Thiết kế mạch khuếch đại công suất

Khi khuếch đại tín hiệu lớn tức Transistor không làm việc trong miền tuyến tính nữa khi tính toán không sử dụng sơ đồ tương đương mà sử dụng đồ thị.. Nhiệm vụ của khuếch đại công suất:

Đề bài: Thiết kế mạch khuếch đại công suất với các chỉ tiêu như sau:

- Công suất ra cực đại trên tải 16 :  P tmax  50W

- Giải thông nguồn tín hiệu cần khuếch đại: 20Hz – 20Khz

- Nguồn tín hiệu vào U v  0,1 ,V r n  1K

- Hệ số méo phi tuyến   1%

- Hệ số méo tuyến tính tại f=20Hz và f=20Khz < 2=1,4

- Chọn hệ số khuếch đại tĩnh của Transistor   50

- Các chỉ tiêu khác tùy chọn

- Các thông số khác của linh kiện sinh viên tự lựa chọn sao cho phù hợp với yêu cầu

Sinh viên thực hiện:

1, Ninh Thị An

2, Lê Tuấn Anh

3, Đoàn thị Phương Châm

4, Hoàng Linh Chi

5, Bùi Hữu Chiến

6, Nguyễn Mạnh Cường

NỘI DUNG THIẾT KẾ

I/ Lý thuyết chung về khuếch đại công suất

1) Khái niệm

Tầng khuếch đại công suất có nhiệm vụ đưa ra công suất đủ lớn và phù hợp để kích thích cho tải Công suất ra của nó cỡ vài phần mười W đến hơn

100W Công suất này được đưa đến tầng sau dưới dạng điện áp hoặc dòng điện có biên độ lớn Khi khuếch đại tín hiệu lớn tức Transistor không làm việc trong miền tuyến tính nữa khi tính toán không sử dụng sơ đồ tương đương mà sử dụng đồ thị

Nhiệm vụ của khuếch đại công suất:

+ Độ méo tín hiệu cho phép + Hiệu suất cao

Đặc điểm:

 Làm việc với tín hiệu lớn

 Làm việc cả vùng đặc tuyến không tuyến tính

 Để giảm nhỏ công suất tiêu tán thì thường sử dụng tản nhiệt

 Thường để ý đến hệ số khuếch đại dòng điện

2) Các tham số của tầng khuếch đại công suất

- Hệ số khuếch đại công suất: Hệ số khuếch đại công suất Kp là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào:

ra P v

P K P

 (xoay chiều)

- Hiệu suất: Hiệu suất là tỷ số giữa công suất ra Pr và công suất cung cấp 1 chiều Po

0

Pra

P

  100%

- Trở kháng vào: Yêu cầu của trở kháng vào lớn tương đương với dòng tín hiệu vào nhỏ, nghĩa là mạch phải có hệ số khuếch đại dòng điện lớn.vì vậy mạch khuếch đại công suất có ki lớn chỉ sử dụng mạch mắc OE,OC

- Trở kháng ra :trở kháng ra nhỏ , dòng điện ra lớn

-3) Các loại khuếch đại công suất

Để phân loại các mạch khuếch đại công suất ta có thể dựa vào nhiều dấu hiệu

để phân loại:

 Dựa vào linh kiện tích cực thực hiện khuếch đại công suất:

 Mạch khuếch đại công suất sử dụng đèn điện tử

 Mạch khuếch đại công suất sử dụng BJT

 Mạch khuếch đại công suất sử dụng FET

 Mạch khuếch đại công suất sử dụng IC

 Dựa vào số lượng phần tử tích cực:

 Mạch khuếch đại công suất đơn (1 phần tử tích cực)

o Mạch khuếch đại công suất đơn ghép R-C

o Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp

 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo (2 phần tử khuếch đại trở lên)

o Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp

o Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không có biến áp

 Dựa vào chế độ hoạt động của phần tử tích cực:

 Mạch khuếch đại công suất chế độ A

 Mạch khuếch đại công suất chế độ B

 Mạch khuếch đại công suất chế độ AB

 Mạch khuếch đại công suất chế độ C

 Mạch khuếch đại công suất chế độ D



4) Chế độ làm việc

Tùy thuộc vào chế độ công tác của Transistor, người ta phân biệt : bộ khuếch đại chế độ A, AB,B và C

+ Chế độ A: tín hiệu được khuếch đại gần như tuyến tính.tín hiệu ra tồn tại cả chu kỳ của tín hiệu vào Góc cắt   180 0 T/ 2 Khi tín hiệu vào hình Sin thì ở chế độ A dòng tĩnh colector luôn luôn lớn hơn biên độ dòng điện ra Vì vậy hiệu suất của bộ khuếch đại chế độ A rất thấp ( 50%) Do

đó chế độ A chỉ được dùng trong trường hợp công suất ra nhỏ P ra  1W

Mạch khuếch đại chế độ A

Nếu điểm làm việc Q giũa đường đặc tuyến truyền đạt  tín hiệu ra tồn tại

cả chu kì của tín hiệu vào <với điều kiện tín hiệu vào có biên độ vừa phải (

Uvp<Ura )>, méo phi tuyến nhỏ vì nó làm việc trong đoạn đặc tuyến tuyến tính

+ Chế độ AB có góc cắt 90 0    180 0 ,tín hiệu ra tồn tại trong khoảng thời gian >1/2 chu kỳ ,< hơn 1 chu kỳ của tín hiệu vào Ở chế độ này có thể đạt hiệu suất cao hơn chế độ A (<70%) vì dòng tĩnh ICo lúc này nhỏ hơn dòng tĩnh chế độ A Điểm làm việc trên đặc tuyến tải gần khu vực tắt của

Transistor

+Chế độ B ứng với   90 0.tín hiệu ra chỉ tồn tại ½ chu kỳ của tín hiệu vào Điểm làm việc tĩnh được xác định tại chỉ một nửa chu kỳ âm (hay dương) của điện áp vào được Transistor khuếch đại

+Chế độ C có góc cắt   90 0 Hiệu suất của chế độ C khá lớn (>78%) nhưng méo lớn Nó thường được dùng trong các bộ khuếch đại tần số cao

và dùng với tải cộng hưởng để có thể lọc ra được hài bậc nhất như mong muốn Chế độ C còn được dùng trong mạch logic và mạch khóa

+Chế độ D là mạch khuếch đại mà các phần tử tích cực chỉ ở 1 trong 2 trạng thái : *khóa hoàn toàn

*thông hoàn toàn

5) Phân tích ưu, nhược điểm của các mạch khuếch đại công suất

a) Mạch khuếch đại công suất đơn (chế độ A)

 Mạch khuếch đại công suất ghép biến áp

Sơ đồ mạch điện:

Hoạt động của máy biến áp

Máy biến áp có thể tăng hay giảm giá trị điện áp hay dòng điện theo tỷ

lệ đã định trước Máy biến áp trong bài là máy tăng áp và bỏ qua sự tổn hao công suất

Sự thay đổi điện áp: Máy biến áp có thể làm tăng hay giảm điện áp phụ thuộc vào số vòng dây mỗi bên Sự biến đổi điện áp thể hiện qua công thức

N N2

1 =

U U2

1 ; nếu số vòng dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn ở cuộn sơ cấp thì điện áp ra ở cuộn thứ cấp sẽ lớn hơn ở cuộn sơ cấp

Sự thay đổi về dòng điện: Dựa vào công thức

N N2

1 =

I

I

1

2 Nếu số vòng

dây ở cuộn thứ cấp lớn hơn cuộn sơ cấp thì dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp sẽ nhỏ hơn dòng điện ở cuộn sơ cấp

Tải của biến áp có biến đổi trở kháng:R'Llà điện trở nhìn vào từ cuộn

sơ cấp của máy biến áp Đặt 2 2 2

1

(N )

a N

 Điện trở tải ở cuộn thứ cấp

phản ánh qua điện trở thứ cấp được tính: 1 2 2 2

'

( )

L L

a

R R   N

Đặc điểm của mạch: Khi tín hiệu ra U ra và điện áp nguồn U cccó mối quan

hệ U ra U cc thì hiệu suất của mạch có thể đạt lớn nhất (  50%)

Độ méo sóng hài của mạch khuếch đại chế độ A tương đối nhỏ Trong trường hợp ghép biến áp, do có dòng 1 chiều chạy trong cuộn dây, khá lớn làm tăng dòng từ hóa của lõi cắt biến áp dẫn đến trạng thái bão hòa Điều này sẽ gây méo dạng tín hiệu ra Để giảm méo do bão hòa từ, người ta tăng từ trở của lõi sắt bằng vật liệu cách từ ở khe hở giữa lá sắt

b) Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo (chế độ B)

 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp

Sơ đồ mạch điện:

Nguyên lý làm việc:

Khi ta đưa tín hiệu hình sin vào đầu vào của biến áp đảo pha có 2 điện

áp là U1và U 2hai điện áp này bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha nhau

Giả sử ở 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào U 1>0, U 2<0 lúc này T2 khóa nên I C2=0, T1 thông có dòng I C1 chạy qua từ +U CC qua nửa trên của sơ

cấp biến áp ra qua T1 và về -U CC Cường độ của dòng I C1 phụ thuộc vào biên độ của điện áp vào

Ở các 1/2 chu kỳ tiếp theo quá trình được lặp lại

Ở 1/2 chu kỳ tiếp theo U1<0, U 2>0 T1 chuyển trạng thái từ thông sang khóa, dòng I C1=0, còn T2 chuyển trạng thái từ khóa sang thông, xuất hiện dòng I C2chạy từ +U CCqua nửa dưới của sơ cấp biến áp ra qua T2 về -U CC

Dòng I C1,I C2 ngược chiều nhau trên sơ cấp biến áp nên trên thứ cấp biến áp I ra n I( C1  I C2 )

=> nhận xét: như vậy mặc dù 2 nửa chu kỳ của điện áp tín hiệu vào các Transistor chỉ làm việc trong 1/2 chu kỳ nhưng tín hiệu ra lên tải vẫn đầy đủ cả 2 nửa chu kỳ

Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất đẩy kéo ghép biến áp

 Ưu điểm: Ở chế độ tĩnh sẽ không tiêu thụ dòng do nguồn cung cấp nên không có tổn hao trên Transistor Mặt khác vì không có dòng 1 chiều chạy qua biến áp nên không gây méo

do bão hòa từ Hiệu suất của mạch lớn nhất đạt khoảng

78,5% Mạch dễ phối hợp trở kháng

 Nhược điểm: Méo xuyên tâm lớn khi tín hiệu vào nhỏ; khi cả

2 vế khuếch đại không được cân bằng Biến áp cồng kềnh, có thể gây méo tần số, làm giảm dải thông của mạch, không có khả năng vi mạch hóa

 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp cung cấp song song (2 nguồn)

Sơ đồ mạch điện:

Nguyên lý hoạt động:

Khi ta đưa tín hiệu hình sin vào đầu vào Giả sử ở 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào U v>0, lúc này T2 khóa, T1 thông có dòng I C1 chạy qua từ +U CC qua T1 qua R T và về -U CC

Ở 1/2 chu kỳ tiếp theo U vđổi cực tính, U v<0 T1 chuyển trạng thái từ thông sang khóa, còn T2 chuyển trạng thái từ khóa sang thông, xuất hiện dòng I C2chạy từ +U CC qua T2 qua R Tvề -U CC

Ở các 1/2 chu kỳ tiếp theo, quá trinh được lặp lại

Dòng I C1,I C2 ngược chiều nhau trên sơ cấp biến áp nên trên thứ cấp biến áp I ra  (I C1  I C2 ) Như vậy mặc dù 2 nửa chu kỳ của điện áp tín hiệu vào các Transistor chỉ làm việc trong 1/2 chu kỳ nhưng tín hiệu ra lên tải vẫn đầy đủ cả 2 nửa chu kỳ

 Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp ghép nối tiếp (1 nguồn)

Sơ đồ mạch điện:

Nguyên lý hoạt động:

Khi ta đưa tín hiệu hình sin vào đầu vào Giả sử ở 1/2 chu kỳ đầu của tín hiệu vào U v>0, lúc này T2 khóa I C2=0, T1 thông có dòng I C1 chạy qua từ +U CC qua T1 qua C và về điện trở tải R T trở về -U CC Dòng I C1

nạp điện cho tụ C

Ở 1/2 chu kỳ tiếp theo U vđổi cực tính, U v<0 T1 chuyển trạng thái từ thông sang khóa, còn T2 chuyển trạng thái từ khóa sang thông Tụ điện

C phóng điện tạo thành dòng I C2chạy từ +C qua T2 qua R Tvề -C

Ở các 1/2 chu kỳ tiếp theo, quá trinh được lặp lại

Dòng I C1,I C2 ngược chiều nhau trên sơ cấp biến áp nên trên thứ cấp biến áp I ra  (I C1  I C2 ) Như vậy mặc dù 2 nửa chu kỳ của điện áp tín hiệu vào các Transistor chỉ làm việc trong 1/2 chu kỳ nhưng tín hiệu ra lên tải vẫn đầy đủ cả 2 nửa chu kỳ

Đặc điểm của mạch khuếch đại công suất đẩy kéo không biến áp

 Nhược điểm: phải có 2 nguồn cung cấp riêng biệt Hiện tượng méo xuyên tâm Đây là sự gãy khúc của tín hiệu ra trên tải ở thời điểm chuyển tiếp từ nửa chu kỳ dương sang âm Để giảm méo xuyên tâm cho chế độ B lúc tín hiệu vào còn yếu người ta sẽ dùng chế độ AB để làm tầng kích thích cho tầng công suất cuối chế độ B Việc phối hợp trở kháng không tốt bằng mạch khuếch đại công suất đẩy kéo có biến áp Không cách ly thành phần 1 chiều và thành phần xoay chiều, chỉ áp dụng với các mạch tải cố định

 Ưu điểm: Do không có biến áp kết cấu gọn, giá thành thấp,

có khả năng vi mạch hóa trở thành vi mạch

T2

R1

C

Rt T1

R2

Tính toán các thông số của mạch:

1) mạch khuếch đại công suất:

sơ đồ mạch :

Ta có công suất ra max trên tải là:

max

t

p t

R

U

.

2

2

) ( =50 (w)

Có

2

1

2

t

t

U

R

Vậy điện áp ra U t=40V

Theo sơ đồ thì tầng được cung cấp bằng nguồn cung cấp nối tiếp, còn tải được mắc qua tụ điện có điện dung đủ lớn Khi không có tín hiệu thì tụ C được nạp tới trị số 1

2U CC Tụ C4 được coi như “ nguồn giả” để cung cấp cho tải

Suy ra U cc  2U t  2.40 80( )  V

Chọn tụ C có giá trị điện dung lớn Chọn tụ C4  2200 F có điện áp chịu đựng 50V

Dòng qua tải 16 ; 40 2,5( )

16

t t t

U

R

    (hình mạch khuếch đại công suất)

Dòng điện đỉnh qua tải C p( ) ( )( )t p 2,5( )

t

U

R

Dòng điện đỉnh qua tải cũng là dòng I C p( )  2,5( )A

Công suất 1 chiều cung cấp cho mạch

( )

.2. 80.2,5.2

127, 4( ) 3,14

cc c p

VDC

U I



Công suất ra: ( ) 80.2,5

100( )

cc C p AC

U I

Công suất tiêu tán trên mỗi Transistor:

1 2

127, 4 100

13,7( )

Hiệu suất của mạch: 100 78, 4%

127, 4

raAC VDC

P P

Để công suất ra ổng định, hiệu suất cao, không gây ra méo ta chọn chế độ làm việc của mạch là chế độ AB Khi đó chọn U B=0.8 (v)

Khi có tín hiệu vào, Transistor sẽ thông ngay Ta có:

B

U =

1 2

2

R

R

U

R cc

 =0.8 (v)

Chọn R1  100 (k ) R2  1 (k )

Chọn

( ) 2,5( )

IC p



( ) 0,05( )

V p

Vì tầng khuếch đại công suất lắp theo kiểu OC có hệ số khuếch đại điện áp

1

U

K 

ra

vao

U

U

Theo các giá trị trên chọn T1 T2 sao cho

max

max

max

15

2,5

80

50

C

CE



















 



và 1 2

4

120 ; 1,5 ; 16

2200 ,50( )

t

     



T1 loại 2SC1445-100(V)-6(A)-40(W)

T2 loại 2SA1443-100(V)-10(A)-30(W)

2) Mạch tiền khuếch đại công suất

Sơ đồ mạch điện:

Sơ đồ tương đương của mạch là:

Đối với mạch tiền khuếch đại công suất ta chọn R 1 và ro sao cho mạch làm việc ở chế độ A

Mạh tiền khuếch đại có I  r I v của mạch khuếch đại nên I r  0 05 (A)

Theo đề bài ta có U v  0.1 ,V R n   1k ,ta chọn   25 vậy

4

0,1

10 ( ) 100( ) 1000

v

v

n

U



Khi chọn chế độ làm việc của mạch ở chế độ A :

max

40 ,

U  U  V I  I

Ta chọn dòng I cmax của (T) là I cmax  0 2, vậy 0 1 ( )

2

2 0

A

I CQ  

Phương trình đầu ra của mạch :U cc I R CQ C U CEQ I R E E  0 (1)

Ta chọn   25

) ( 10 4

10

) ( 10 4 25

1

,

0

2 3

A I

I

A I

I

B

p

c

B

















Vậy Pt(1) trở thành:Ucc  ( RC  R IE) CQ  UCEQ  0

) (

2

, cc CQ c E2

E

) ( 400 1 , 0 2

80

2 )



CQ

cc E

c

I

U R

R

Ta chọn: 100300(())





E

c

R

R

10 4

80 2 2

1      k

I

U R

R

p

cc b

b

Để mạch làm việc ở chế độ A thì U BQ 1 V, 1 ( )

Ta có:

) ( 5 , 1972 5

, 27 2000

) ( 5 , 27 80

2200

2200 10

2

.

1

,

1

.

1 ,

1

.

1

2

3 2

2

1

2

























b

b

b

cc

b

b

b

cc

R

R

R

U

R

R

R

U

Để cấp cho mạch khuếch đại công suất đẩy kéo thì 1

2

U  U

Có Uv =0.1(V) Ta chọn mạch phối hợp mắc theo kiểu OC có

ra

e

Z

Ku

r



 .

Tính r e= ?

3

0,173 0,15

T

e

r



3, Mạch vào phối hợp trở kháng

Sơ đồ mạch điện :

Mạch phối hợp trở kháng mắc OC chung 11

i

u K K

1000

1

A r

U

Ta có : I r sẽ bằng I v của mạch tiền khuếch đại

20

10

.

2 3









v

r

i

r

I

I

K

I

Dể méo phi tuyến nhỏ nhất ta chọn mạch làm việc ở chế độ A

Chọ transistor có I cmax  0 , 5 (A)

Ở chế độ A ơ U I 0,4025((V A))

CEQ

CQ







C B

E

E E

E E CE CC

I

I

R

R I

I

R I U U

C





















) ( 160

25 , 0 40

0

1

1 1

25

25 0



01 0

80







B R

4 Tính toán các giá trị của tụ điện

3 2

1 ,C ,C

C là các tụ ghép tầng

r f

C C f

r

n

2

1

2

1

1 min

1 1 min













Ta nên chọn C1  50 F

)

.(

2

1 )

( 2

1

2

1 )

(

2 1

2 1 min 2

min

2 2

min 2

b b

b b v

v

R R

R R f

T R f

C C

f T

R

















Ta chọn C2=1000(uF)

.(

2

1 )

, ( 2

1

2

1 )

,

(

2 1

2 1 min 4

3 min

3 3

min 4

3

R R

R R f

T T R f

C C

f T

T

R

v v

















Chọn C3 50 ( F)

R f

C C f

R

E

E E

2

1

2

1

2

2

min min













Nếu chọn C E 100 F(  )

III Sơ đồ mạch thiết kế cụ thể

KẾT LUẬN

Qua quá trình học tập, tìm hiểu tài liệu tham khảo và với sự hướng dẫn của thầy giáo TRƯƠNG THANH BÌNH, nhóm em đã thiết kế được một mạch khuếch đại công suất với các chỉ tiêu yêu cầu

Dù đã rất cố gằng nhưng do kiến thức còn hạn chế nên bài thiết kế này không tránh khỏi những sai sót Mong thầy xem xét và bổ sung ý kiến để bài thiết kế của chúng em được hoàn chỉnh hơn

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình làm và hoàn thành bài thiết kế

Tài liệu tham khảo:

1, Bài giảng Vật liệu và dụng cụ điện tử - ThS Trương Thanh Bình, ĐHHH

2, Bài giảng Cơ sở kỹ thuật mạch điện tử - ThS Trương Thanh Bình, ĐHHH

2, Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà, NXB Khoa học kỹ thuật