Разработка судового передатчика

 

Перечисленные в этой таблице параметры, используются при  расчёте коллекторной и базовой  цепей транзистора.

Расчёт коллекторной цепи можно проводить независимо от схемы включения транзистора, а входной - раздельно для схем с ОЭ или с ОБ. В нашем случае, для оконечного каскада выбрана двухтактная схема ГВВ, а схема включения транзистора – схема с ОЭ.

1. Расчёт коллекторной цепи

Для современных мощных биполярных транзисторов, как правило, оговаривается номинальное напряжение коллекторного питания Ек. В нашем  случае по техническому заданию питание  передатчика осуществляется от сети 220 В 50 Гц, т.е. нет ограничений по питающему напряжению. Выберем напряжение питания из стандартного ряда, принимая его равным 48 В.

Далее расчет надо вести  так, чтобы при эквивалентном  номинальном нагрузочном сопротивлении  обеспечивался критический режим. Тогда при уменьшении нагрузочного сопротивления транзистор будет переходить в недонапряженный режим, а при увеличении – в перенапряженный. При этом мощность в нагрузке изменяется незначительно,  а кпд остается близким к максимально возможному. В расчете необходимо учесть, что выходной каскад построен по двухтактной схеме.

Исходные данные:

Мощность в нагрузочной цепи: Вт.

Угол отсечки тока коллектора: .

Напряжение питания коллектора: В.

   1. Амплитуда первой гармоники  напряжения на коллекторе:

В

2. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока определяется выражением:

   А

3.Постоянная составляющая коллекторного тока:

А

4.Величина импульса  коллекторного тока:

А

5.Подводимая к коллектору мощность:

Вт

6.Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора:

                              Вт

7.К.П.Д. коллекторной цепи:

8.Сопротивление нагрузки:

Ом

По результатам расчета  видно, что режим работы транзистора находится в границах допустимых значений.

 

2. Расчет входной цепи, рис.5

  

                                            

 

                             Рис. 5.   Эквивалентная схема входной цепи

 

Входное сопротивление транзистора  на частотах выше

МГц равно:

 Ом

Приведенное внутреннее  сопротивление:

Нагрузочный коэффициент:

Резистивная и индуктивная  составляющие входного сопротивления  транзистора:

;

нГн;  где  =50нГн – индуктивность        

                                                                 монтажа.

Добротность входной  цепи транзистора на верхней рабочей  частоте:

Добротность выше единицы, значит надо включать добавочный резистор:

Ом

Среднее значение крутизны транзистора по переходу:

 А/В

Среднее значение диффузионной емкости открытого эмиттерного  перехода:

Ф

Первая гармоника генератора тока в эквивалентной схеме транзистора:

Амплитуда напряжения на эмиттерном переходе:

В

Эквивалентная емкость  входной цепи транзистора с учетом коррекции:

пФ

Емкость корректирующего  конденсатора:

пФ

Элементы цепи балластной нагрузки:

Ом

нГ

пФ

Входное сопротивление одного плеча двухтактного усилителя:

Амплитуда напряжения на входе корректирующей цепи одного плеча  усилителя:

В

Входная мощность одного плеча усилителя:

Вт

Коэффициент усиления каскада по мощности:

 

2.3. Расчет предварительного каскада усилителя мощности.

Предварительный каскад усилителя мощности выполним так же двухтактным, по схеме с общим эмиттером. В качестве активного элемента предварительного каскада выберем транзистор 2Т903А , габаритный чертеж которого приведен на рис. 6. а параметры в Таблице 2.

 

Рис. 6. Транзистор 2Т903А. Габаритный чертеж

 

                                  Таблица 2. Транзистор 2Т903А. Параметры.

Параметр	Пояснение	Значение
rб	Сопротивление материала  базы	2 Ом
rнас	Ссопротивление в насыщенном состоянии	2,1Ом
h21э0	Коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером  ОЭ на постоянном токе	50
fт	Граничная частота передачи по току в схеме с ОЭ	150 МГц
Ск	Барьерная ёмкость коллекторного перехода при соответствующем напряжении Ек	180 пФ при Ек=60 В
Сэ	Барьерная ёмкость эмиттерного  перехода при соответствующем напряжении Еэ	400 пФ при Еэ=0В
Lэ	Индуктивность вывода эмиттера транзистора	10 нГн
Lб	Индуктивность вывода базы транзистора	10  нГн
Lк	Индуктивность вывода коллектора транзистора	10 нГн
Eкэ доп	Предельное напряжение на коллекторе (имп)	60(80) В
Eк доп	Допустимое значение питающего напряжения на коллекторе	50 В
Eбэ доп	Допустимое значение обратного напряжения на эмиттерном переходе	4 В
Iк0 доп	Допустимое значение постоянной составляющей коллекторного  тока (имп)	3(10) А
Iб0 доп	Допустимое значение постоянной составляющей базового тока
tп доп	Допустимая температура  переходов транзистора	115, °C
Rпк	Тепловое сопротивление  переход (кристалл) - корпус	3,33 °С/Вт

 

Расчет одного плеча предварительного каскада ведется по методике аналогичной методике расчета усилительной ячейки. Исходные данные для расчета:

Мощность в нагрузочной  цепи: Вт.

Угол отсечки тока коллектора: .

Напряжение питания  коллектора: В.

   1. Амплитуда первой  гармоники напряжения на коллекторе:

В

2. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока определяется выражением:

   А

3.Постоянная составляющая  коллекторного тока:

А

4.Величина импульса  коллекторного тока:

А

5.Подводимая к коллектору  мощность:

Вт

6.Мощность рассеиваемая  на коллекторе транзистора:

                              Вт

7.К.П.Д. коллекторной  цепи:

8.Сопротивление нагрузки:

Ом

По результатам расчета видно, что режим работы транзистора находится в границах допустимых значений.

             Расчет входной цепи предварительного усилителя мощности ведется по рис.5.

Входное сопротивление  транзистора  на частотах выше

МГц равно:

 Ом

Приведенное внутреннее  сопротивление:

Нагрузочный коэффициент:

Резистивная и индуктивная  составляющие входного сопротивления  транзистора:

;

нГн;  где  =50нГн – индуктивность        

                                                                 монтажа.

Добротность входной  цепи транзистора на верхней рабочей  частоте:

Добротность выше единицы, значит надо включать добавочный резистор:

Ом

Ом

Среднее значение крутизны транзистора по переходу:

 А/В

Среднее значение диффузионной емкости открытого эмиттерного  перехода:

Ф

Первая гармоника генератора тока в эквивалентной схеме транзистора:

Амплитуда напряжения на эмиттерном переходе:

В

Эквивалентная емкость  входной цепи транзистора с учетом коррекции:

пФ

Емкость корректирующего  конденсатора:

пФ

Элементы цепи балластной нагрузки:

Ом

нГ

пФ

Входное сопротивление  одного плеча двухтактного усилителя:

Амплитуда напряжения на входе корректирующей цепи одного плеча усилителя:

В

Входная мощность одного плеча усилителя:

Вт

Коэффициент усиления каскада  по мощности:

 

4.     Расчет широкополосного трансформатора (ШПТ)

    В нашем  случае ШПТ используется для согласования выхода усилительной ячейки с несимметричным антенным фидером, имеющим волновое  сопротивление 50 Ом.

На рис. 7 изображены ШПТ с общим магнитопроводом и его эквивалентная схема, обеспечивающие коэффициент трансформации:               

n = U_вых/U_вх≈W₂/W₁

где U_вых, U_вх - выходное и входное напряжения; W_2l Wi - число витков вторичной и первичной обмоток.

                        

На рис. 7 обозначены:

r₁, r₂, r_c - эквивалентные сопротивления потерь в обмотках и сердечнике;

С₁, С₂ - эквивалентные собственные емкости обмоток;

L₁, L_s1 и L_s2 - индуктивности первичной обмотки и рассеяния обмоток;

ИТ - идеальный трансформатор (1 : п) без потерь и паразитных параметров.

Исходные данные для  расчета ШПТ:

- диапазон рабочих  частот: ;

-   мощность в  нагрузке : Вт;

-  к. п. д. трансформатора η_тр = P₁/(P₁+P_mр) = 0,9;

- согласуемые сопротивления: Ом

                                                     Ом;

- коэффициент бегущей  волны фидера К_БВ ≥ 0,7;

- допустимые искажения  на нижней и верхней рабочих  частотах М_ндоп ≈М_вдоп ≤ЗдБ.

В процессе расчета определяются:

коэффициент трансформации на средней частоте:

При М_н≤ЗдБ         Гн

при М_в≤ЗдБ         

 - собственные емкости обмоток:

Ф

Экстремальные значения сопротивления нагрузки при к_бв<1:

 Ом ,

R_нмакс = R_H /к_бв

Изменение R_H приводит к изменению U_вх, U_вых,, I_вх, I_вых, что требует выбора сечения провода обмоток и сечения ферритового сердечника с запасом по максимальным значениям тока и напряжения.

 

Выбираем сердечник К20х10х4 из материала 100ВЧ, для которого:

 

, (Гс/Э) - магнитная проницаемость;

(Гс) - магнитная индукция;

Q=50 добротность на частоте измерения fизм.

Удельные тепловые потери в феррите составляют:

Вт/см³

Рабочее значение В~_раб на нижней частоте:

Гс

на верхней частоте:

Гс.

Число витков первичной  обмотки ШПТ:

 Витков

Число витков вторичной  обмотки:

Необходимое сечение  ферритового сердечника: 

  см² 

Сечение одного тора:

см²

Тепловые потери мощности во всем объеме V (см³) ферритового сердечника:

Вт.

Необходимый периметр проводника однослойных обмоток:

мм

где    I_Д - максимальное действующее значение тока в соответствующей обмотке с учетом возможного к_бв < 1,

Δt°C ~ перегрев провода обмотки по отношению к температуре окружающей среды (допустимо Δt ≈ (40...50)°С).

К. п. д. трансформатора

где Р_Пр - потери в проводе обмоток, Р_Пр < Р_фпот < р₁

Затем выбирается провод сечением, удовлетворяющим рассчитанному периметру П и условию, что на внутренней окружности тора 2nd помещаются в один слой витки .

    2.4  Расчет радиатора выходного каскада.

      Одним из важнейших условий надежной работы транзисторных УМ передатчиков является эффективное их охлаждение. Для этого в судовых передатчиках мощные транзисторы монтируются на металлических радиаторах и обеспечивается принудительное воздушное охлаждение.

Наиболее эффективными и простыми в изготовлении являются радиаторы ребристой конструкции (рис. 5.2). Для расчета необходимо знать:

С/Вт

С/Вт

Рис. 8. Зависимость теплового сопротивления радиатор – среда

 

Определим величину - теплового сопротивления радиатор - окружающая среда:

⁰С/Вт