4. Расчет структурной схемы

Рисунок 5 – Габаритный чертеж и цоколевка ЭВП ГУ-93Б

Дальнейшие расчеты ведем для одного полукомплекта половинной мощности.

Расчетное значение мощности усилителя найдем по заданной мощности на главном фидере и потерь в линейном тракте:

,

где – коэффициент запаса, учитывающий потери, примем

Применим твердотельный тракт предварительного усиления на транзисторе КТ9132АС (таблица 1) и ламповый оконечный усилитель на тетроде ГУ-93Б (таблица 2). Преимущественное применение тетродов в мощных радиостанциях обусловлено их высокой экономичностью, значительным (до 40 раз) коэффициентом усиления, приемлемым сроком службы (до 10 тыс. часов), устойчивой работой в неблагоприятных условиях - высокой температуре и влажности окружающей среды.

Таблица 1

Прибор	Схема включения	, Вт	Ек, В	кур, раз	Диапазон частот
КТ9132АС	ОБ	140	30	5	I-V

Таблица 2

Тип лампы	Рном, кВт	Fмакс , МГц	Еа, кВ	Ес2, кВ	Uнак, В	Iнак, А	Е'со, В	D	D2	S, мА/В	Dа, мм	Свых, пФ	Свх, пФ	Спрох, пФ	Ра доп, Вт	Рс2 доп, Вт	Рс1 доп, Вт
ГУ-93Б	3.1	250	3,8	0,45	12,6	11	29	0,0025	0,11	85	115	20	100	0,1	4,5	150	76

Целесообразность сделанного выбора усилительного прибора оконечного каскада проверим, определив коэффициент использования установленной мощности:

,

где – номинальная мощность радиостанции;

- число выбранных приборов;

–номинальная мощность прибора по справочным данным.

Схема включения тетрода ГУ-93Б выберем с общей сеткой, она же с двумя заземленными сетками. Большой запас устойчивого усиления, наличие в схеме отрицательной обратной связи по первой гармонике тока анода и простота конструктивного выполнения резонансных цепей дают схеме с ОС преимущества перед схемой с общим катодом (ОК). Сложение мощностей усилительных приборов оконечного каскада выполним с помощью мостовой схемы.

Усиление модулированных по амплитуде колебаний в каскадах на тетродах выполняют в недонапряженном (ξ/ξ_гр) режиме, где первая гармоника анодного тока чувствительна к изменениям возбуждающего прибор напряжения. В максимальном (пиковом) режиме для схем раздельного усиления ξ ≈ 0,9ξ_гр. Выберем угол отсечки для оконечного каскада 90º (режим В).

Коэффициент усиления по мощности предоконечного каскада , тогда каскад должен обеспечивать мощность:

В предоконечном каскаде применим 6 транзисторов КТ9132АС:

Выберем режим без отсечки тока коллектора (режим А).

Результаты проектирования структурной схемы для одного полукомплекта представим в таблице 3:

Таблица 3

Назначение каскада	Усилитель
	оконечный	предоконечный
Способ управления колебаниями	С3F	C3F
Номинальная выходная мощность , Вт	2500	840
Расчетная мощность , Вт	3000	720
Число и мощность установленных приборов	1х3100Вт	6х140Вт
Схема резервирования	нагруженное	нагруженное
Коэффициент использования установленной мощности	0,97	1,0
Схема соединения активных элементов	балансная	параллельная
Схема включения активных элементов	ОС	ОБ
Режим работы	В	А
Угол отсечки тока	90º	180º
Коэффициент усиления по мощности	15	5
Напряжение питания анода (коллектора), В	3800	30

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОКОНЕЧНОГО УСИЛИТЕЛЯ НА ТЕТРОДЕ

Основными проблемами при решении данной задачи являются получение необходимой ХБП (рис.2) усилителя и выбор режима ли­нейного усиления с максимально возможными коэффициентом уси­ления и электронным КПД. Усилитель удовлетворяет требова­ниям технического задания к ширине полосы частот с допустимой фор­мой ХБП только в случае применения многоконтурной (2-, реже 3-контурной) выходной цепи. Параметры цепи находят, пользуясь ре­зультатами конструктивного расчета анодного резо­натора и табл.4.

Таблица 4

Тип ВКС	R'Э ср	R'Э нес	z'нес	φнес, град.	Q'1	Q'2	Тип возбудителя
2-контурная	-	1,0	1,0	25	0,91	1,0	Широкополосный
2-контурная с дополнительными цепями	-	1,32	1,36	17	1,27	1,61	Широкополосный
2-контурная	0,55	1,07	1,07	4	1,25	0,69	Одиночный контур с Q=Q2ОК
2-контурная с дополнительными цепями	0,71	1,30	1,30	4	1,75	0,86	Два связанных контура с Q=Q2ОК и критической связью

Коэффициент усиления мощ­ности при таком подходе определяют крутизна анодного тока вы­бранного прибора и величина сопротив­ления нагрузки. Соображе­ния по выбору режима приведены выше. Режим усилителя рассчи­тывают по заданным мощности Р_~ в нагрузке, выбранными отношению ξ / ξ_гр , углу θ и найденным в процессе проектирования параметрам нагрузочной цепи.

Определение последних начинают с конструктивного расчета анодного резонатора.

Конструктивный расчет резонаторов.

Анодный резонатор. Ис­пользуют коаксиальные линии передачи, замкнутые на одном конце и подсоединенные через разделительные конденсаторы к аноду и экранирующей сетке - с другой. Применение объемных ре­зонаторов, в данном случае коаксиальных, снижает потери на излу­чение и тем самым повышает контурный КПД. Это решение обеспе­чивает и защиту обслуживающего персонала радиостанции от вред­ного для здоровья облучения радиочастотными колебаниями ОВЧ и УВЧ.

На III ТВ диапазоне применяют конструкцию на рисунке 6. Входную цепь соединяют с катодом и управляющей сеткой. Если на I - III ТВ диапазонах она резонансная , то отрезок линии передачи (полосковой или коаксиальной ), замкнутый на конце и образующий колебательную систему с входной емкостью лампы, располагают со стороны катода. Это дает так называемую двухстороннюю конструкцию резонансных цепей усилителя.

Рис. 6 Схематическое изображение конструкции анодного резонатора.

Выбор проводников коаксиального резонатора. Рекомендуемые размеры диаметров для конструкций вида:

(для ГС-17Б).

Полагаем известным из справочных данных диаметр D_а - радиатора охлаждения анода. Конструкцию проверяют на отсутствие в ней высших по отношению к основной типов волн. Возникновение в ре­зонаторе таких волн считают невозможным, если выполнено усло­вие

(D_н + d_вн) ≤ λ_ср ,

где λ_ср- средняя волна диапазона частот ТВРС.

(194,4 +97,2 ) ≤ 637мм ,

Обычно оно удовле­творяется с большим запасом.

Длину однородной части резонатора определяют на крайних волнах диапазона

где - сопротивление емкостиС_{экв вых} , включенной на входе коаксиального резонатора.

Оптимальной считают длину l_р около λ_ср / 8. В любом случае она должна быть достаточной для размещения элемента связи.

где D_н – внутренний диаметр наружного проводника линии,

d_вн – наружный диаметр ее внутреннего провод

Оптимальная длина равна l_р =0,637/8 ≈ 0.08 м

Антенный резонатор:

Определим длины и волновые сопротивления отрезков линий передачи WC и WL и величину сосредоточенной емкости С4.

Рисунок 7 - Антенный резонатор на коаксиальных линиях и егоэквивалентная схема

Определим напряжение на контуре:

ПримемLC = LL= λ_ср /8 = 0,08, WL = 10 Ом, WC=W12 = W_ВЫХ= 75 Ом

По известной добротности Q2 найдем реактивную мощность, которую должен запасать эквивалентный контур

P_r2 = Q₂ ·P_~ 2= 94,8·3250·0,95 =292,7 кВт,

его сопротивление X_C экв = W12 / Q₂= 75/94,8 = 0,79 Ом

и емкостьС_2 экв = 530 λ (Q₂ / W12)= 530·0,637·(44,9/75)=427 пФ

Проверка на электрическую прочность:

Внутренний диаметр D_н внешнего проводника коаксиальной линии для антенного резонатора выбирают небольшим: 7-10 см.

Внешние диаметры внутренних проводников определяют по формуле:

lg d_вн = lgD_вн – W /138, отсюдаd_вн=22мм

используя антилогарифм d_вн . Прочность на электрический пробой достаточна, если на индуктивной ветви выполнено условие:

,

При значении допустимой напряженности электрического поля Е_доп≈ 5кВ/см. Сосредоточенную емкость выполняют как цилиндрический конденсатор, увеличивая внутренний диаметр линии передачи WС .

Выберем расстояние между обкладками конденсатора из условия его электрической прочности:

Диаметр внутренней обкладки конденсатора D_с = D_н -  d_с=9 -1,1= 7,9см. Ширина обкладки b_c = 1,1C₂ d_c / π D_С = 1,1·427·1,1/π·7,9 ≈ 20,8см.

Конструктивный расчет:

Проектируем два коаксиальных, замкнутых на концах резонатора с указанными выше резонансными частотамиf₃ = f_нес – 4,3=466,95 МГц (0,642м) и f₂ = f_нес + 6,5 = 477,75 МГц (0,628м). Выберем для определенности длины отрезков линии L = λ_о/8 = 0.08м и и стандартными их волновые сопротивления W12. Реактивная мощность в сосредоточенных емкостях С₁и С₂равна P_rк1 = P_rк2  = P_~ 2 Q₂ /2=3250·0,95·94,8/2=146,3кВт. Последовательное соединение сопротивлений W12 и входных сопротивлений параллельных контуров представляет собой в полосе частот ТВ канала близкий к резонансу последовательный контур. В нем имеет место резонанс напряжений U_вх к1 = U_вх к2 = Q₂ U₂  = 44,9·681 = 30,58 кВ.

Напряжение

Зададимся длиной резонаторов λ_ср /8  l_р  λ_ср /4, диаметрами D_н и d_вн . Пусть D_н1  (1,5 - 2,5)d_вн1=2·60=120 мм , d_вн2  1,1·D_н1=132 мм и D_н2  (1,5 - 2,5)d_вн2=264 мм , а d_вн1 примем равным 6 см для мощности 5 кВт.

Электрический расчет элементов нагрузочной цепи. Эта цепь должна обеспечивать выполнение следующих требований. Ее контуры должны:

настраиваться в резонанс на заданном диапазоне частот (числе каналов);

обеспечивать получение расчетных значений сопротивления нагрузки, добротностей контуров и их регулировку;

на частоте любого канала в пределах данного диапазона час­тот иметь требуемую характеристику боковых полос (если в задании номер канала не указан, то это наименьший номер в данном диа­пазоне).

Требование фильтрации высших гармоник к нагрузочной цепи не предъявляют, поскольку эта проблема решается включением в структуру передатчика соответствующего фильтра. При обычных значениях добротностей нагруженных контуров форма напряжения на нагрузке близка к гармонической. Высокими оказываются и контурные КПД анодного и нагрузочного контуров.

Ограничимся рассмотрением двухконтурных выходных цепей, полагая входную цепь резонансной или широкополосной. В первом случае малые отклонения от оптимальной ХБП реализуют для тракта усиления в целом, то есть системой, включающей резонансные выходную и входную цепи. Резонансную выходную и широкополосную неперестраиваемую входную цепи применяют в передатчиках средней мощности, когда тракт предварительного усиления строят на транзисторах.

Электрический расчет нагрузочной цепи выполняют, оперируя параметрами контуров на сосредоточенных L и C, эквивалентных резонаторам. Этими параметрами принимают резонансные частоты контуров ω₀, их собственные добротности Q_хх и добротности Q_н на­груженных контуров, а также характеристические сопротивления Z_с . Последние находят после конструктивного расчета. Резонансные частоты анодного и нагрузочного контуров одинаковы и равны сред­ней частоте полосы пропускания цепи, которая выше частоты несу­щей канала изображения примерно на 3 МГц. Контуры перестраи­вают грубо - изменением длины линии передачи резонатора с по­мо­щью короткозамыкающего поршня, плавно - посредством под­стро­ечных конденсаторов специальной конструкции. Добротности на­груженных контуров находят из табл.4, выбрав способ получения ХБП. Добротность нагрузочного (фидерного) контура подбирают при изготовлении усилителя и в процессе эксплуатации не регулируют, а связь с анодным контуром регулируемая. Этим обеспечивают изменение добротности анодного контура, если потребность в этом возникает при замене отслуживших свой срок ламп.

Рассмотрим цепи с малым отклонением ХБП от среднего значения (табл.3). В двух первых строках этой таблицы даны сведения для случая широкополосной входной цепи, в следующих для резонансных на входе и выходе. Указаны нормированные добротности нагруженных анодного Q₁ и фидерного (нагрузочного) Q₂ контуров. Нормирующий параметр для добротности Δf_ус /f_ср равен отношению полосы пропускания Δf_ус цепи (8 МГц) к средней частоте f_срТВ канала. Сопротивления нормированы к величине

где Δf_ус ≥ 8 МГц.

Емкость С₀ эквивалентного анодного контура

С₀ =С_{вых экв} (m l + 0,5 sin 2 m l) / sin 2 m l,

где постоянная m = 2π ⁄ λ, а l – длина резонатора, найденная конструктивным расчетом.

С₀ =24,2(9,9•0.25 + 0.5sin2•9,9•0.25) ≈ 10,5пФ

Входное сопротивление:

Расчет режимов усилителя.

Формирование ХБП в выходной цепи.

В этом случае ток I_а1 в полосе частот приблизительно одинаков. Расчет выполняют в максимальном режиме на несущей частоте канала изображения или минимальной частоте диапазона. Исходными данными к расчету служат мощность, развиваемая в выходной цепи, сопротивление нагрузки R_Э1, фазовый угол нагрузки φ_н=25⁰ и угол отсечки тока θ.

Первая гармоника тока анода

Постоянная составляющая тока анода

где α₀ , α₁- коэффициенты разложения импульса тока для угла θ = 90˚, равные 0,32 и 0,5 соответственно.

Максимальный ток анода

i_а макс = I_а1/₁ = 2 I_а1=3,2/0,5 = 6,4 А

Напряжение на нагрузке

U_a = I_a1 z_Э нес = 3,2·825 = 2,64 кВ

Напряжение питания анода в граничном режиме

E_a = e_а гр + U_a = 450 + 2640 =3,09кВ

приближенно принимают e_а гр = E_c2.