Двухкаскадный усилитель постоянного тока.

 В статье усилитель постоянного тока на кт315 рассматривался расчёт инвертирующего усилителя постоянного тока. Для того чтобы создать неинвертирующий усилитель с большим коэффициентом усиления можно соединить каскадно два инвертирующих усилителя но для использования, в этом случае, схемы из предыдущей статьи необходимо пересчитать сопротивления резисторов делителя задающего положение рабочей точки транзистора. В схеме из предыдущей статьи рабочая точка находилась посередине нагрузочной характеристики. Сдвинем рабочую точку вниз по нагрузочной прямой так чтобы напряжение Uкэ, при отсутствии сигнала на входе, было максимальным.

Рисунок 1 - Выходные характеристики, нагрузочная прямая и рабочая точка

 Если на вход подать сигнал то рабочая точка сдвинется вверх по нагрузочной прямой и напряжение Uкэ уменьшится следовательно уменьшится и напряжение на выходе так как Uкэ это и выходное напряжение. Если выход одного такого усилителя подключить ко входу другого такого же то уменьшение напряжения на выходе первого будет создавать увеличение напряжения на выходе второго. Выберем напряжение Uбэ так чтобы ток базы был равен нулю и   транзистор был закрыт.

Рисунок 2 - Входная характеристика транзистора кт315Б для схемы с ОЭ

Из входной характеристики видно что при Uбэ=0.1В ток базы будет равен нулю даже если Uкэ=0В. Выберем Uбэ=0.1В.

Рисунок 3 - Схема инвертирующего усилителя

Напряжение на выходе, на самом деле, будет немного меньше напряжения питания так как закрытый транзистор обладает небольшой проводимостью. Выберем ток делителя таким же как и в схеме из предыдущей статьи Iд=0.09мА. Рассчитаем сопротивления резисторов делителя (приняв Iд1=Iд2=Iд=0.09мА=0.00009А):

Подберем сопротивления резисторов из стандартного ряда сопротивлений (или подберем резисторы из имеющихся с ближайшими значениями сопротивлений): Rд1=56кОм, Rд2=1,5кОм. 

Другая схема двухкаскадного усилителя

Как было выяснено, схема приведенная выше не производит усиление если напряжение на входе меньше 0.6В, если больше 0.6В но меньше 5В то усиление происходит до 5В (возможно схема работает только в очень узком диапазоне входных напряжений около 0.6В), поэтому она была немного изменена:    

Рисунок 5 - Схема двухкаскадного усилителя постоянного напряжения

Выберем ток базы:

используя входную характеристику:

Рисунок 6

Выберем ток Iд1 в 10 раз больше тока базы:

Рассчитаем, по первому закону Кирхгофа, ток Iд2:

Напряжение Uбэ1 найдено из входной характеристики (рисунок 6) по току базы Iб1:

Рассчитаем, по закону Ома, сопротивление резистора Rд2 и подберем подходящее из стандартного ряда:

Рассчитаем сопротивление резистора Rд1:

Найдем ток коллектора транзистора VT1:

h21э=120 - коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.
Найдем напряжение Uкэ1:

Rк1=1000Ом - сопротивление резистора в Rк1 (как в предыдущей схеме).

Выберем напряжение на выходе:

Рассчитаем ток коллектора транзистора VT2:

Uп=5В - напряжение питания.
Найдем ток базы второго транзистора (VT2):

Из входной характеристики:

Рисунок 7

найдем напряжение Uбэ2:

Найдем напряжение на резисторе Rэ2:

По закону Ома, найдем сопротивление резистора Rэ2:

Ниже приведены фотографии собранного усилителя.
Измерение напряжения на выходе:

Измерение напряжения на входе:

Напряжение на вход подавалось с источника питания через резисторы.
Было проведено три измерения, результаты занесены в таблицу:

Uвх - напряжение на входе, Uвых - напряжение на выходе, KU - коэффициент усиления по напряжению. Из таблицы видно что коэффициент усиления по напряжению увеличивается при увеличении напряжения на входе, но возможно и такому усилителю найдется применение.

Усилитель постоянного тока на кт315.

 На рисунке 1 представлена схема инвертирующего усилителя постоянного тока, транзистор включен по схеме с общим эмиттером:

Рисунок 1 - Схема усилителя постоянного тока на КТ315Б.

Рассмотрим расчёт элементов схемы. Допустим схема питается от источника с напряжением 5В (это может быть например сетевой адаптер), выберем ток коллектора Iк транзистора VT1 таким чтобы он не превышал предельно допустимого тока для выбранного транзистора (для КТ315Б максимальный ток коллектора Ikmax=100мА). Выберем Iк=5мА. Для расчёта сопротивления резистора Rк поделим напряжение питания Uп на ток коллектора:

Если сопротивление не попадает в стандартный ряд сопротивлений то нужно подобрать ближайшее значение и пересчитать ток коллектора. 
(Подробнее о выборе Rк)

На семействе выходных вольт амперных характеристик построим нагрузочную прямую по точкам Uп и Iк (показана красным цветом). На нагрузочной прямой выберем рабочую точку (показана синим цветом) по середине.

Рисунок 2 - Выходные ВАХ, нагрузочная прямая и рабочая точка

На рисунке 2 рабочая точка не попадает ни на одну из имеющихся характеристик но находится чуть ниже характеристики для тока базы Iб=0.05мА поэтому ток базы выберем чуть меньше например Iб=0.03мА. По выбранному току базы Iб и входной характеристике для температуры 25С^o и напряжения Uкэ=0 найдём напряжение Uбэ:

Рисунок 3 - Входная характеристика транзистора для выбора напряжения Uбэ

Для тока базы Iб=0.03мА найдем напряжение Uбэ но выберем чуть больше так как Uкэ>0 и характеристика будет располагаться правее, например выберем Uбэ=0.8В. Далее выберем ток резистора Rд1, этот ток должен быть больше тока базы но не настолько большим чтобы в нем терялась большая часть мощности, выберем этот ток в три раза большим чем ток базы:

   По первому закону Кирхгофа найдем ток резистора Rд2:

Обозначим на схеме найденные токи и напряжения:

Рисунок 4 - Схема усилителя с найденными токами ветвей и напряжениями узлов

Рассчитаем сопротивление резистора Rд1 и подберем ближайшее его значение из стандартного ряда сопротивлений:

Рассчитаем сопротивление резистора Rд2 и подберем ближайшее его значение из стандартного ряда сопротивлений:

Обозначим сопротивления резисторов на схеме:

Рисунок 5 - Усилитель постоянного тока на КТ315Б.

  Так как расчёт приближённый может потребоваться подбор элементов после сборки схемы и проверки напряжения на выходе, элементы Rд1 и/или Rд2 в этом случае нужно подобрать так чтобы напряжение на выходе было близко к выбранному напряжению Uбэ.

   Для усиления переменного тока на вход и на выход надо поставить конденсаторы для пропускания только переменной составляющей усиливаемого сигнала так как постоянная составляющая изменяет режим работы транзистора. Конденсаторы на входе и выходе не должны создавать большого сопротивления для протекания переменного тока. Для термостабилизации в цепь эмиттера можно поставить резистор с небольшим сопротивлением и параллельно ему конденсатор для ослабления обратной связи по переменному току. Резистор в цепи эмиттера наряду с резисторами делителя будет задавать режим работы транзистора. 

На фотографии ниже собранный по схеме на рисунке 2 усилитель:

  

   На вход усилителя не подано напряжение, вольтметр подключенный к выходу показывает 2.6В что близко к выбранному значению. Если подать на вход напряжение прямой полярности (такой как на рисунке 5) то напряжение на выходе уменьшится (усилитель инвертирует сигнал):

Если подать на вход напряжение обратной полярности то напряжение на выходе увеличится но не больше напряжения питания:

Уменьшение напряжения на входе, при подключении ко входу источника, меньше чем увеличение напряжения на выходе что говорит о том что происходит усиление входного сигнала с инверсией. Схема с общим эмиттером производит большее усиление по мощности чем схемы с общей базой и общим эмиттером но она, в отличии от двух других, производит инверсию сигнала. Если необходимо произвести усиление по мощности постоянного тока без инверсии то каскадно можно соединить две схемы на рисунке 5 но при этом необходимо учесть что первый каскад будет изменять режим работы транзистора второго каскада поэтому сопротивления резисторов во втором каскаде необходимо будет подобрать так чтобы это изменение было как можно меньше. Также при каскадном соединении увеличится коэффициент усиления всего усилителя (он будет равен произведению коэффициента усиления первого каскада на коэффициент усиления второго).

Расчёт цепи методом двух узлов.

 Метод двух узлов является частным случаем метода узловых потенциалов. Данным методом могут быть рассчитаны цепи содержащие два неустранимых узла. Для расчёта методом двух узлов находят напряжение между зтими узлами  U_ab по формуле:

Где E_k - напряжение источника ЭДС k-ой ветви, G_k - проводимость k-ой ветви, J_k - ток источника тока k-ой ветви.
Затем находят токи в ветвях без источников тока по формуле:

Ток в ветви с источником тока равен току этого источника.

Рассмотрим расчёт методом двух узлов на примере расчёта схемы на рисунке 1:

 Рисунок 1 - Схема для расчёта методом двух узлов

Пусть в этой схеме E1=10 В, R1=0.1 Ом, R2=4 Ом, R3=8 Ом, E3=-20 В, J4=40 А. Найдём проводимости резисторов:

 Далее рассчитаем напряжение между узлами а и b по формуле (1):

Затем найдём токи в ветвях по формуле (2):

Рассчтаем мощность выделяющуюся в резисторах P_р и мощность отдаваемую источниками P_и для проверки балланса мощностей:

Мощность выделяющаяся в резисторах, с допустимой погрешностью, равна мощности выделяемой источниками следовательно балланс мощностей выполнен и расчёт произведён верно.

Пример 2

При расчёте схемы методом двух узлов можно применить немного другой подход. 

Рассмотрим схему:

Рисунок 2 - Схема 2 для расчёта методом двух узлов

Направления токов в ветвях, кроме тех в которых стоят источники тока, выбраны произвольно. В схеме имеется 2 узла: узел a и узел b. Будем считать что потенциал узла b равен нулю, напряжение Uab, в таком случае, равно потенциалу узла a. Определим проводимости каждой ветви, при этом учтём то что:

сопротивление источника ЭДС (с одинарной стрелочкой в кружке) равно нулю а его проводимость равна бесконечности,

сопротивление источника тока (с двумя стрелочками в кружке) равно бесконечности а его проводимость равна нулю.

Проводимость ветви с током I1 будет равна G1=1/R1, проводимости источников ЭДС равны нулю поэтому они не учитываются (их можно считать перемычками на которых есть напряжение).

Проводимость ветви с током I2 будет равна G2=1/R2 источник опять же не учитывается.

 проводимость ветви с током I3 равна нулю (т.к. проводимость источника тока равна нулю (источник тока можно считать разрывом через который течёт ток) ).

Проводимость ветви с током I4 равна нулю т.к. проводимость источника тока равна нулю, можно считать что в этой ветви разрыв и резистор R3 ничего не меняет.

Пусть в этой схеме E1=4 В, R1=10 Ом, R2=5 Ом, R3=2 Ом, E2=6 В, E3=10 В, J1=5 А, J2=4 А. Найдём проводимости резисторов:

Найдём напряжение Uab по формуле (1)

E1 записан со знаком минус т.к. его эдс (стрелочка внутри) направлена от узла а

E2 записано со знаком + т.к. его эдс направлена к узлу а

E3 записано со знаком + т.к. его эдс направлено к узлу а

J1 записан со знаком - т.к. его ток направлен от узла а

J2 записан со знаком + т.к. его ток направлен к узлу а

в знаменателе записана сумма проводимости первой ветви и второй, оставшиеся две ветви имеют проводимость равную нулю поэтому не записываются.

(В первом случае направления источников эдс учитывались а алгебраических знаках перед значениями этих эдс).

Ток I3=J1=5 т.к. источник тока создаёт в ветви ток равный току этого источника,

Ток I4=J2=4 т.к. источник тока создаёт в ветви ток равный току этого источника.

Найти ток I1 можно по закону Ома и второму закону Кирхгофа:

Аналогично можно найти ток I2:

Для составления баланса мощностей необходимо найти напряжение на источнике тока J2 (см. рисунок 2), найдём напряжение UJ2 на источнике тока J2:

Составим баланс мощностей:

Pи- отдаваемая и принимаемая мощность источников, Pп-мощность принимаемая резисторами. Если направление тока совпадает с направлением эдс источника эдс то это эдс записывается со знаком "+" если нет то со знаком "-". Если напряжение на источнике тока направлено противоположно току этого источника то ток этого источника записывается в уравнение баланса мощностей со знаком "+" если направление напряжения и тока совпадают то со знаком "-".