Здравствуйте. В этой статье приведу пример упрощённого расчета усилителя высокой частоты класса А. Для этого нам понадобится четыре простые формулы, и две бесплатные программы.
И так, начнем.
Для начала, нам надо определиться с параметрами нашего усилителя. Мы будем делать усилитель, номинальной мощностью P=5Вт, на частоту 27.135МГц( СB диапазон, 15 канал, сетка С). Источник питания – 4 аккумулятора 18650, соединенных последовательно. Напряжение питания, при полностью заряженных аккумуляторах составит Eп=16,8В. Сопротивление антенно-фидерного устройства -Rан=50Ом. Транзистор будем использовать IRF510(не самый хороший вариант, другого у меня под рукой нет).
В результате расчета мы получим:
1. Параметры источника сигнала, необходимого для раскачки нашего усилителя;
2. Номиналы элементов обвязки IRF510;
3. Номиналы элементов фильтра низкой частоты.
УВЧ мы будем моделировать в программе LTspice XVII. Она бесплатная и ее легко найти в интернете.
Запускаем программу и накидываем вот такую схему.
РИС 1.
Теперь расскажу немного об элементах схемы.
V1 – это наш источник питания, состоящий из 4-х аккумуляторов 18650. Напряжение питания 16,8В.
V2 -это источник сигнала. Величины напряжения и внутреннего сопротивления, определим познее.
V3- это стабилизатор напряжения на 6В. Не нашел я модель стилизатора L7806 для программы LTspice XVII, поэтому заменил его на источник напряжения 6В. Но имейте ввиду? что это стабилизатор напряжения!!!
Rн – это номинальное сопротивление нагрузки. Не путайте с сопротивлением антенно-фидерного тракта, которое равно 50 Ом. Величина Rн будет отличаться от 50 Ом, и будет определена расчетом. В окончательном варианте схемы, данного резистора не будет. Он нужен для понимания процессов, происходящих в усилительном каскаде.
Резисторы R4 и R5 выполняют роль делителя напряжения. В реальной конструкции их нужно заменить на подстроечный резистор, номиналом 10кОм.
Конденсатор С1 служит для развязки резистора Rн по постоянному току. Если его не ставить, то через Rн будет протекать постоянный ток - этого нам не надо! Переменному току он будет оказывать минимальное сопротивление. Так же как Rн, в окончательном варианте схемы от будет отсутствовать.
Конденсатор С2 выполняет те же функции, что и C1 – не дает попасть постоянной составляющей тока в цепь источника сигнала.
Конденсаторы С3 и С4 шунтируют источник питания V1 по переменному току. А если по-русски то, для того, чтобы переменный ток не проходил через источник питания, ставятся конденсаторы, которые замыкают переменную составляющую тока на общий провод.
Дроссель L1 создает довольно большое индуктивное сопротивление переменному, что заставляет его течь в нагрузку.
Приступим к расчету. Первым делом нам нужно определись величину максимального значения тока стока iC. Для этого применим простенькую формулу:
iC=5*P/Uвых
Где Р – полезная мощность( в нашел случае 5Вт)
Uвых – выходное напряжение.
Выходное напряжения определяется по второй простой формуле:
Uвых=Eп-Uнас
Где Eп-напряжение питания( в нашел случае 16,8В)
Uнас – напряжения насыщения или остаточное напряжение транзистора. Мне больше нравится второй вариант, т.е. остаточное напряжение. Данное напряжение – справочная величина, определяется по справочному листку(datasheet). Так же можно определить в программе LTspice XVII опытным путем, но мы не будем заморачиваться и примем величину остаточного напряжения для мосфет транзистора IRF510 -3В. Пойдет.
В итоге получаем Uвых=16,8-3=13,8В.
iC=5*5/15,8=1,58А.
Зная величину максимального значение тока в цепи стока iC, можем без труда вычислить амплитуду основной гармоники сигнала Ic. Для усилителей класса А, она равна 0.5 iC
Ic=0.5*1.58=0.79А
И последнее, осталось вычислить номинальное сопротивление нагрузки Rн.
Rн = Uвых/ Ic =13,8/0,79 = 17,46 Ом.
Продолжаем… Зная номинальное сопротивление нагрузки, мы можем определить значение емкости разделительного конденсатора C1 и индуктивность дросселя L1.
Здесь все просто. Емкосное сопротивление конденсатора переменному току на частоте 27.135МГц должно быть в десять, а лучше в сто раз меньше номинального сопротивления нагрузки Rн. Т.е. RC1=0.01*Rн = 0.01*17,46 = 0,17 Ом. А индуктивное сопротивление дросселя L1 на частоте 27.135МГц должно быть больше номинального сопротивления нагрузки Rн в 10…100 раз. Т.е. RL1=100*Rн = 0.01*17,46 = 1746 Ом.
Воспользуемся любым онлайн калькулятором и определим значение емкости и индуктивности C1 и L1.
Расчетное значение индуктивность дросселя L1 -10мкГн
Расчетное значение емкости конденсатора C1 - 47нФ.
Конденсатор С2 рассчитывается аналогично конденсатору С1. Но для этого необходимо знать входное сопротивление транзистора. Давайте пока возьмем конденсатор, емкостью 100нФ.
И так. На нашей схеме номиналы всех элементов определены, значит можно запускать симуляцию работы усилителя. Это мы сделаем во второй части.
