Расчет цепи питания усилителя мощности

3.3 Расчет цепи питания усилителя мощности.

Выбор схемы цепи питания.

Цепь питания содержит источник постоянного напряжения и блокировочные элементы. Благодаря блокировочным элементам исключаются потери высокочастотной мощности в источнике питания, и устраняется нежелательная связь между каскадами через источник питания.

В качестве схемы цепи питания выберем параллельную схему (рис. 6.), когда источник питания, активный элемент и выходная цепь включены параллельно. Последовательная схема цепи питания не будет использоваться, потому что требуется, чтобы выходная согласующая цепь пропускала постоянный ток.

Рис. 6.

Емкость С_бл с индуктивностью L_бл и емкостью С_р образуют колебательный контур резонирующий на частоте меньшей рабочей частоты усилителя, что может привести к возбуждению колебаний. Чтобы исключить их применяют антипаразитный резистор R_ап и проектируют цепь питания как ФНЧ.

Определим блокировочную индуктивность из условия

ω_min ∙ L_бл >> R_k

L_бл >> R_k / ω_min = 4.6 / 2 ∙ π ∙ 25 ∙ 10^-6 = 29.3 ∙ 10^-9

L_бл = 10 мкГн.

Рассчитаем сопротивление антипаразитного резистора из условия

R_ап = = 118∙ 10^-9 ≈ 120 нГн.

Определяем С₀

С₀=1 / (4 ∙ π ²∙ f² ∙ (L₀ – L)) =1 / (4 ∙ π ²∙ (25 ∙10⁶)² ∙(1.91∙10^-6 – 120∙10^-9))=22.6 пФ.

Определяем емкости С1 и С2

С1 = = ==

= 573 пФ.

С2 = = ==

= 352 пФ.

Рассчитываем внесенное в контур сопротивление

r_вн = = = 4.12 Ом.

Определим добротность нагруженного контура

Q_н = ρ / (r₀ +r_вн ),

где r₀ – собственное сопротивление потерь контурной индуктивности L₀. Эта величина точно определяется при конструктивном расчете контурной катушки индуктивности, а на данном этапе можно принять r₀ = (1…2) Ом = 1 Ом.

Q_н = ρ / (r₀ +r_вн ) = 300 / ( 1 + 4.12) = 58.6.

Найдем коэффициент фильтрации П – контура

ф = Q_н ∙( n² –1 ) ∙ n = 58.6 ∙ ( 2² – 1) ∙2 = 351.6,

где n =2 для однотактной схемы усилителя.

Определим к.п.д. (ориентировочный) нагрузочной системы

η_к = r_вн / (r_вн + r₀) = 4.12 / ( 1 + 4.12) = 0.8.

4.2 Конструктивный расчет элементов нагрузочной системы

В процессе конструктивного расчета нагрузочной системы необходимо выбрать номинальные значения стандартных деталей (С₀, С1, С2 ), входящих в контур, и определить конструктивные размеры контурной катушки L₀.

При выборе номинального значения конденсатора С1 необходимо учитывать, что параллельно ему подключена выходная емкость транзистора усилителя мощности.

Для настройки контура в резонанс и обеспечения оптимальной связи с нагрузкой в состав емкостей С₀ и С2 целесообразно включить подстроечные конденсаторы. При включении в цепь подстроечных конденсаторов схема контура примет вид изображенный на рисунке 10.

Рис. 10.

Номинальные значения элементов входящих в контур:

С₀ = 22 пФ; С2 =360 пФ.

Учитывая, что выходная емкость транзистора С_к = 150 пФ емкость С1 определится так С1 = 573 – 150 = 423 пФ, номинальное значение равно 430 пФ.

Произведем расчет контурной катушки:

Зададим отношение длины намотки катушки ( l ) к диаметру намотки ( D )

v = l / D = (0.5…2) = 1.25.

Определим площадь продольного сечения катушки S = l ∙ D по формуле

S = P₁ ∙ η_к / K_s = 36.8 ∙ 0.8 / 0.5 = 58.9 см²,

где K_s = (0,1 – 1) – удельная тепловая нагрузка на 1 см² сечения катушки, [Вт/см²].

Определим длину l и диаметр D катушки

см;

= 6.86 см.

Рассчитаем число витков контурной катушки

= 6.86 ≈ 7,

где L0 – индуктивность катушки в мкГн.

Определим диаметр провода катушки d (мм)

I_к = U_k1 ∙2 ∙ π ∙ f ∙ C1 = 18.4 ∙2 ∙ π ∙25 ∙ 10⁶ ∙ 430 ∙ 10^-12 = 1.2 A;

d ≥ 0.18 ∙ I_к ∙= 0.18 ∙ 1.2 ∙= 0.48 мм ≈ 1 мм,

где U_k1 – амплитуда импульсов коллекторного напряжения; I_к – амплитуда контурного тока в амперах, f – рабочая частота в МГц.

Найдем собственное сопротивление потерь контурной катушки на рабочей частоте

r₀ = 1.25 Ом,

где f – рабочая частота, МГц; d – диаметр провода, мм; D – диаметр катушки, мм.

Определим к.п.д. контура

η_к = r_вн/ ( r₀ + r_вн ) = 4.12 / (1.25 + 4.12 ) = 0.77.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проектирования и расчетов отдельных блоков получились следующие результаты:

Кварцевый генератор построен по схеме емкостной трехточки и обеспечивает стабильность частоты порядка 10^-6. Имеет выходную мощность 0.134 мВт и к.п.д. 0.14 %.

Усилитель мощности построен по схеме с общим эмиттером, имеет выходную мощность 36.8 Вт, к.п.д. равен 72 %.

Выходная согласующая цепь построена в виде П-образного контура с к.п.д. 77% и коэффициентом фильтрации 351.6.

Также в результате проектирования предъявлены требования к нерассчитанным блокам.

Проделанная работа закрепила полученные на лекциях знания в области проектирования и анализа работы радиопередающих устройств.

Список литературы

Терещук Р. М., Фукс Л. Б. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник радиолюбителя – Киев: Наукова думка. – 1967

Лаповок Я. С. Я строю КВ радиостанцию. – 2-е изд., прераб. И доп. – М.: Патриот, 1992.

Шахгильдян В.В. и др., Радиопередающие устройства: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Радио и связь, - 1996.

Петров Б. Е., Романюк В. А., Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах.: Учебное пособие для радиотехн. Спец. Вузов. – М.: Высшая школа – 1989.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Параметры транзистора КТ 315Б

Обратный ток коллектора при U_КБ = 10 В 1 мкА;

Обратный ток эмиттера при U_ЭБ = 5 В 30 мкА;

Выходное сопротивление h_11Б 40 Ом;

Коэффициент передачи тока h_21Э 50…350;

Выходная полная проводимость h_22Б 0.3 мкСм;

Режим измерения h- параметров:

напряжение коллектора U_К 10 В,

ток коллектора I_К 1 мА;

Граничная частота коэффициента передачи f_гр 250 МГц;

Емкость коллекторного перехода С_К 7 пФ;

Постоянная времени цепи обратной связи τ_К 300 пс;

Максимально допустимые параметры

постоянное напряжение коллектор – эмиттер U_{КЭ MAX} 15 В;

постоянный ток коллектора I_К 100 мА;

рассеиваемая мощность без теплоотвода Р_MAX 150 мВт;

Диапазон рабочих температур +100…-55˚С.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Параметры транзистора КТ 927Б

Обратный ток эмиттера при U_к = 3.5В 0.1 мА;

Напряжение насыщения коллектор – эмиттер при I_к = 10 А 0.5 В;

Модуль коэффициента передачи тока на высокой частоте 5;

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ 30;

Емкость эмиттерного перехода 2300 пФ;

Емкость коллекторногоперехода 150 пФ;

Максимально допустимые параметры

постоянный ток коллектора 10 А;

импульсный ток коллектора 30 А;

постоянное напряжение эмиттер – база 3.5 В;

постоянное напряжение коллектор – база 70 В;

постоянное напряжение коллектор – эмиттер 70 В;

рассеиваемая мощность коллектора 83.3 Вт;

Диапазон рабочих температур -60…+100˚С.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Схема электрическая принципиальная задающего генератора.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Схема электрическая принципиальная усилителя мощности.
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Спецификация к принципиальной схеме задающего генератора

Поз. Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
C1, C3 C2 R1 R2 R3 VT1 ZQ1 L1	Конденсаторы КМ-6 - М75 – 2 нФ ±5% КМ-6 - М75 – 220 нФ ±5% Резисторы МЛТ - 0,125 – 5,6 кОм ± 10% МЛТ - 0,125 – 12 кОм ± 10% МЛТ - 0,125 – 430 Ом ± 10% Транзистор КТ315Б Кварцевый резонатор на частоту 3125 кГц Катушки индуктивности 28 мкГн	2 1 1 1 1 1 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Спецификация к принципиальной схеме усилителя мощности

Поз. Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
C1, C2 C3 С4 С5 С6 R1 R2 VT1 L1 L2 L3	Конденсаторы Рассчитываются во входной согласующей цепи К73-11 – 10 мкФ ± 10% КТ – Н70 - 430 пФ ± 10% КТ – Н70 - 22 пФ ± 10% КТ – Н70 - 360 пФ ± 10% Резисторы МЛТ - 0,5 – 280 Ом ± 10% МЛТ - 0,5 – 15 Ом ± 10% Транзистор КТ927Б Катушки индуктивности Рассчитывается во входной цепи 10 мкГн 2 мкГн	1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1