Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Декабря 2013 в 11:34, дипломная работа
Целью дипломного проекта является разработка бортового усилителя с выходной мощностью 1000 Вт и выходной фильтрующей системы. Результатом дипломного проекта является комплект графических материалов и пояснительная записка. В процессе проектирования были рассмотрены вопросы выбора структурной схемы усилителя; разработаны предварительный и оконечный каскады усилителя мощности, схемы подачи смещения и термокомпенсации для предварительного и оконечного каскадов, выходной согласующий трансформатор на длинных линиях и выходная фильтрующая система. Проведено экспериментальное исследование макета усилителя мощности совместно с линейками фильтров третьего и шестого поддиапазонов.
(3.16)
где f – частота, Свх – входная емкость.
Рисунок 3.9 - Зависимость входного сопротивления от частоты
Как видно из
графика, зависимость входного сопротивления
от частоты значительна, это приведёт
к сильной неравномерности
Сопротивление R1 должно быть больше значения входного сопротивления транзистора на верхней рабочей частоте диапазона, рассчитываемого по формуле
(3.17)
Принимаем номинал сопротивления R1 равным 10 Ом.
На рисунке 3.10 приведена характеристика входного сопротивления с учетом R1.
Рисунок 3.10 - Зависимость входного сопротивления с учетом резистора R1
Произведем расчет цепи обратной связи.
Обратную связь рассчитываем так, чтобы с выхода на вход передавалось не более 10 % от полезного сигнала.
(3.18)
(3.19)
Согласно ряду Е24 R2=91 Ом.
Конденсатор С1 ставится для разделения питания и полезного сигнала. Его номинал выбирают исходя из условия, что бы его сопротивление на нижней частоте рабочего диапазона было в сто раз меньше сопротивления нагрузки.
(3.20)
Трансформатор – закоротка изображён на рисунке 3.11.
Рисунок 3.11 - Трансформатор – закоротка
В стоковой цепи транзистора трансформатор – закоротка симметрирует напряжения основной частоты на стоках транзисторов и обеспечивает взаимную компенсацию чётных гармоник стоковых токов с возможно малым сопротивлением. В схеме стоковое питание подаётся через проводники трансформатора – закоротки. Поскольку постоянные составляющие стоковых токов примерно одинаковы, а через проводники трансформатора они протекают в противоположных направлениях, то создаётся только незначительное дополнительное подмагничивание в магнитопроводе трансформатора.
Согласно [5], параметры этого трансформатора выбираются из следующих соображений:
Схема цепи питания приведена на рисунке 3.11.
Для высоких частот блокировочные конденсаторы выбираются из условия, что на нижней частоте рабочего диапазона их сопротивление должно быть в десять раз меньше сопротивления нагрузки, а блокировочные индуктивности из условия, что их сопротивление на нижней частоте рабочего диапазона должно быть в десять раз больше сопротивления нагрузки. Рассчитаем значения блокировочных элементов С1 и С2:
(3.21)
где fн – нижняя частота диапазона, Гц;
Rнаг – сопротивление нагрузки транзисторов,Ом.
Ближайший стандартный номинал 0,36 мкФ.
(3.22)
где fн – нижняя частота диапазона,
Rнаг – сопротивление нагрузки.
Ближайший стандартный номинал 1,8 мкГн.
Для низких частот блокировочные конденсаторы выбираются из условия, что их сопротивление на частоте 1 кГц будет в десять раз меньше сопротивления блокировочной индуктивности. Рассчитаем С3:
(3.25)
Выбираем стандартный номинал 68 мкФ.
В параллель
электролитическим
Выходная цепь связи выполнена в виде трансформаторов, изображённых на рисунке 4.1.
Рисунок 4.1. Выходная цепь связи оконечного каскада.
Для согласования транзистора с нагрузкой в заданной полосе частот (2…30 МГц) будем использовать трансформатор TV1, изображённый на рисунке 4.1.
При расчёте стоковой цепи транзистора оконечного каскада (пункт 3.2) было получено значение эквивалентного нагрузочного сопротивления 2,25 Ом. Для согласующего трансформатора, частотные ограничения в верхней части рабочего диапазона определяются индуктивностями рассеяния, которые не должны превышать единиц наногенри, что в обычных трансформаторах обеспечить затруднительно. Для трансформации столь низких сопротивлений используют трансформаторы на отрезках длинных линий, помещаемых на магнитопроводе из феррита.
Расчёт выходного трансформатора произведём согласно методике, приведённой в [5].
Найдём входное сопротивление трансформатора
, (4.1)
где – номинальное сопротивление стоковой нагрузки для одного транзистора в составе двухтактной ячейки, Ом.
Требуемый коэффициент трансформации будет:
(4.2)
где – сопротивление нагрузки оконечного каскада, Ом.
Так как коэффициент трансформации может принимать только целочисленные значения, принимаем
Требуемое волновое сопротивление линии:
(4.3)
Амплитудные значения напряжения и тока на сопротивлении нагрузки:
(4.4)
(4.5)
Амплитудные значения напряжения и тока на входе трансформатора:
Uвх=Uн/N=123,9/3=41,3 В (4.6)
Iвх=Iн×N=4,9×3=14,7 А (4.7)
Амплитудные значения продольного напряжения и тока линии:
(4.8)
Требуемая продольная индуктивность проводников линии:
(4.10)
Где
– коэффициент, зависящий от КБВ на
входе трансформатора (в данном случае
КБВ = 0,85)
– нижняя рабочая частота трансформатора.
В качестве длинных линий трансформатора выбираем коаксиальный кабель КВФ-12 со следующими параметрами: волновое сопротивление , максимальный внешний диаметр . При этом КБВ самого трансформатора будет:
(4.11)
Определим геометрическую длину линии.
(4.12)
где – электрическая длина кабеля (так как , то ),
с – скорость света в сантиметрах в секунду,
– диэлектрическая проницаемость заполнения кабеля (в нашем случае это фторопласт).
При мощности в линии более 30 Вт для обеспечения теплового режима марку феррита, сечение и объём ферритовых сердечников выбирают так, чтобы значение магнитной индукции Враб не превышало 0,01 на частоте 1 МГц и 0,0006 на 30 МГц.
Рассчитаем Вf раб max для феррита марки 700 НМ на нижней граничной частоте по формуле
(4.13)
где – допустимые удельные тепловые потери в феррите. При естественном охлаждении для колец небольшого диаметра эта величина принимает значения в интервале 0,3…1,5 Вт/см,
– номинальное значение магнитной проницаемости;
– добротность феррита на нижней граничной частоте.
С запасом выбираем:
Необходимый объем сердечника
В качестве сердечника выбираем конструкцию типа «бинокль» из двух ферритовых трубок, размерами: внешний диаметр D = 1,6 см, внутренний диаметр d = 0,8 см, высота h = 2,5 см.
Найдем объем трубок
Сравним его с минимальным значением объема сердечника
.
Найдем площадь продольного сечения сердечника
(4.16)
Определим расчетное значение продольной индуктивности, подбирая число витков кабеля w так, чтобы оно было больше минимальной требуемой продольной индуктивности, рассчитанной ранее.
(4.17)
Как видно , значит одного витка кабеля будет достаточно.
Определим амплитуду магнитной индукции в сердечнике:
(4.18)
Сравним её с максимальной для этой марки феррита:
.
Удельные тепловые потери в феррите:
(4.19)
Мощность потерь в объёме сердечников:
(4.20)
Потери в линии на верхней граничной частоте:
, (4.21)
где a0 – затухание в кабеле на максимальной рабочей частоте,
f0 – максимальная рабочая частота кабеля, Гц;
n – показатель степени (принимают равным 0,5…1,0).
Рассчитаем КПД трансформатора:
(4.22)
Выход согласующего трансформатора получается симметричным, поэтому для соединения выхода каскада с суммирующим трансформатором требуется сделать его асимметричным. Для этого необходимо применение симметрирующего трансформатора (трансформатор TV2, рисунок 4.1). Его расчёт проведём аналогично приведённому выше.
Входное сопротивление трансформатора:
,
Требуемый коэффициент
трансформации будет равен N =
Согласно (4.3), требуемое волновое сопротивление линии:
Амплитудные значения напряжения и тока на сопротивлении нагрузки такие же, как и в согласующем трансформаторе.
Согласно (4.6) и (4.7), амплитудные значения напряжения и тока на входе трансформатора:
Uвх=Uн/N=123,9/1=123,9 В,
Iвх=Iн×N=4,96×1=4,96 А
Амплитудное значение продольного напряжения и тока в линиях:
Uпр1=Uвх=123,9 В,
Iл=Iн=4,96 А
Согласно (4.10), требуемая продольная индуктивность проводников линии:
В качестве длинных линий трансформатора выбираем коаксиальный кабель КВФ-25 со следующими параметрами: волновое сопротивление , внешний диаметр .
Ферритовый сердечник выбираем такой же, как в предыдущем разделе.
По формуле (4.17) определим расчетное значение продольной индуктивности, подбирая число витков кабеля w так, чтобы оно было больше минимальной требуемой продольной индуктивности, рассчитанной ранее.
Как видно , значит двух витков кабеля будет достаточно.
По формуле (4.18) определим амплитуду магнитной индукции в сердечнике:
Сравним её с максимальной для этой марки феррита:
.
Согласно (4.19) удельные тепловые потери в феррите:
Согласно (4.20), мощность потерь в объёме сердечников:
Согласно (4.21), потери в линии на верхней граничной частоте:
,
Рассчитаем КПД трансформатора по формуле (4.22)
4.3 Расчёт суммирующего трансформатора
Электрическая схема суммирующего трансформатора изображена на рисунке 4.2
Рисунок 4.2 - Электрическая схема суммирующего трансформатора
Расчёт выходного трансформатора произведём согласно методике, приведённой в [5].
Найдём входное сопротивление трансформатора по формуле (4.1)
Требуемый коэффициент трансформации будет:
Требуемое волновое сопротивление линии:
Амплитудные значения напряжения и тока на сопротивлении нагрузки:
Амплитудные значения напряжения и тока на входе трансформатора:
Uвх=Uн/N=350,714/1=350,714В,
Iвх=Iн×N=7,014×1=7,014А
Амплитудное значение тока линии: