Выбор структурной схемы и его обоснование

Введение

 

Любая система радиосвязи включает в себя радиопередающие устройства, функции которого заключаются в преобразовании энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управлении этими колебаниями. Параметры любого радиопередающего устройства должны удовлетворять требованиям ГОСТов и рекомендациям МСЭ. Определяющими параметрами радиопередающего устройства служат мощность, определяющая дальность действия радиолинии, надежность (время наработки на отказ), стабильность частоты, промышленный КПД, массогабаритные размеры. Структуру оптимизируют по названным параметрам в предположении, что требования к качеству передачи сигналов выполняются.

 

Общие сведения

Телевизионные радиостанции (ТВРС) служат для подачи зрителям программ в форме цветного изображения и его зву­кового сопровождения (ЗС). По радиоканалу изображение передают в виде модулированного по амплитуде колебания с частично подав­ленной нижней боковой полосой. Международной классификацией данный вид излучения определен как C3F. В канале звука модуляция частотная (F3E). Разделение каналов C3F и F3E - частотное. Несущая частота канала ЗС на 6,5МГц + 1000Гц выше несущей частоты канала изображения. Мощность радиостанции указывают по уровню передачи син­хросигнала. В канале звука, где радиосигнал модулирован по час­тоте и имеет постоянную амплитуду, она меньше в десять раз. В ми­ровой практике используют ряд мощностей 1, 2, 4, 5, 20 - 25, 50 кВт и выше. В нашей стране применялся ряд от 5 до 50 кВт. Станции большей мощности у нас не строились в виду отсутствия потребно­сти в таковых. Телевизионное вещание в России ведется на частотах 48,5 - 60,5 и 76 - 100 МГц (I и II диапазоны), 174-230 МГц (III диапазон), 470 -582 и 588 - 870 МГц (IV и V диапазоны). Радиостанции работают на фиксированных волнах (каналах). Полоса частот любого канала составляет 8 МГц. При проектировании телевизионных радиостанций стремятся к максимальной унификации оборудования в указанных выше полосах частот.

 

Задание на проектирование

Вариант №5

В соответствии с вариантом задания требуется спроектировать с

передатчик телевизионной радиостанции со следующими исходными данными:

Мощность на выходе передающего устройства P=0,2 кВт;

Диапазон рабочих частот – III;

Тракт сигнала – звуковое сопровождение;

Значения f_{нес.звук} = 175.25 МГц;

 

 

Расчет структурной схемы

Решение данной задачи ограничим рассмотрением оконечного и предоконечного усилителей (Рис. 5.). Оно включает:

· определение расчетных значений мощностей оконечного и предоконечного усилителей;

· выбор приборов для этих усилителей;

· определение способа получения нужной мощности от выбранных приборов меньшей мощности;

· выбор схем включения приборов и режимов усилителей;

· установление коэффициентов усиления мощности оконечного и предоконечного усилителей;

· выбор напряжения питания для используемых приборов.

 

 

 

Рис. 5. Представление ПОК и ОК

 

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

Р_~ = k _З Р_{~ ном.} = 1,2×200 Вт = 240 Вт

Потери учтены с помощью коэффициента запаса k _З = 1,2

 

Выбор приборов.

На выходе передатчика необходима мощность 240 Вт (радиостанция малой мощности), поэтому оконечный каскад строим на твердотельных приборах. К достоинствам транзисторов относят:

· практически неограниченный срок службы;

· малые их и элементов схем габариты и массу;

· мгновенную готовность к работе;

· невысокие напряжения питания, облегчающие защиту пер­сонала от поражения электрическим током.

Свойственные этим приборам недостатки: высокую чувствительность к изменению температуры; малую электрическую прочность на пробой; невысокий уровень мощности приборов; достаточно сильную зависимость коэффициента усиления от частоты колебания, устраняют применением конструктивных решений, найденных за десятилетия внедрения твердотельных элементов в усилители вы­со­ких уровней мощности.

В частности, температурную стабиль­ность обеспечивают введением в схему усилителя соответствую­щих регу­ляторов, а в маломощном тракте его термостатированием с темпера­турой 60 - 70˚С. Электрическую прочность на пробой обеспечивают соответствующими схемами защиты. Постоянства коэффициента усиления в полосе частот добиваются включением в тракт усиления корректирующих цепей или схем стабилизации коэффициента уси­ления по диапазону частот. Станции средних уровней мощности на транзисторах строят по схемам сложения мощностей многих однотипных модулей.

По заданному диапазону частот (III) и необходимой нам мощности выбираем транзистор КТ9116б в количестве 16 шт.

КТ9116б:

· Р_~ = 15 Вт;

· E_k = 28 B;

· K_yp = 10;

· Схема включения – ОЭ.

Произведем по­верку выбранного нами транзистора определением коэффициента использования уста­новленной мощности:

где Р _{~ ном РС} - номинальная мощность радиостанции,

N - число выбранных приборов,

Р _{~ ном пр} - номинальная мощность прибора по справочным дан­ным.

Оптимальное значение коэффициента k_{Р уст} лежит в интервале от 0,8 до 1,0.

Чтобы получить требуемую мощность, используем несколько однотипных приборов: N = 2k, где –число натурального ряда 1,2,3,4… Сложение их мощностей выполним с помощью мостовых схем, применив попарное суммирование.

Определим напряжение питания:

Е _п = ,

 

 

где Е _{п ном} и Р_{~ ном} - номинальные напряжения питания и мощ­ность прибора, а Р_~ - расчетная мощность усилителя (на один при­бор).

 

Р_~

 

Расчет коллекторной цепи

 

1. Амплитуда переменного напряжения , что обеспечивает работу в недонапряженном режиме при допустимой для раздельного усиления нелинейности СМХ.

2. Амплитуда первой гармоники тока коллектора:

 

 

3. Постоянная составляющая тока коллектора:

где α_0, α₁ – коэффициенты разложения косинусоидального импульса (коэффициенты Берга), для θ = 180, α₀ = 0,5 и α₁ = 0,5.

4. Подводимая к коллектору мощность:

5. Рассеиваемая коллектором мощность:

6. Электронный КПД коллекторной цепи:

7. Сопротивление нагрузки:

Анализ режимов транзисторных УМК расчетом на ЭВМ показывает, а натурный эксперимент подтверждает необходимость применения комплексного нагрузочного сопротивления для получения макси­мального электронного КПД. В широкой полосе частот ак­тивная со­ставляющая сопротивления нагрузки r _к= Re(Z _к) изменя­ется не­сильно. Реактивная составляющая x _к = Jm(Z _к) соизмерима с актив­ной и иногда меняет знак в полосе частот. На нижней частоте диапа­зона (f» 50 МГц) ток через емкости перехода коллектор-база ком­пенсиро­ван током через индуктивность общего электрода. Здесь требу­ется емкостное сопротивление нагрузки x _к. Оно невелико и мед­ленно растет по мере роста частоты. Преобладание индуктивной связи между входом и выходом усилителя над емкостной свойст­венно многим приборам, работающим в схемах с ОЭ на частотах до 250 МГц. Требования к сопротивлению z _{к опт} выполняют при проек­тировании нагрузочной цепи. В расчете режима находят активные составляющие сопротивлений нагрузки r _ки входного r _вх. Только их и учитывают при расчете нагрузочной и входной согласующих це­пей. Реактивные принимаются равными нулю, как неизвестные.

 

Расчет входной цепи

Исходные данные к расчету:

· Мощность в коллекторной нагрузке

· Первая гармоника и постоянная составляющая тока коллектора

· Коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ

· Коэффициент усиления мощности K_yp = 10

1. Мощность возбуждения:

 

 

2. Амплитуда первой гармоники тока базы:

 

3. Входное сопротивление (схема с ОЭ):

 

Полученные значения r _к и r _вх не учитывают влияние обратных связей через емкости перехода коллектор - база и индуктивность вывода эмиттера или базы в зависимости от схемы включения. В схеме с ОЭ обратная связь приводит к передаче части входной мощности в на­грузку. Уч­тем эти особенности работы приборов, приняв в схеме с ОЭ r _вх в 1,3 - 1,5 раза большим, чем рассчитанное выше: r _вх = 84,7 Ом ·1,5 = 127,1 Ом

4. Постоянная составляющая тока базы:

5. Напряжение смещения на базе (эмиттере) Е _Б0 ≈ Е _Б = 0,5 - 1,0 В. Его подбирают при регулировке режима по минимуму нелинейных искажений.

 

Расчет цепей питания

 

В транзисторных усилителях применяют схемы па­раллельного питания, что возможно во всех диапазонах вследствие малости нагрузочных сопротивлений твердотельных приборов. Блокировочные элементы параллельных цепей пита­ния имеют такие значения:

X_{С бл} = (0,05 - 0,10) R _ф = 0,1·75 Ом = 7,5 Ом;

X_{L бл} = (10 - 20) R _Э = 10·3117,5 Ом = 31175 Ом;

 

 

Расчет промышленного КПД

 

Расчет передатчика звука и выполним по формуле:

В этой формуле численный коэффициент учитывает многие не­большие затраты мощности, включая потери энергии первичного источника питания на приведение в действие системы охлаждения. В транзисторных радиостанциях выбирают большее значение этого ко­эффициента.

Расчет промышленного КПД завершает проектирование. Теперь точно известны потери в колебательной системе оконечного усилителя: ее контурный КПД и число элементов тракта от выхода оконечного усилителя до главного фидера. Пользуясь приведенными ниже приближенными оценками потерь в элементах тракта, найдем результирующее значение

где η _п - КПД отдельных элементов выходной цепи до главного фи­дера.

Их величины следующие: η_к - контура ≥0,9; η_сф -со­единительных фидеров ≥0,95; η_мс - моста сложения ≥0,9 для мощно­стей до 1 кВт и 0,95 для больших суммируемых мощностей; η_ф - фильтров ≥0,9; η_ру - развязывающих устройств (вентилей и циркуля­торов) ≥0,95.

Тогда:

 

Введение

 

Любая система радиосвязи включает в себя радиопередающие устройства, функции которого заключаются в преобразовании энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управлении этими колебаниями. Параметры любого радиопередающего устройства должны удовлетворять требованиям ГОСТов и рекомендациям МСЭ. Определяющими параметрами радиопередающего устройства служат мощность, определяющая дальность действия радиолинии, надежность (время наработки на отказ), стабильность частоты, промышленный КПД, массогабаритные размеры. Структуру оптимизируют по названным параметрам в предположении, что требования к качеству передачи сигналов выполняются.

 

Общие сведения

Телевизионные радиостанции (ТВРС) служат для подачи зрителям программ в форме цветного изображения и его зву­кового сопровождения (ЗС). По радиоканалу изображение передают в виде модулированного по амплитуде колебания с частично подав­ленной нижней боковой полосой. Международной классификацией данный вид излучения определен как C3F. В канале звука модуляция частотная (F3E). Разделение каналов C3F и F3E - частотное. Несущая частота канала ЗС на 6,5МГц + 1000Гц выше несущей частоты канала изображения. Мощность радиостанции указывают по уровню передачи син­хросигнала. В канале звука, где радиосигнал модулирован по час­тоте и имеет постоянную амплитуду, она меньше в десять раз. В ми­ровой практике используют ряд мощностей 1, 2, 4, 5, 20 - 25, 50 кВт и выше. В нашей стране применялся ряд от 5 до 50 кВт. Станции большей мощности у нас не строились в виду отсутствия потребно­сти в таковых. Телевизионное вещание в России ведется на частотах 48,5 - 60,5 и 76 - 100 МГц (I и II диапазоны), 174-230 МГц (III диапазон), 470 -582 и 588 - 870 МГц (IV и V диапазоны). Радиостанции работают на фиксированных волнах (каналах). Полоса частот любого канала составляет 8 МГц. При проектировании телевизионных радиостанций стремятся к максимальной унификации оборудования в указанных выше полосах частот.

 

Задание на проектирование

Вариант №5

В соответствии с вариантом задания требуется спроектировать с

передатчик телевизионной радиостанции со следующими исходными данными:

Мощность на выходе передающего устройства P=0,2 кВт;

Диапазон рабочих частот – III;

Тракт сигнала – звуковое сопровождение;

Значения f_{нес.звук} = 175.25 МГц;

 

 

Выбор структурной схемы и его обоснование

 

Задача составления структурной схемы радиопередающего устройства состоит в том, чтобы определить рациональное число каскадов ВЧ между возбудителем и выходом передатчика, обеспечивающее выполнение заданных технических требований к радиопередающим устройствам при минимальных затратах средств на изготовление и при достаточно высоком КПД. Телевизионная радиостанция (ТВРС) состоит из радиопередатчиков сигналов изображения и сигналов звукового сопровождения, устройства сложения этих сигналов в общей нагрузке, устройства питания, охлаждения, контрольно-измерительной аппаратуры и т.д. В начале проектирования составляется структурная схема всего тракта радиочастоты передатчика. В основе проектируемой структуры лежит раздельный способ усиления сигналов каналов изображения и звука (Рис. 1.).

 

 

 

 

Рис.1. Структурная схема тракта раздельного усиления сигналов

 

По проектному заданию выходная мощность передатчика равна 0,2 кВт, следовательно, его построение будет осуществляться на транзисторах. К достоинствам транзисторов можно отнести устойчивость к механическим воздействиям и большой срок службы (до 10000 часов). В условиях правильной эксплуатации их не приходится менять на протяжении всего срока службы аппаратуры. Отсутствие цепей накала у транзисторов обуславливает их немедленную готовность к работе. Низкие питающие напряжения транзисторов при относительно большой мощности определяют малые нагрузочные сопротивления в цепи коллектора (десятки, единицы, доли Ом). По этой причине действие паразитных емкостей, шунтирующих нагрузку, существенно меньше, чем в лампах. Также в маломощных передающих устройствах полное замещение ламп транзисторами приводит к уменьшению габаритов и массы устройства. К недостаткам транзисторов относят высокую чувствительность к изменению температуры, малую электрическую прочность на пробой, невысокий уровень мощности, достаточно сильную зависимость коэффициента усиления от частоты колебания. Все эти недостатки устраняют применением конструктивных решений. Так, температурную стабильность обеспечивают при помощи внедрения в схему усилителя регуляторов. Электрическую прочность на пробой обеспечивают соответствующими схемами защиты. А, если включить в тракт усилителя цепи коррекции или схемы стабилизации, то можно добиться и постоянства коэффициента усиления в диапазоне рабочих частот. Основными электрическими характеристиками передатчика, определяющими его конструкцию, являются мощность, диапазон несущих частот, вид и требуемое качество модуляции, требования обеспечения ЭМС – допустимые нестабильность частоты и уровни внеполосных и побочных излучений. Очень важным является требование повышения промышленного КПД передатчика и его отдельных каскадов, естественно, не в ущерб другим требованиям. В целях достижения высокой стабильности частоты при выполнении других требований современные передатчики чаще всего строят, как многокаскадные: нормы на допустимую нестабильность частоты можно выполнить только при использовании генераторов эталонных частот с кварцевыми резонаторами (такие генераторы работают на малых уровнях мощности – от десятков до сотен мВт). Колебания маломощного возбудителя последовательно усиливаются несколькими каскадами усиления и доводятся до заданной мощности. В мощных оконечных транзисторных каскадах приходится объединять для совместной работы несколько транзисторов с помощью схем сложения мощностей. Сложение мощностей используют также для повышения надежности передатчиков. Надежность ТВРС как основного средства массовой информации должна быть весьма высокой. Поэтому кроме обычных мер, направленных на повышение надежности приборов, каскадов и устройств в целом, при построении и эксплуатации ТВРС используются системы резервирования передатчиков.

 

Многие разработчики и эксплуатационные службы, особенно зарубежные, идут по пути 100%-ного пассивного резервирования, т.е. устанавливают на ТВРС рядом с работающими передатчиками (сигнала изображения и звукового сопровождения) резервные, в которых включена система автоматики. Переключение на резервный передатчик происходит автоматически при снижении у работающего выходной мощности ниже некоторого заранее установленного уровня или ухудшении определенных качественных показателей. Такой способ резервирования наиболее оправдан при эксплуатации относительно маломощных, а значит, относительно дешевых и занимающих мало места передатчиков. В случае резервирования замещением для каждого резервируемого элемента, находящегося в работе, имеется запасной, неработающий, но входящий в состав ТВРС. При отказе неисправные элемент оборудования замещают запасным. Достоинством данного варианта резервирования является практически бесперебойная работа радиостанции при сохранении неизменными всех ее параметров. Перерыв в работе непродолжителен и определен временем переключения с действовавшего на вводимое оборудование. Такое резервирование рекомендуют для маломощного тракта, имеющего небольшие габариты, массу и стоимость. Особенно это эффективно для трактов, выполненных на твердотельных элементах – транзисторах и интегральных схемах. Они находятся в постоянной готовности к работе. Аппаратура маломощных трактов, к которым относятся возбудители и предварительные усилительные каскады передатчиков изображения и звукового сопровождения имеет 100%-ный пассивный резерв. Выходные каскады обоих передатчиков выполняются из двух одинаковых в схемном и конструктивном отношении полукомплектов (Рис. 2.) При аварии в одном из полукомплектов все оборудование полукомплекта отключается полностью.

 

 

Рис. 2. Структурная схема ТВРС

 

Полная структурная схема ТВРС представлена в приложении 1.

 

Структура возбудителя каналов изображения и видео представлена на рис. 3. Усилители управляющих (модулирующих колебаний – на схеме ВУ и ЗУ) – обеспечивают обработку сигнала до его подачи на модулятор. Модуляция в каналах звука и изображения выполняется на промежуточных частотах 38 МГц (канал изображения) и 31,5 (канал звука). Достоинством модуляции на промежуточных частотах является унификация трактов формирования модулированных колебаний для радиостанций, работающих на всех пяти ТВ диапазонах частот. Практика показала высокую эффективность устройств предкоррекции на ПЧ частотных и амплитудных характеристик канала усиления модулированных по амплитуде колебаний, что также является достоинством данного решения. В канале звука применяют прямой метод модуляции. Необхо­димую стабильность несущей частоты получают использованием высокостабильной частоты гетеродина и импульсно-фазовой авто­подстройкой средней частоты (ИФАПЧ) модулятора по эталонной частоте. В тракте ПЧ усиливают сформированный на ПЧ модули­ро­ванный по частоте сигнал и подают его на вход повышающего пре­образователя частоты (ППЧЗ). Это устройство по принципу дейст­вия является балансным модулятором. Разнос между выде­ляемой и ослабляемой боковыми полосами на их выходе равен ∆f _БП≈ 2 f _Г. Отношение ∆f _БП / f _Г, где f _Г - частота гетеродина, достаточно велико, чтобы не создавать проблемы ослабления по­давляемого колебания в последующем тракте усиления. Выбор f _ПЧИ > f _ПЧЗ требует примене­ния частоты гетеродина f _Г = f _из + f _ПЧИ и ослабления на выходе ППЧ верхней боковой полосы в каждом из каналов. Модулятор канала изображения, работающий на своей ПЧ, обычно выполняют по ба­лансной схеме.

 

 

 

Рис. 3. Структурная схема возбудителя ТВРС

 

Структура синтезатора включает в себя ГУН и ОГ (Рис. 4.) Непрерывные колебания ОГ и ГУН преобразуют в импульсные последовательности. С помощью делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) период следования импульсов ОГ увеличивают до величины, позволяющей сравнивать на импульсно-фазовом детекторе частоты данного колебания с теми, что получают посредством деления частоты колебаний ГУН. Преобразование частоты ГУН выполняют в делителе с переключаемым коэффициентом деления (ДПКД). Колебания ГУН стабилизируют на сетке частот изменением коэффициента деления ДПКД с шагом, равным выходной частоте ДФКД.

 

 

Рис. 4. Структура синтезатора сетки дискретных частот

 

 

Расчет структурной схемы

Решение данной задачи ограничим рассмотрением оконечного и предоконечного усилителей (Рис. 5.). Оно включает:

· определение расчетных значений мощностей оконечного и предоконечного усилителей;

· выбор приборов для этих усилителей;

· определение способа получения нужной мощности от выбранных приборов меньшей мощности;

· выбор схем включения приборов и режимов усилителей;

· установление коэффициентов усиления мощности оконечного и предоконечного усилителей;

· выбор напряжения питания для используемых приборов.

 

 

 

Рис. 5. Представление ПОК и ОК

 

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

Р_~ = k _З Р_{~ ном.} = 1,2×200 Вт = 240 Вт

Потери учтены с помощью коэффициента запаса k _З = 1,2

 

Выбор приборов.

На выходе передатчика необходима мощность 240 Вт (радиостанция малой мощности), поэтому оконечный каскад строим на твердотельных приборах. К достоинствам транзисторов относят:

· практически неограниченный срок службы;

· малые их и элементов схем габариты и массу;

· мгновенную готовность к работе;

· невысокие напряжения питания, облегчающие защиту пер­сонала от поражения электрическим током.

Свойственные этим приборам недостатки: высокую чувствительность к изменению температуры; малую электрическую прочность на пробой; невысокий уровень мощности приборов; достаточно сильную зависимость коэффициента усиления от частоты колебания, устраняют применением конструктивных решений, найденных за десятилетия внедрения твердотельных элементов в усилители вы­со­ких уровней мощности.

В частности, температурную стабиль­ность обеспечивают введением в схему усилителя соответствую­щих регу­ляторов, а в маломощном тракте его термостатированием с темпера­турой 60 - 70˚С. Электрическую прочность на пробой обеспечивают соответствующими схемами защиты. Постоянства коэффициента усиления в полосе частот добиваются включением в тракт усиления корректирующих цепей или схем стабилизации коэффициента уси­ления по диапазону частот. Станции средних уровней мощности на транзисторах строят по схемам сложения мощностей многих однотипных модулей.

По заданному диапазону частот (III) и необходимой нам мощности выбираем транзистор КТ9116б в количестве 16 шт.

КТ9116б:

· Р_~ = 15 Вт;

· E_k = 28 B;

· K_yp = 10;

· Схема включения – ОЭ.

Произведем по­верку выбранного нами транзистора определением коэффициента использования уста­новленной мощности:

где Р _{~ ном РС} - номинальная мощность радиостанции,

N - число выбранных приборов,

Р _{~ ном пр} - номинальная мощность прибора по справочным дан­ным.

Оптимальное значение коэффициента k_{Р уст} лежит в интервале от 0,8 до 1,0.

Чтобы получить требуемую мощность, используем несколько однотипных приборов: N = 2k, где –число натурального ряда 1,2,3,4… Сложение их мощностей выполним с помощью мостовых схем, применив попарное суммирование.

Определим напряжение питания:

Е _п = ,

 

 

где Е _{п ном} и Р_{~ ном} - номинальные напряжения питания и мощ­ность прибора, а Р_~ - расчетная мощность усилителя (на один при­бор).

 

Р_~