Расчет колебательного контура усилителя промежуточной частоты

17

Расчет колебательного контура усилителя промежуточной частоты

Введение

Основным узлом современного радиоприёмника является усилитель промежуточной частоты (УПЧ). Он обеспечивает основное усиление приемника, его полосу пропускания и частотно-избирательные свойства. Эксплуатационные свойства радиоприёмного устройства существенно зависят от свойств его УПЧ. Полная оценка УПЧ может быть выполнена только при совместном учете комплекса его качественных показателей, основными из которых являются:

номинальная промежуточная частота;

степень усиления полезного сигнала;

полоса пропускания частот;

частотная избирательность;

стационарность качественных показателей.

Помимо перечисленных часто используют другие показатели, которые в зависимости от задач, выполняемых радиоприёмным устройством, могут приобретать существенное значение. К ним относят: степень неравномерности резонансной кривой, коэффициент шума, габариты, вес, стоимость и др.

В каскадах УПЧ используется свойство колебательного контура трансформировать напряжения, токи, активные и реактивные проводимости.

В данном курсовом проекте будет рассчитан колебательный контур УПЧ. В анализе технического задания нужно обратить внимание на то, что в соответствии с условиями эксплуатации РЭА конструкция элементов колебательного контура должна обеспечивать надёжную работу в течение заданного времени эксплуатации.

При анализе конструкции необходимо подобрать конструкцию, которая бы соответствовала условиям технического задания. В расчете катушки индуктивности будут определены параметры конструкции и ее элементов.

1. Анализ технического задания

Исходные данные:

1.Рабочая частота: 33 МГц.

2.Обеспечить подстройку резонансной частоты на ±5%

Годовой выпуск: 50000 шт.

Полоса пропускания: 2,3 МГц

Выбор дополнительных параметров.

Так как проектируемый колебательный контур предполагается использовать в бытовой аппаратуре, выбираем следующие дополнительные параметры:

1.Значения климатических факторов внешней среды при эксплуатации и испытаниях.

Исполнение изделия-УХЛ.

Категория размещения изделия - 4.1.

2.Значения температуры воздуха при эксплуатации, 0С.

Рабочие:

- верхнее значение + 25;

- нижнее значение + 10;

- среднее значение + 20.

Предельные рабочие:

- верхнее значение + 40;

- нижнее значение + 1.

Относительная влажность: 80% при 25 0С.

3. Механические воздействия.

1) Виброустойчивость:

- частота: 150Гц;

- ускорение: 2g.

2) Удароустойчивость:

- длительность ударного импульса: 16 мс;

- ускорение: 10 g;

- число ударов, не менее: 20.

3) Ударопрочность оборудования:

- длительность ударного импульса: 16 мс;

- ускорение: 10 g;

- общее число ударов, не менее: 103.

4) Теплоустойчивость:

- рабочая температура: 40 0С;

- предельная температура: 55 0С.

5) Холодоустойчивость:

рабочая температура:-100С;

предельная температура:-40 0С.

6) Влагоустойчивость:

влажность: 93 ;

температура: 25 0С.

4. Экономические показатели.

Годовой выпуск - 50000 шт. Выбираем массовое производство, то есть на одном рабочем месте будет выполняться одна операция. Квалификация рабочего будет низкая, значит цена изделия будет минимальная.

Катушка индуктивности, входящая в состав колебательного контура УПЧ будет эксплуатироваться в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, которая работает в жилых помещениях - категория размещения КР-4.2

2. Анализ аналогичных конструкций

Катушки индуктивности в зависимости от их назначения можно разделить на три группы: а) катушки контуров, б) катушки связи и в) дроссели высокой частоты. Катушки контуров могут быть с постоянной индуктивностью и с переменной индуктивностью (вариометры).

По конструктивному признаку катушки могут быть разделены на однослойные и многослойные, экранированные и неэкранированные, катушки без сердечников и катушки с магнитными или немагнитными сердечниками, цилиндрические, плоские и печатные.

Свойства катушек могут быть охарактеризованы следующими основными параметрами; индуктивностью, допуском индуктивности, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

В данном курсовом проекте будет рассчитана однослойная катушка индуктивности, экранированная от внешних воздействий с цилиндрическим сердечником из карбонильного железа, который перемещается внутри каркаса.

Главная часть конструкции, определяющая электромагнитную основу катушки индуктивности - сердечник и обмотка с изоляцией, составляющие вместе катушку.

В сердечнике броневого типа обмотки располагаются внутри центрального стержня, что упрощает конструкцию катушки, обеспечивает более полное использование его окна и частичную защиту обмотки от механических воздействий. Недостаток - повышенная чувствительность к воздействию полей низкой частоты.

При использовании сердечников стержневого типа упрошается процесс подстройки катушки, уменьшается толщина намоток. Это так же способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Кольцевые сердечники позволяют полнее использовать магнитные свойства материала и создают очень слабое поле, но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого распространения.

Аналоги	Преимущества	Недостатки
С броневым сердечником	меньше размеры, магнитное поле, собственная емкость; выше добротность	больше вес и габариты
С магнитным сердечником	высокая стабильность	низкая индуктивность и добротность
С немагнитным сердечником	меньшее число витков, высокая добротность и меньше размер	низкая стабильность параметров катушки
Экранированные	меньшее влияние внешних сил	ниже индуктивность, добротность, высокая собственная емкость
Секционированные	относительно высокая добротность, низкая собственная емкость	сложность выполнения каркаса
Однослойная	высокая добротность и стабильность	собств. емкость выше, чем у многослойных

3. Расчет электрических и конструктивных параметров

Проектируемый колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности.

Воспользовавшись формулой Томпсона, найдем индуктивность катушки контура:

(3.1)

L = 2,3 мкГн, С = 10 пФ.

Исходные данные для расчета:

Dc=3 мм; Dk= 5 мм; lн=6мм; lc=10 мм.

Полоса пропускания проектируемого контура 3,4 МГц.

Изучив конструкции усилителей промежуточной частоты, установил, что для частот 30-34 МГц применяют конденсаторы емкостей 5 и 10 пФ. Конденсатор выбираю из числа стандартных конструкций, керамический однослойный КД-1, емкостью 10 пФ. Допустимое отклонение емкости от номинального отклонения по ГОСТ 9661-73 ±0,5 пФ. Группа температурной стабильности М750, что соответствует -700*10-6 град-1. Категория по температуре 3 (-60…+85°С).

Рабочий диапазон температур - +20…+75С.

Температурный коэффициент частоты ТКf в данном диапазоне равен

ТКf=f/T*f,(3.2)

где T= Тмах-Тк = 75 - 20 = 55С - рабочий диапазон температур;

f - половина полосы пропускания;

f - рабочая частота.

ТКf=9,36*10-4 град-1

Исходный коэффициент индуктивности ТКL может быть найден из выражения:

ТКf= ТКL+ ТКС, (3.3)

где ТКL - температурный коэффициент емкости конденсатора.

Отсюда

ТКL= ТКf-ТКC=9,36*10-4 + 7*10-4 =16,36*10-4 град-1

Индуктивность однослойной катушки определяем по формуле:

(3.4)

где L - индуктивность, D - диаметр катушки, L0 - поправочный коэффициент.

Сердечник увеличивает индуктивность катушки в с раз:

Lб.с.=Lc/с(3.5)

Отсюда следует: Lб.с=1,54 мкГн

Теперь необходимо определить влияние экрана на индуктивность катушки:

Для устранения паразитных связей, обусловленных внешним электромагнитным полем катушки, и влияния на катушку окружающего пространства ее экранируют, т.е. помещают в замкнутом металлическом экране.

Под влиянием экрана изменяются параметры катушки: уменьшаются индуктивность и добротность, увеличивается собственная емкость. Изменение параметров катушки тем больше, чем ближе к ее виткам расположен экран. Индуктивность экранированной катушки (однослойной или тонкой многослойной) можно определить по графику (рис. 1.1).

Рис. 1.1. - Определение индуктивности экранированных катушек.

Здесь по горизонтальной оси отложено отношение длины намотки к ее диаметру, по вертикальной -- отношение индуктивности экранированной катушки к индуктивности той же катушки без экрана. На графике приведены кривые для различных соотношений между диаметром экрана Dэ и диаметром катушки D. Если экран прямоугольной формы, при расчете пользуются эквивалентным диаметром, равным полусумме диаметров вписанной и описанной окружностей. Т.к. экран будет прямоугольным, со стороной, равной 12 мм, то Dэ=13,5мм.

Экраны для высокочастотных катушек индуктивности изготовляют из меди или алюминия толщиной не менее 0,1--0,13 мм. Часто экраны высокочастотных катушек индуктивности снабжены отверстиями для вращения сердечников или изменения положения одной из индуктивно связанных катушек. В этих случаях отверстия должны быть минимальными по размеру.

Т.к. отношение Dэ/Dк=2,7 то из рисунка 3.1 видно, что соотношение индуктивности экранированной катушки к индуктивности той же катушки без экрана равно единице. Следовательно экран не вносит изменений в индуктивность катушки.

Теперь из формулы 3.4 выведу формулу для расчета количества витков катушки:

(3.6)

Подставив в формулу 1.5 все значения получил N = 22 витка.

Расчет предельного отклонения индуктивности.

Для нахождения допустимого отклонения индуктивности от номинального воспользуемся допуском на емкость конденсатора.

Расчет оптимального диаметра провода сводиться к определению вспомогательного коэффициента:

(3.7)

(3.8)

где N - число витков;

К - коэффициент для расчета сопротивления катушки;

D - диаметр катушки, см;

z'=217

=0.32

При 0,3<<2000 zопт находиться по формуле:

(3.9)

zопт=3.21

Оптимальный диаметр провода будет равен:

dопт=zопт/z'=0,026 см = 0,26 мм.

Это значение совпадает со стандартным рядом диаметров. Предполагая использование обмоточного провода ПЭЛ, принимаем диаметр по изоляции d0=0,26 мм.

Коэффициент неплотности при этом равен 1,25.

Определяем фактическую длину намотки:

l=d0(N-1),(3.10)

где d0 - диаметр провода по изоляции, мм;

N - число витков.

l =6,825 мм.

Потери катушки:

Активное сопротивление катушки складывается из сопротивления провода току высокой частоты, сопротивления, вносимого диэлектрическими потерями в каркасе, сопротивления, вносимого собственной емкостью, и сопротивлений, вносимых потерями в экранах, сердечниках и т. п. Значение того или иного слагаемого определяется частотой. На длинных волнах сопротивление катушки в основном определяется активным сопротивлением провода току высокой частоты; на коротких волнах значительное влияние могут оказывать диэлектрические потери. Рассмотрим определение слагаемых полного активного сопротивления катушки.

r = rf + rэ+rc,(3.11)

где rf - сопротивление катушки току высокой частоты, Ом;

rэ - сопротивление, вносимое экраном, Ом;

rc - сопротивление, вносимое сердечником, Ом;

Сопротивление катушки току высокой частоты определяется по формуле:

,(3.12)

где rf - сопротивление провода катушки току высокой частоты при частоте f;

d -- диаметр провода без изоляции, см;

D -- диаметр однослойной катушки или наружный диаметр многослойной катушки, см;

Такие параметры как сопротивление вносимое экраном и сопротивление вносимое сердечником очень малы из-за небольших габаритов катушки, следовательно ими можно пренебречь.

Таким образом сопротивление катушки r = 1,275 Ом.

Расчетную добротность катушки можно найти по формуле:

Q = wL/r,(3.13)

где w=2f - циклическая частота, рад/с;

L - индуктивность катушки, учитывающая влияние сердечника и экрана, Гн;

r - полное сопротивление катушки, Ом.

Численное значение добротности будет равно Q=59.5

Температурная стабильность катушки:

Рассмотрим температурную стабильность индуктивности катушки. Общий ТКL определяется совместным действием нескольких факторов:

L = Г + В + Со + э + С(3.14)

где Г - геометрическая составляющая ТКL;

В - составляющая, вызванная действием тока высокой частоты;

Со - составляющая, вызванная изменением собственной есмкости;

э - составляющая, вызванная влиянием экрана;

С - составляющая, вызванная влиянием сердечника.

Формула для нахождения геометрической составляющей имеет вид:

(3.15)

где D - ТКЛР диаметра (материала провода), град-1;

l - ТКЛР длины (материала каркаса), град-1;

k - коэффициент, зависящий от отношения l/D, k = 0,4.

Г = 22,2*10-6 град-1

Величину В можно оценить воспользовавшись формулой:

(3.16)

где - коэффициент, равный для катушек с круглым проводом 2000;

Q - расчетная добротность катушки.

Подставляем значения и получаем:

В = 2000/59,5 = 33,6*10-6 град-1.

Емкостная составляющая будет равна:

Со = (эк + D)*(3D3/(Dc3 - D3)),(3.18)

где эк - ТКЛР материала экрана, град-1;

- коэффициент, зависящий от отношения l/D катушки, = 1,2 [1];

Dэ - диаметр экрана, мм;

D - диаметр каркаса, мм;

D - ТКЛР диаметра, град-1.

С = -45,9*10-6 град-1.

Составляющая ТКL, учитывающая влияние экрана:

э = (серд + D)*(3D3/(Dс3 - D3)),(3.19)

где серд - ТКЛР материала экрана, град-1;

- коэффициент, зависящий от отношения l/D катушки, = 1,1 [1];

Dс - диаметр экрана, мм;

D - диаметр каркаса, мм;

D - ТКЛР диаметра, град-1.

э = 3,17*10-6 град-1.

И общий ТКL будет равен:

L = 13,07*10-6 град-1.

Определение собственной емкости катушки

Собственную емкость определяем по формуле:

(3.20)

k = 0.5; k1 ? 1

Для данной катушки С0 ? 0,25 пФ

Предполагая намотку на гладкий каркас из пластмассы, у которой е=7 и tg д =1,5*10-2,

(3.21)

пФ

4. Описание конструкций по сборочному чертежу

Проектируемый колебательный контур усилителя промежуточной частоты состоит из одной сборочной единицы, трёх деталей и одного стандартного изделия.

Каркас (поз. 1). Выполняется из пластмассы ВХ1-090-34

5. Паспорт

Колебательный контур предназначенный для работы в УПЧЗ приемника:

Технические характеристики:

Рабочая частота контура, МГц33

Индуктивность катушки, мкГн2,3

Предельные отклонения индуктивности при настройке 5%

Добротность контура, не хуже60

Диапазон рабочих температур, С+20..+85

Собственная емкость контура, пФ0,49

Срок эксплуатации не менее, мес24

Контур необходимо хранить в сухом месте при температуре не ниже +15С и не выше +85С. Важным условием хранения также является отсутствие агрессивных сред во избежании коррозии тех или иных элементов конструкции.

Выводы

В ходе выполнения данного курсового проекта ознакомился с методикой расчета колебательного контура усилителя промежуточной частоты. Усвоили принцип расчета на примере данного колебательного контура.

В спроектированном колебательном контуре существует ряд недостатков. Данный колебательный контур имеет слабую температурную устойчивость, но это можно устранить, сделав вентиляционные отверстия в экране, однако это повлечет за собой снижение герметичности и стабильности электрических параметров катушки индуктивности.

Сердечник катушки индуктивности, выполненный из карбонильного железа, обладает высокой стоимостью, но имеет стабильные параметры в используемом диапазоне частот спроектированного колебательного контура. Для снижения стоимости катушки можно использовать медный или латунный сердечник.

Используемый для намотки провод обладает изоляцией, не устойчивой к механическим воздействиям.

Материал, выбранный для каркаса обладает высокой диэлектрической проницаемостью, что снижает добротность, но у этой пластмассы малый тангенс угла диэлектрических потерь на высоких частотах.

Обеспечение широкой полосы пропускания, которая составляет единицы мегагерц, исключает применение в УПЧ колебательных контуров высокой добротности, но желательно, чтобы она достигала порядка ста.

В общем конструкция спроектированного колебательного контура усилителя промежуточной частоты отвечает требованиям технического задания и может быть отдана на производство.

Список используемой литературы

1. Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. М., 2007, 544 с.

2. Свитенко В.Н. Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов. М., 2007, 207 с.

3. Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. М., 2006, 336 с.

4. Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования /под ред. Варламова А.П. - М.,1980, 341 с.

5. Трещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. К., «Наукова думка», 1988, 800 с.

6. Симонов Ю.Л. Усилители промежуточной частоты. М., «Советское радио», 1973, 384 с.