Проектирование радиовещательного передатчика с амплитудной модуляцией

Проектирование радиовещательного передатчика с амплитудной модуляцией

1. Техническое задание

Спроектировать радиовещательный передатчик с АМ (ПРВАМ) со следующими параметрами:

·        Мощность в антенне (нагрузке ) P_~=100 кВт;

·        Волновое сопротивление фидера ρ_Ф=150 Ом;

·        КПД фидера η_ф = 0.80;

·        Коэффициент бегущей волны КБВ = 0.8;

·        Максимальный индекс модуляции m = 1;

·        Диапазон рабочих частот f_min - f_max, 0.1 - 0.3МГц;

·        Диапазон частот модуляции ΔF = 50 10000 Гц;

·        несущая частота f₀=200 кГц.

Анализ технического задания:

Радиовещательные передатчики (ПРВ) с АМ применяемые в диапазонах длинных, средних и коротких волн по своим параметрам должны соответствовать ГОСТ 1392468. В ламповых вариантах передатчиков для получения АМ сигнала заданной мощности наиболее распространены анодная, анодно-экранная или комбинированная (по нескольким электродам) модуляция в оконечном каскаде, реже применяется усиление модулированных колебаний (УМК).

В рамках данной работы проведены следующие расчеты:

·        оконечного каскада в пиковой, минимальной и телефонной точках, а также при 100% -й глубине модуляции;

·        модулирующего устройства и электрических параметров его элементов; трансформатора, дросселей, блокировочных конденсаторов;

·        выходной колебательной системы;

2. Выбор способа построения проектируемого устройства

Для реализации данного устройства был выбран вариант реализации с анодной модуляцией вследствие ее высокой энергоэффективности, хорошей линейности и широкого применения в радиовещательных передатчиках [1], [2].Структурная схема проектируемого устройства представлена на рисунке 1.

Рисунок 2.1. Структурная схема проектируемого радиовещательного передатчика с АМ.

Ориентировочный расчет радиопередатчика с АМ по структурной схеме

Согласно техническому заданию, передатчик должен обладать следующими параметрами: P_~= 100 кВт;

индекс модуляции m = 1;

диапазон рабочих частот f_min f_max = 0.1 0.3 МГц.

Исходя из заданных выше параметров произведем ориентировочный расчет элементов радиопередатчика.

Пиковая мощность в антенне при этом составит:

Мощности P_1T и P_1max, отдаваемые приборами ОК определяются формулами:

где  ориентировочный КПД выходной колебательной системы. выбранный из таблицы, приведенной в [3] и [4], КПД фидера.

Тогда P_1T= 136 кВт, P_1max= 544 кВт.

В связи с тем, что в ОК реализована анодная модуляция то номинальная мощность ЭП выбирается по правилу P_1ном⋍2P_1T= 272 кВт (номинальная мощность генераторных ламп).

Т.к. при разработке ОК использовалась двухтактная схема, то P_{1ном лампы}= .

Выбор типа лампы осуществляется по таким параметрам как P_{1ном ламы} и максимальной рабочей частоте f_max.

По справочным таблицам, представленным в[1] и [4] была выбрана лампа ГУ 66 Б, имеющая следующие параметры [5]: E_{a ном}= 10 кВ; S = 0.16 А/В, P_{ном справ}= 150 кВт.

Описание лампы ГУ 66 Б приведено в приложении 1.

Принципиальная схема проектируемого радиовещательного передатчика представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема проектируемого передатчика с АМ.

3. Расчет оконечного каскада (ОК)

В данном пункте производится расчет ОК в следующих режимах:

·        в пиковой точке;

·        в минимальной точке;

·        в телефонной точке;

·        при 100% глубине модуляции.

Глубина модуляции анодного напряжения m = 1 в соответствии с техническим заданием.

Принципиальная схема оконечного каскада приведена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Принципиальная схема оконечного каскада.

Напряжение анодного питания для режима телефонной точки обычно выбирается как:

Угол отсечки выбирается в пределах θ = 80˚- 90˚. В данном случае примем угол отсечки равным 90˚.

3.1 Расчет оконечного каскада(ОК) в максимальной точке

Расчет оконечного каскада в максимальной точке производится по методике изложенной в [1] и [3].

Напряжение анодного питания и питания экранирующей сетки:

Е_аmax=E_a.т(1+m)=16 кВ

Коэффициент использования анодного напряжения в граничном режиме

=0.94

=0.98

Амплитудное напряжение на аноде:

_{a max}= E_amaxξ_max=15.7 кВ

Амплитуда первой гармоники анодного тока:

_a1max=2=69.2 А

Амплитуда импульса анодного тока

_amm== 138.4 A

Эквивалентное сопротивление анодной нагрузки:

= 227 Ом

Верхний угол отсечки  определяется из уравнения

Откуда получаем  = 0.31 рад = 18⁰

Постоянная составляющая анодного тока с учетом усеченности вершины импульса

Мощность, потребляемая анодной цепью

Мощность рассеиваемая на аноде

КПД анодной цепи в максимальном режиме

Амплитуда напряжения возбуждения в цепи управляющей сетки и напряжение смещения

 1.17 кВ

= - 400 В

Сопротивление автоматического смещения

 = 1.6 кОм

где  , = 71.2⁰,  ⋍ 0.66

Составляющие сеточного тока

= 0.26 А

 = 0.5 А

где коэффициенты  и , учитывающие несинусоидальность импульса тока, принимаются равными  ⋍ 0.66,  ⋍ 0.75

Мощности, потребляемые от предыдущего каскада ПК и источника смещения

 = 294 Вт.

 = -102 Вт

Мощность, рассеиваемая на управляющей сетке

 396 Вт

3.2 Расчет оконечного каскада(ОК) в минимальной точке

Расчет режима минимальной точки проводится по методикам, изложенным в [1] - [3]. Режим минимальной точки характерен малыми напряжениями на аноде. В области e_a→0 увеличивается напряженность режима и несколько искривляется МХ. Для ослабления этих явлений в цепь тока  включают сопротивления автоматического смещения R_c.[3].

Расчет параметров минимального режима выполняется только для цепи управляющей сетки[1], [3]. Исходными данными для этого расчета являются U_{c max}, E_c0, S, R_c. [3].

Для нахождения параметров сеточного тока, по методике, изложенной в [1] найдем  из уравнения

Далее по графику, приведенному в [1] и таблице 5.1, приведенной в [3] определяется ⋍ 15⁰

-80 В

0.05 A

 = 0.1 A

Потребляемые мощности от источника смещения и от ПК.

 -4.1 Вт

 = 0 В

3.3 Расчет оконечного каскада(ОК) в телефонной точке

Расчет режима телефонной точки проводится по методикам, изложенным в [1] и [3].

Составляющие анодного тока

 = 34.6 A

 = 18.7 A

Анодное напряжение и амплитуда напряжения на нагрузке

 = 7.9 кВ

Потребляемая и отдаваемая мощности

 = 149 кВт

3.4 Расчет оконечного каскада(ОК) в режиме модуляции

Расчет ОК в режиме модуляции проводится по методике, изложенной в [1] и [3].

Средняя, потребляемая анодной цепью мощность

 = 223 кВт.

Мощность, доставляемая модуляционным устройством

 75 кВт

Средняя мощность, отдаваемая лампами ОК

204 кВт.

Средняя мощность, рассеиваемая на аноде.

19 кВт

Средняя мощность, рассеиваемая на управляющей сетке

 400 Вт

4. Расчет предоконечного каскада

ЭП для предоконечного каскада выбирается по следующему правилу: по справочным таблицам, приведенным в [3] находится коэффициент усиления мощности N_p = 30 .. 50. Примем N_p = 50. Тогда мощность предыдущего каскада, необходимая для возбуждения ОК составляет

Для данной мощности подходит лампа ГУ - 39 Б , у которой P_ном = 13 кВт [5]. Характеристики ГУ 39 Б приведены в приложении 2.

В качестве цепи согласования ПОК и ОК может быть применена П цепочка [3].

5. Расчет модуляционного устройства

ММУ реализовано с использованием усилителя класса D. Принцип работы данного ММУ подробно описан в [2] и [3]. Двухтактный усилитель класса D предназначен для усиления модулирующего сигнала. Для подачи постоянной составляющей I_a0т к ОК служит отдельный источник питания с напряжением Е_ат и дроссель L_d4. Модулирующее напряжение U_Ω подается к широтно - импульсному модулятору и последующему импульсному усилителю и далее к лампе V₂. Управление второй лампой V₁ производиться напряжением, падающим на сопротивление R₁ от анодного тока лампы V₂[3].

Рисунок 5.1 Принципиальная схема ММУ с двухтактным усилителем класса D.

К преимуществам данной схемы относятся:

·        существенное увеличение КПД усилителя, вследствие того, что лампы каскада работают в ключевом режиме, а постоянная составляющая тока I_{a0 т} ОК проходит через дроссель с малым сопротивлением обмотки;

·        постоянный КПД усилителя при разных уровнях усиливаемого сигнала ( при рациональном выборе ламп, КПД в таком усилителе может достигать 95% - 97%) [2];

·        отсутствие тяжелого, громоздкого, дорогостоящего модуляционного трансформатора[2].

К недостаткам данной схемы можно отнести:

·        необходимость тщательной регулировки управления лампами, исключающей их одновременное открытие, что привело бы к замыканию источника питания 2Е_а.

Диоды VD₁ и VD₂ предназначены для предотвращения прерывания тока в катушке L_d2 в моменты переключения ламп.

Т.к расчет параметров режима ОК выполнен, то определяется

= 75 кВт.

Исходя из рассчитанных параметров выбирается лампа ГУ- 66 Б [5].

Диоды VD1 и VD2 выбираются по следующим параметрам:

Обратное напряжение E_обр Е_п,

Максимальный импульсный ток I_{D max}= 38 А

Прямое сопротивление открытого диода r_D - желательно возможно меньше. Номинал индуктивности дросселя фильтра L_d1 выбирается в несколько Генри. L_d1= 5 Гн .

Конденсатор C₁ выбирается из условия тогда C₁ =253 пФ

Фильтр L_d2, L_d3, C₂, C₃ выполнен в виде полузвена L_d2C₂ по Баттерворту. Следовательно

 5.2 мГн

 48.2 нФ

Разделительный конденсатор C₄ выбирается из условия

Тогда С₄= 688 нФ.

 выбирается из условия Тогда можно положить

Сопротивление R₁ выбирается таким образом, чтобы выполнялось неравенство

где  напряжение отсечки анодного тока ламп VL1 и VL2.

Таким образом R₁= 150 Ом.

Тактовая частота f_т выбирается из условия f_т=(5..8)F_в. Выбираем f_т= 70 кГц.

6. Расчет выходной контурной системы

Расчет выходной колебательной системы проводится по методике, изложенной в [1] и [3].

Назначение выходных колебательных систем в радиопередатчиках заключается в выполнении следующих функций [3]:

·        согласование активного сопротивления R_A антенного фидера с необходимым для нормальной работы выходной ступени эквивалентным сопротивлением R_э нагрузки в анодной цепи;

·        компенсация реактивного сопротивления X_A антенны или фидера с тем, чтобы ВКС работала на активную нагрузку и отдавала в антенну наибольшую мощность;

·        фильтрация гармоник, вырабатываемых электронными приборами в выходных каскадах.

Для выбора конструкции ВКС вычислим необходимую фильтрацию

 = 2.15 10³

По графику зависимости η_ВКС(Ф_необх) определяется конструкция выходной колебательной системы. Для η_ВКС=0.92 и Ф_необх=2.1 10³ _в конструкция ВКС будет иметь вид (рисунок 6.1):

Рисунок 6.1 Принципиальная схема выходной колебательной системы.

Максимальное и минимальное входное сопротивление фидера

Тогда

Расчет элементов ВКС проводится по методике, изложенной в [3].

Тогда для первой П - цепи имеем

Для второй П цепочки

Тогда номиналы элементов ВКС должны изменяться в пределах

7. Заключение

В результате проделанной работы в соответствии с техническим заданием был спроектирован радиовещательный передатчик с амплитудной модуляцией. Произведен расчет ОК, модуляционного устройства и выходной контурной системы и выбраны элементы для построения данных устройств. ММУ выполнено по схеме с двухтактным усилителем класса D, что способствует увеличению КПД усилителя и упрощению его схемы. Для согласования активного сопротивления антенного фидера с необходимым для нормальной работы выходной ступени эквивалентным сопротивлением нагрузки в анодной цепи, а также для компенсации реактивного сопротивления фидера и для фильтрации гармоник, вырабатываемых электронными приборами в выходных каскадах применена выходная контурная система с двойным П-образным контуром.

Приложение 1

Генераторный триод ГУ-66Б предназначен для усиления мощности на частотах до 30 МГц в стационарных передающих радиотехнических устройствах как в схемах с общей сеткой, так и в схемах с общим катодом.

Общие сведения

Катод - вольфрамовый торированный карбидированный прямого накала. Оформление - металлокерамическое с кольцевыми выводами катода и сетки. Охлаждение - принудительное: анода - водяное; ножки - воздушное. Высота не более 420 мм. Диаметр не более 211 мм. Масса не более 23 кг.

радиовещательный передатчик амплитудный модуляция трансформатор

Приложение 2

Характеристики ГУ - 39 Б