Курсовая работа: Расчет генератора с внешним возбуждением

Министерство образования и науки Украины

УКРАИНСКАЯ ИНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине «Приемо-передающие устройства»

на тему: «Генератор с внешним возбуждением»

Проект выполнила студентка 4 курса

Группы ДРЭ-Э4-1, учебный шифр ДРЭ-Э4-019 РЭКС

Ролик А.Н. ______________

Дата окончания проекта

Руководитель проекта Сахацкий Д.В.

Харьков 2007

Украинская инженерно-педагогическая академия

Кафедра: Автоматики и радиоэлектроники

Дисциплина: Приемо-передающие устройства

Специальность: Электроника, радиотехника, электронная схемотехника и связь

Курс 4 Группа ДРЭ-Э4-1 Семестр 7

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект студентки

Ролик Анны Николаевны

1. Тема проекта: Генератор с внешним возбуждением

2. Срок сдачи студентом законченного проекта

3. Исходные данные к проекту: Генератор однокаскадный с внешним возбуждением. Электронная лампа-триод. Рабочая частота 12 МГц. Выходная мощность на первой гармонике 25 кВт.

4. Содержание расчетно-пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов):

1) Выбрать схему генератора и лампу для обеспечения заданной мощности в рабочем диапазоне частот

2) Расчет электронного режима работы генератора

3) Расчет электрической схемы генератора

4) Разработка детальных чертежей элементов резонансного контура генератора и составление принципиальной схемы генератора

5. Перечень графического материала:

1) Принципиальная схема генератора

2) Чертежи элементов резонансного контура генератора

3) Схема расположения элементов генератора

6. Дата выдачи задания: 22.10.2007

Содержание

1. Введение

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора с внешним возбуждением

3. Расчет электронного режима лампы ГВВ

4. Расчет и выбор блокировочных (разделительных) конденсаторов и индуктивностей

5. Расчет конструкции дросселей

6. Расчет выходной колебательной системы передатчика. Выбор контурных конденсаторов

7. Выбор контурных конденсаторов

8. Расчет конструкции контурной катушки индуктивности

9. Заключение

Список использованной литературы

1. Введение

Основные характеристики и параметры усилителей :

Чтобы правильно собрать и использовать усилитель, рассматривают

следующие три категории исходных данных:

- условия питания:

· природа и величина источников питания;

· токи, потребляемые усилителем;

- основные параметры:

· тип и величина коэффициента усиления;

· частотные характеристики (частота среза, произведение коэффициента усиления на полосу, произведение частоты на мощность);

· входной и выходной импеданс;

- погрешности и возможные ухудшения характеристик:

· требуемый уровень точности коэффициента усиления;

· линейность характеристики;

· внутренние шумы;

· предельные величины напряжений и токов

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы генератора с внешним возбуждением

В цепях каскада ГВВ одновременно могут действовать напряжения и протекать токи с существенно различными частотами:

- рабочая (несущая радиочастота) и ее гармоника

- постоянный ток, напряжение

- модулирующая (звуковая) частота

- напряжение и ток промышленной частоты

Схема каскада строится таким образом, чтобы:

- существовали источники напряжений и токов нужных частот;

- необходимые напряжения были приложены к электродам активных приборов;

- существовали замкнутые цепи для всех токов т источника к «потребителю» и обратно к источнику;

- на нужных элементах ГВВ возникали падения от нужных составляющих токов.

Цепи с токами и напряжениями не должны мешать друг другу: не создавать короткие замыкания или разрывы в цепях друг друга.

Электронные лампы имеют заметную емкость между управляющей сеткой и анодом, которая называется проходной. За счет проходной емкости происходит прямое прохождение энергии из входной цепи в выходную и обратная реакция выходной цепи на входную. Проходная емкость влияет на работу ГВВ даже когда лампа заперта большим отрицательным напряжением смещения, снято анодное напряжение или выключен накал лампы. Наличие обратной связи входной и выходной цепи ГВВ через проходную емкость может привести к самовозбуждению ГВВ. Для ослабления влияния проходной емкости в ламповых ГВВ с экранирующей сеткой (тетроды и пентоды), а также построение ГВВ по схеме с общей сеткой.

Несмотря на то, что проходная емкость тетродов в несколько десятков раз меньше емкости таких же по мощности триодов, последние находят преимущественное применение в диапазоне частот до 30 МГц в каскадах мощностью до 500-1000 кВт. Это связано с тем, что для таких мощностей сложно изготовить тетрод из-за трудностей охлаждения экранирующей сетки.

На высоких частотах (до 1000 МГц и выше) трудно обеспечить малое индуктивное сопротивление вывода экранирующей сетки в тетродах, поэтому и в этом случае преимущественное применение находят триоды.

Вынужденное применение триодов при больших мощностях или высоких частотах заставляет отказаться от включения ламп по схеме с общим катодом, обладающей наибольшим коэффициентом усиления по мощности и приводит к необходимости включения ламп по схеме с общей сеткой для ослабления проходной емкости С_кс .

Как известно, возможны два варианта построения схем питания анодной цепи лампового ГВВ: последовательное и параллельное. Чаще применяется последовательное как самое простое. Кроме этого при последовательном питании колебательная система в анодной цепи лампы не шунтируется блокировочными деталями и их паразитными реактивностями. Особенностью последовательного питания является наличие постоянного напряжения анодного питания E_a на элементах колебательной системы. Для исключения условий самовозбуждения в области высоких частот лампу включают по схеме с общей сеткой.

3. Расчет электронного режима лампы ГВВ

По данным выходной мощности на первой гармонике и рабочей частоте генератора выберем лампу ГУ-25Б.

2.1. Поскольку проходная мощность обычно составляет 5-7% от выходной мощности, то при заданной полезной мощности определяется сначала расчетная мощность на 1-ой гармонике

25000 = 23750 Вт (2.1)

2.2. Зададимся углом отсечки θ = 75°, учитывая, что максимальное КПД и выходная мощность будут при θ =70° - 90°.

2.3. Определим коэффициент использования анодного напряжения

0,958 (2.2)

где - коэффициент Берга 1-ой гармоники тока, берется из таблицы коэффициентов Берга для косинусоидальных импульсов.

- крутизна ВАХ лампы в граничном режиме

2.4. Амплитуда напряжения на аноде

0,958·12000=11 495 В (2.3)

2.5. Амплитуда первой гармоники анодного тока

23750/11 495=4,132 А (2.4)

2.6. Постоянная составляющая анодного тока

4,132· 0,269/0,4548=2,444 А (2.5)

2.7. Мощность, потребляемая анодной цепью

12000· 2,444=29 328 Вт (2.6)

2.8. Мощность, рассеиваемая на аноде

29 328 - 15,0 = 5 578 Вт (2.7)

2.9. Коэффициент полезного действия анодной цепи

15,0 / 29 328 =0,810(2.8)

2.10. Амплитуда напряжения возбуждения

0,033·11 495 +4,132/[0,4548· 0,032(1-cos75°)]=766,25В (2.9)

где 30 = 0,033 – проницаемость лампы

2.11. Найдем смещения

0,033(12000-2000)= -333,33 В (2.10)

766,25-0,033·11 495)·cos75°-333,33= -432,48 В (2.11)

2.12. Амплитуда импульса анодного тока

-432,48/0,4548=5,374 А (2.12)

Причем ток эмиссии катода выбранной лампы может обеспечить данную величину.

2.13. Максимальное значение модуля сеточного напряжения

|-432,48-766,25|=1 199 В (2.13)

2.14. Максимальное напряжение на сетке и остаточное напряжение на аноде

-432,48+766,25=333,77 В (2.14)

12000-11 495=505 В (2.15)

2.15. Амплитуда импульса сеточного тока

5,374=0,269 А (2.16)

2.16. Угол отсечки сеточного тока

(-432,48)/766,25=0,564 (2.17)

2.17. Постоянная составляющая и амплитуда 1-ой гармоники сеточного тока

0,269·0,269·0,65=0,047 А (2.18)

0,269·0,4548·0,7=0,086 А (2.19)

где коэффициенты и учитывают некосинусоидальную форму импульсов сеточного тока.

2.18. Мощность, потребляемая цепью сетки от предыдущего каскада

766,25·0,086/ 2=32,77 Вт (2.20)

2.19. Мощность, потребляемая от источника смещения

-432,48·0,047=-20,32 Вт (2.21)

2.20. Мощность, рассеиваемая на управляющей сетке

32,77-20,32=12,45 Вт (2.22)

2.21. Определяется проходная мощность

766,25·4,132 / 2=1 583 Вт (2.23)

2.22. Определим полную выходную полезную мощность

15,0+1 583=25 333 Вт (2.24)

2.23. Найдем полное сопротивление нагрузки в анодной цепи

(766,25+11 495)/4,132=2 967 Ом (2.25)

4. Расчет и выбор блокировочных (разделительных) конденсаторов и индуктивностей

3.1. Блокировочную емкость определяют из условия

1,5=225 пФ (3.1)

где выходная емкость лампы соответствует емкости лампы анод-катод .

3.2. Индуктивность блокировочного дросселя определяется из условия

144000000·225=4,630 мГн (3.2)

3.3. Блокировочные элементы и образуют паразитный колебательный контур, собственная резонансная частота которого не должна попадать внутрь рабочей полосы частот передатчика. Поэтому берут ниже рабочей полосы:

30,984 МГц (3.3)

3.4. Сеточный конденсатор предназначен для обеспечения нулевого потенциала сетки по переменной составляющей относительно «земли» для того, чтобы она выполняла роль электростатического экрана между входной и выходной частотами усилителя. Соответственно, вывод управляющей сетки должен обладать малой индуктивностью, что обеспечивается в лампах, которые имеют кольцевой вывод управляющей сетки. Емкость определяется как:

45=9000 пФ (3.4)

Конденсатор находится под большим напряжением радиочастоты и напряжением смещения . Через него протекает переменная составляющая тока управляющей сетки.

Необходимая величина емкости достигается параллельным включением нескольких (4-8 или более штук) конденсаторов с малой собственной индуктивностью, например, конденсаторов типов К15У-1а и КВИ-3.

3.5. Блокировочный дроссель выполняет вспомогательную роль – препятствует попаданию тока радиочастоты в цепи питания. Его индуктивное сопротивление должно быть во много раз больше, чем сопротивление конденсатора

(75398224·9000·)=110,5 Ом (3.5)

где 75398224 рад/с

Через дроссель протекает постоянная составляющая тока сетки.

3.6. Конденсаторы являются разделительными и их сопротивление для радиочастоты должно быть во много раз меньше, чем входное сопротивление лампы.

55=8250,0 пФ (3.6)

где - входная емкость лампы, соответствующая емкости сетка-катод =55 пФ.

3.7. Конденсаторы выполняют вспомогательную роль. Они создают кратчайший путь для тока радиочастоты, прошедшего через дроссель, препятствуя попаданию этого тока в провода питания цепи накала. На практике емкость этих конденсаторов в каскадах мощностью в несколько десятков киловатт принимают примерно 3-5 нФ и используют конденсаторы типа К15У-2. Примем номинальное значение конденсатора .

3.8. Катодные дроссели предназначены для того, чтобы предотвратить короткое замыкание напряжения возбуждения через цепь питания накала. Накальный трансформатор для токов радиочастоты представляет собой большую емкость по отношению к корпусу передатчика. Через дроссели протекают ток накала лампы, токи и и некоторый ток высокой частоты, обусловленный конечной величиной реактивного сопротивления дросселя .

Так как ток накала гораздо больше других токов, то по нему выбирается сечение провода дросселя.

Дроссели должны обладать такой индуктивностью, чтобы, будучи включенными, параллельно входу лампы существенно не снижали бы входное сопротивление ступени

8·766,25/(4,132+0,086)=1453,4 Ом (3.7)

отсюда индуктивность катушки равна

19,276 мкГн (3.8)

5. Расчет конструкции дросселей

4.1. Для обеспечения устойчивости работы ГВВ по отношению к дроссельным паразитным колебаниям необходимо, чтобы индуктивность сеточного дросселя была бы в 3-5 раз меньше индуктивности анодного

4,630/4=1,157 мкГн (4.1)

4.2. Диаметр провода сеточного дросселя , мм, определяется исходя из величины постоянной составляющей тока, протекающего через дроссель

0,11 мм (4.2)

Применим провод марки ПЭВ-1 диаметром 0,11 мм и диаметром в изоляции 0,135 мм.

4.3. Обычно провод наматывается на каркас из фарфоровых труб. Выберем трубу диаметром D=0,02 м. Для уменьшения собственной емкости обмотки дросселей их выполняют удлиненной формы

0,02=0,08 м (4.3)

4.4. Определим количество витков N провода с изоляцией, которое можно расположить при сплошной намотке на длине l:

80/0,135=17 витков (4.4)

4.5. Определим шаг намотки

5,00 мм (4.5)

4.6. Затем определим напряжение между соседними витками при сплошной намотке

114,95/17=6,76 В (4.6)

где 11 495=114,95 В

4.7. Для катодного дросселя с индуктивностью L=19,276 мкГн выберем провод исходя из протекающего через него тока

6,12 мм (4.7)

Применим провод марки ПБД с диаметром в изоляции 5,2 мм

4.8. Выберем каркас диаметром D=0,06 м и с длиной

0,06=0,24 м (4.8)

4.9. Рассчитаем количество витков

0,24/5,2=40 витков (4.9)

4.10. Определим шаг намотки

6,14 мм (4.10)

4.11. Затем определим напряжение между соседними витками при сплошной намотке

114,95/40=6,14 В (4.11)

4.12. Для блокировочного дросселя выберем провод

1,02 мм (4.12)

марки ПЭЛШО с диаметром в изоляции 1,2 мм

4.13. Выберем каркас диаметром D=0,02 м и с длиной

0,02=0,08 м (4.13)

4.14. Рассчитаем количество витков

0,08/1,2=34 витков (4.14)

4.15. Определим шаг намотки

2,42 мм (4.15)

4.16. Затем определим напряжение между соседними витками при сплошной намотке

114,95/34=3,38 В (4.16)

4.17. Длина провода, которым ведется намотка дросселя, должна соответствовать условию:

25=7,5 м (4.17)

6. Расчет выходной колебательной системы передатчика

5.1. Выходная колебательная система ВКС передатчика должна трансформировать сопротивление нагрузки каскада (входное сопротивление антенны или фидера), имеющего в общем случае комплексный характер, в активное сопротивление анодной нагрузки лампы

0,958/4,132=2 967 Ом (5.1)

В качестве простейшей ВКС принимают одноконтурную схему с нагрузкой подключаемой параллельно с емкостным сопротивлением X_СВ , которое связывает нагрузку с контуром

Рис.1. Схема простейшей ВКС

Для расчета ВКС задаются расчетной мощностью генераторной лампы P₁ , волновым сопротивлением фидера W_ф = 75 Ом, КБВ = 0,8 и рабочим диапазоном волн передатчика.

5.2. Среднее значение волн заданного диапазона

12 = 25 м (5.2)

5.3. Определяется коэффициент ослабления тока второй гармоники

42,46 (5.3)

где 0,258 · 5,374=1,39 А - амплитуда тока второй гармоники

75/ 0,8 = 93,75 Ом - входное сопротивление фидера.

5.4. Определим сопротивление связи

93,75/42,46=17,67 Ом (5.4)

5.5. Рассчитывается вносимое в контур сопротивление

93,75/[(93,75/17,67)² +1]=3,21 Ом (5.5)

5.6. Найдем сопротивление емкости ВКС

97,72 Ом (5.6)

5.7. Определяется индуктивное сопротивление ВКС

2 967·3,21/97,72+93,75·3,21/17,67=114,67 Ом (5.7)

5.8. Вычислим добротность нагруженного контура без учета собственных потерь

114,67/3,21=35,67 (5.8)

5.9. Определим также КПД контура

35,67/150=0,76 (5.9)

где для нашего передатчика 150 – добротность ненагруженного контура.

5.10. Вычислим полное активное сопротивление контура с учетом потерь

3,21/0,76=4,22 Ом (5.10)

5.11. Найдем уточненные значения емкостного и индуктивного сопротивлений

111,95 Ом (5.11)

128,85 Ом (5.12)

5.12. Определим отдаваемую в фидер мощность

0,76·23750=18102 Вт (5.13)

5.13. Вычислим амплитуду тока в емкостной ветви контура

11 495/114,67=67,35 А (5.14)

5.14. Вычислим амплитуду тока в индуктивной ветви

646,23 А (5.15)

5.15. Найдем напряжение на входе фидера

1842,3 В (5.16)

5.16. Определим ток в фидере

1842,3/93,75=19,65 А (5.17)

5.17. Определим ток в сопротивлении связи

1842,3/17,67=104,29 А (5.18)

5.18. Рассчитаем емкости и индуктивности контура

25/111,95=119,03 пФ (5.19)

25/128,85=754,30 пФ (5.20)

128,85·25/1880=1,71 мкГн (5.21)

где - в метрах

- в омах.

7. Выбор контурных конденсаторов

После расчета значений емкостей и индуктивностей колебательной системы и определения приложенных к ним напряжений и протекающих через них токов требуется выбрать стандартные детали – конденсаторы и рассчитать катушки индуктивности.

В качестве контурных конденсаторов в диапазоне КВ преимущественно применяются вакуумные конденсаторы: переменные типа КП и постоянные типа К61, В, ВВ и др.

В мощных передатчиках применяются также высоковольтные конденсаторы типа К15У, в маломощных КТ, КД а также стеклокерамические и стеклоэмалевые конденсаторы типов КС, К21, К22.

Если конденсаторы переменной емкости целесообразно устанавливать в ВКС, то конденсаторы постоянной емкости предназначены для работы в качестве анодно-разделительных и сеточных блокировочных.

Поскольку 119,03 пФ, с приложенным к нему напряжением 11 495 В и протекающим через него током 67,35 А, то выберем конденсатор КП1-3 с номиналом в 120 пФ.

Для 754,30 пФ, с приложенным к нему напряжением 1842,3 В и протекающим через него током 104,29 А, выберем конденсатор КП1-5 с номиналом 750 пФ.

Для =225 пФ, с приложенным напряжением 11 495 В и протекающим током 4,132 А, выберем конденсатор К61-12 со значением 220 пФ.

Для 8250,0 пФ с приложенным напряжением 766,25 В выберем конденсатор К61-3 с емкостью 8,2 нФ.

Согласно с п.3.5. примем номинальное значение конденсатора и возьмем стандартный конденсатор КВК-3.

8. Расчет конструкции контурной катушки индуктивности

В резонансных колебательных системах передатчиков для удобства перестройки контура по частоте применяются катушки переменной индуктивности. Она реализуется в виде катушки со скользящим подвижным контактом, для которой применяют медный провод квадратного сечения. Контурные катушки наматываются так, чтобы шаг намотки был больше диаметра провода. Для передатчиков с мощностью более 1 кВт катушки наматываются на каркасы, образованные набором труб из радиофарфора. Трубы каркаса объединяются в жесткую конструкцию двумя металлическими (алюминиевые сплавы, сталь и др.) деталями, имеющими форму крестовины или П-образной рамы. Металлические детали каркаса находятся на достаточно большом расстоянии от токоведущей спирали катушки, чтобы не понижать добротность катушки.

Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность. В диапазоне длинных и средних волн эти катушки многослойные, как правило, с намоткой типа "универсаль". Для повышения добротности применяют многожильные провода типа "литцендрат". Для изменения индуктивности применяют цилиндрические сердечники из альсифера или карбонильного железа.

7.1. Периметр медного провода при воздушном охлаждении катушки определяется из неравенства

6,001 мм (7.1)

где - разность температур спирали и окружающего воздуха, принимается равной 45°

7.2. Для катушки с водным охлаждением периметр берут 2-3 раза меньшим

Выберем воздушное охлаждение, поэтому наше значение 6,001 мм (7.2)

7.3. По вычисленному периметру выберем поперечное сечение провода (квадратное)

1,5 мм (7.3)

7.4. Выбранный провод наматывается на каркас также квадратного сечения

1,5=15,0 мм (7.4)

Воспользуемся значением из ряда труб квадратного сечения со стороной квадрата 16 мм.

7.5. Длину спирали выберем из условия

16=32 мм (7.5)

7.6. Для расчета необходимого числа витков воспользуемся формулой, применяемой для расчета числа витков цилиндрической катушки с диаметром d

2 витков (7.6)

где L=1,71 мкГн – индуктивность катушки;

l=3,2 см - длина катушки;

D= a+d = 1,65 см (из чертежа конструкции контурной катушки)

Следовательно, мы получили такие параметры контурной катушки

Способ охлаждения - воздушное

L=1,71 мкГн – индуктивность катушки;

l=3,2 см - длина катушки;

N=74 витков – количество витков

9. Заключение

В ходе выполнения курсового проектирования были выполнены расчеты электронного режима лампы генератора с внешним возбуждением, блокировочных конденсаторов и индуктивностей, выходной колебательной системы, а также выбор конденсаторов и конструкций катушек индуктивности для генератора с внешним возбуждением на лампе ГУ-25Б. Данный генератор рассчитан для работы на частоте 12 МГц и с выходной мощностью на первой гармонике 25 кВт. На основе полученных данных была составлена принципиальная схема с номинальными значениями выбранных элементов соответствующих элементов. Рассчитанные дроссели выполняются намоткой с переменным шагом:

· ПЭВ-1 с диаметром в изоляции 0,135 мм на каркасе диаметром 20 мм и длиной 80 мм в 17 витков – для сеточного дросселя;

· ПБД с диаметром 5,2 мм на каркасе диаметром 60 мм и длиной 240 мм в 40 витков – для катодного дросселя;

· ПЭЛШО с диаметром 1,2 мм на каркасе с диаметром 20 мм и длиной 80 мм в 34 витков – для блокировочного дросселя.

Выбраны также конденсаторы (согласно с п.7)

· Для - конденсатор КП1-3 с номиналом в 120 пФ.

· Для - конденсатор КП1-5 с номиналом 750 пФ.

· Для - конденсатор К61-12 со значением 220 пФ.

· Для - конденсатор К61-3 с емкостью 8,2 нФ.

· Для - конденсатор К15У-2 значением 4 пФ.

· Для возьмем параллельное включение конденсаторов КВИ-3.

Список использованной литературы

1. Драбник Г.М. Радиопередающие устройства. Пособие по курсовому проектированию. - Л.: 1969 – 126 с.

2. Кацнельсон Б.В., Калугин А.М., Ларионов А.С. Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы. Справочник.-М.:Радио и связь,1985

3. Проектирование радиопередающих устройств: Учебное пособие для ВУЗов / В.В.Шахгильдян, М.С.Шумилин, И.А.Попов, и др. под ред. В.В.Шахгильдяна.-2-е издание., перераб. и доп. – М.: Радио и связь,1984 – 424с.

4. Радиопередающие устройства: Учебник для ВУЗов / В.В.Шахгильдян, В.Б.Козырев, Р.А.Луховкин и др. под ред. В.В.Шахгильдяна: -М.: Радио и связь,1990 – 432 с.

5. Справочник конструктора РЭА.

6. Шумилин М.С. Проектирование радиопередающих устройств. – М.: Связь,1980 – 152 с.

7. Шумлянский И.И. Проектирование радиопередающих устройств. – Одесса:ОЭТИС,1974 – 320 с.

8. http://www.dvo.sut.ru/libr/eqp/031/index.htm