 (другая половина напряжения падает на транзисторах). Для класса усиления В в этом случае мощность, рассеиваемая на обоих транзисторах, примерно равна мощности в нагрузке. На каждом из транзисторов рассеивается половина общей мощности. Поскольку мощность в нагрузке в этом случае составляет четверть максимальной (расчетной для усилителя), то теоретически для нормального функционирования усилителя необходимо использовать транзисторы, рассчитанные по мощности на 1/8 часть максимальной выходной мощности усилителя.

 

 

а)

 

 

 

б)

Рисунок 7.2

 

На практике для обеспечения длительного и надежного функционирования усилителя в широком диапазоне температур окружающей среды рекомендуется выбирать транзисторы с максимальной мощностью примерно равной половине максимальной мощности в нагрузке, то есть с некоторым запасом.

Специально для применения в усилителях мощности промышленность выпускает согласованные по свойствам комплементарные пары транзисторов разной структуры. К ним, например, относятся транзисторы малой мощности КТ315 (n-p-n) и КТ361 (p-n-p), транзисторы большой мощности КТ815 (n-p-n) и КТ814 (p-n-p) и др.

 

7. Вопросы к зачету.

1.Оцените свойства исследуемого усилителя по его амплитудным характеристикам.

2.Каковы причины нелинейных искажений выходного напряжения исследуемого усилителя при больших значениях входного сигнала?

3.Как влияет величина сопротивления нагрузки на свойства усилителя мощности?

4.Оценить достоинства и недостатки усилителя мощности, работающего в классах усиления А; АВ; В.

5.Почему КПД усилителя мощности, работающего в классе В, выше чем при работе в классе А?

6.Сравнить и объяснить значения мощности на нагрузке и КПД усилителя в режимах нагрузки с максимальным и оптимальным сопротивлением.

7.Как измениться выходной сигнал и режим усилителя, если один из транзисторов двухтактного усилителя выйдет из строя и будет удален из схемы?

 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...