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.
(6.2)
Требуемое волновое сопротивление линии:
(6.3)
Амплитудные значения напряжения и тока на сопротивлении нагрузки:
(6.4)
(6.5)
Амплитудные значения напряжения и тока на входе трансформатора:
Uвх=Uн/N=24,03/2=12,015 В, (6.6)
Iвх=Iн×N=1,4×2=2,8 А (6.7)
Амплитудные значения продольного напряжения и тока линии:
Необходимые индуктивности обмоток определим по формулам, приведённым в [5]:
. (6.10)
Для вторичной обмотки:
(6.10.1)
Для первичной обмотки:
(6.10.2)
Для обеспечения нужного коэффициента трансформации выбираем в первичной обмотке два витка, а во вторичной один виток.
В качестве длинных линий трансформатора выбираем коаксиальный кабель КВФ-12 со следующими параметрами: волновое сопротивление , максимальный внешний диаметр . При этом КБВ самого трансформатора будет:
(6.11)
В качестве сердечника выбираем ферритовые трубки марки 700НМ с размерами: внешний диаметр D = 0,5 см, внутренний диаметр d = 0,3 см, высота h = 0,5 см.
Определим количество трубок:
(6.12)
Для удобства конструкции возьмем m=3.
7 Расчет симметрирующих трансформаторов
Для согласования сопротивления предварительного каскада с входным сопротивлением транзисторов оконечного каскада используют понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации равным двум.
Найдём входное сопротивление трансформатора по формуле (6.1)
Сопротивление нагрузки оконечного каскада:
Требуемое волновое сопротивление линии определим по формуле (6.3)
Определим необходимую
индуктивность первичной и
В качестве сердечника выбираем конструкцию типа "бинокль" из ферритовых колец марки 700 НМ с размерами: внешний диаметр D = 0,5 см, внутренний диаметр d = 0,3 см, высота h = 0,5 см.
Определим минимальный объём сердечника по формуле, приведённой в [5].
Для удобства изготовления количество ферритовых колец принимаем равным двум. Их суммарный объем будет:
Как видно V = 0,19 см3 > Vmin = 22,9 × 10-3 см3. Продолжаем расчёт.
Определим количество витков в обмотках трансформатора [5].
Округлим полученное количество витков до целого большего числа, таким образом, количество витков первичной и вторичной обмоток принимаем равным двум.
Параметры транзистора, как полупроводникового прибора, значительно зависят от температуры. В частности, может сильно ухудшиться линейность транзистора, что повлечёт за собой возрастание комбинационных составляющих в спектре полезного сигнала, вплоть до полной потери связи. Для стабилизазии уровня комбинационных составляющих в спектре сигнала достаточно ввести температурную зависимость в схему подачи напряжения смещения, то есть менять рабочую точку в зависимости от температуры. Разрабатываемое устройство должно работать в диапазоне температур минус 55°С…+60°С. Номинальная рабочая температура Тном = 25°С.
Для температурной стабилизации
рабочей точки применяется
Рисунок 8.1 - Электрическая схема термодатчика
Термодатчик выполнен на микросхеме U1 AD590, представляющей собой температурно-зависимый источник тока. Температурный коэффициент этой микросхемы составляет 1 мкА/°К, тогда значения выходного тока в зависимости от температуры сведены в таблицу 8.1.
Таблица 8.1
Т, 0С |
-55 |
25 |
60 |
Т, °К |
228 |
298 |
333 |
Iвых, мкА |
228 |
298 |
333 |
Uвых, В |
2,28 |
2,98 |
3,33 |
Выходное напряжение термодатчика задается резистором R1, стандартное значение которого 10 кОм. Значения выходного напряжения сведены в таблицу 8.1.
На операционном усилителе D1 выполнен схема повторителя напряжения.
Конденсатор С1 является блокирующим элементом и рассчитывается по формуле 3.24.
. (8.1)
8.2 Расчет цепей подачи смещения
Цепь подачи смещения приведена на рисунке 8.2. Она состоит из операционного усилителя D1 и ключа D2. Принцип работы заключается в следующем: на инвертирующий вход операционного усилителя с источника питания подается минус пятнадцать вольт и напряжение с термодатчика. За счет правильного выбора резистора R2 и коэффициента усиления операционного усилителя на выходе при нормальных условиях (Траб = 25 0С) получается напряжение смещения. Микросхема D2 используется в качестве ключа: включает напряжение смещения при передачи, отключает при приеме сигнала. Напряжение с термодатчика подается для уменьшения напряжения смещения при повышении температуры.
Рисунок 8.2 - Схема цепи смещения
Схема, представленная на рисунке 8.2 является инвертирующим сумматором, выполненным на операционном усилителе.
Рисунок 8.3- Нормированная температурная зависимость напряжения смещения для транзистора MRF 157
По графику,
представленному на рисунке 8.3, определяем
нормированное и
Таблица 8.2
Т, 0С |
-55 |
25 |
60 |
Т, °К |
228 |
298 |
333 |
Uнор |
1,153 |
1 |
0,937 |
Uденор, В |
4,158 |
3,6 |
3,373 |
Разница между
напряжениями смещения при максимальной
и минимальной температуре
Сопротивление R4 принимаем равным 10 кОм.
Теперь зная коэффициент усиления, операционного усилителя и сопротивление R4 найдем сопротивление R2
R2 = R4/K= 10000/ 0,748 = 13375 Ом, (8.2)
Выбираем R2=13 кОм согласно ряду Е24.
Согласно формуле, приведённой в [1]:
,
отсюда выразим отношение для R3:
(8.3)
где Uоп – опорное напряжение,
Uтермо – напряжение с термодатчика при номинальной температуре,
Uсм – напряжение смещения транзисторов при номинальной температуре.
Выбираем сопротивления R3=48,7 кОм согласно ряду Е48.
Сопротивление R1 необходимо для ослабления влияния входного тока операционного усилителя. Оно выбирается из условия, что сопротивления со стороны обоих входов должны быть одинаковыми. Так как сопротивления R2, R3 и R4 соединены параллельно, то сопротивление R1 будет равно
(8.4)
Выбираем R1=9,53 кОм согласно ряду Е48.
Теперь найдем номинал конденсатора С2 по формуле:
(8.5)
где fc – частота среза, МГц.
Емкость С2=0,012 мкФ.
Емкость С1 является блокировочной и рассчитываются по формуле (8.1)
В связи с тем, что у транзисторов напряжение смещения может отличаться от значения приведенного в справочнике, то для возможности его регулирования ставится сопротивление RP1.
При включении смещения может
возникнуть короткое замыкание на землю.
Это связано с тем, что при
включении блокировочные
R5 = Uсм / Iвых.макс = 3,6/5.10-3 = 720 Ом, (8.6)
Цепь смещения для предварительного каскада полностью аналогична схеме изображенной на рисунке 8.2 и поэтому рассчитывается аналогично пункту 8.2.1.
Рисунок 8.4 – Нормированная температурная зависимость напряжения смещения для транзистора MRF 148
Как видно из графиков, приведённых на рисунке 8.4, напряжение смещения транзисторов должно изменяться линейно с изменением температуры. По графику определяем, что при –55 °С нормированное напряжение смещения (и денормированное в скобках) должно быть 1,098 (5,6 В), при 25°С – 1 (5,1 В), при 60 °С – 0,989 (5,04 В).
Разница между напряжениями смещения при максимальной и минимальной температуре составляет 0,56 В, а разница напряжений от термодатчика 1,05 В, значит коэффициент усиления сумматора по входу "термо" должен составлять 0,53.
Сопротивление R4 принимаем равным 10 кОм.
Теперь зная коэффициент усиления, операционного усилителя и сопротивление R4 найдем сопротивление R2 по формуле (8.2)
R2 = R4/K=
10000/ 0,53 = 18750 Ом,
Определим R3 по формуле (8.3)
, (8.8)
Рассчитаем остальные элементы схемы.
Сопротивление R1 определим по формуле (8.4)
, (8.9)
Теперь найдем номинал конденсатора С2 по формуле (8.5)
(8.10)
Емкость С1 является блокировочной и рассчитывается по формуле (3.25)
(8.11)
В связи с тем, что у транзисторов напряжение смещения может отличатся от значения приведенного в справочнике, то для возможности его регулирования ставится сопротивление RP1.
По формуле (8.6) найдём резистор R5
R5
= Uсм / Iвых.макс = 5,1/5.10-3
= 1000 Ом.
Схема стабилизатора приведена на рисунке 9.1. Ток резистора R4 открывает составной транзистор VT1-VТ2. Когда напряжение на выходе достигает 30 В, транзистор VT3 переходит в открытое состояние и дальнейшее увеличение выходного напряжения предотвращается за счет отвода избытка тока с базы составного транзистора.
(9.1)
где Uп - напряжение питания,В;
Uс=8,4 В - напряжение стабилизации стабилитрона;
Iс=10×10-3 А - ток стабилизации стабилитрона.
Рисунок 8.1 – Схема стабилизатора напряжения
Включение база - эмиттер транзистора VT3 можно рассматривать как обычный диод, то есть Uбэ=0,6 В.
Таким образом, UR2= Uс+ Uбэ= 8,4+0,6=9 В. (9.2)
R1 и R2 образуют резистивный делитель
(9.3)
27×R2=9×(R1+R2),
18∙R2=9∙R1.
Пусть R2=820 Ом, тогда
. (9.4)
Составной транзистор используется для получение большого коэффициента усиления по току.
b=b1×b2=8×5=40,