Сигнальный трансформатор в составе усилителя корабельного переговорного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Введение

В данном курсовом проекте поставлена задача по конструкторской разработке сигнального трансформатора в составе усилителя корабельного переговорного устройства.

Сигнальный трансформатор предназначен для преобразования аналоговых сигналов с частотно - фазовыми и нелинейными искажениями, что не превышают заданные значения. Основные назначения сигнального трансформатора: согласование сопротивлений нагрузки с источником, их гальваническое разделение, симметрирование, фазоинверсия. По месту расположения сигнальный трансформатор разделяют на входные, межкаскадные и выходные. Диапазон мощностей довольно широкий: от микроватт у входного трансформатора до десятков и сотен ватт у мощных выходных трансформаторах.

Для решения поставленной задачи необходимо выбрать схему усилительного устройства, режим работы сигнального трансформатора, произвести расчет электрических и конструктивных параметров, выполнить графическую документацию.

Курсовой проект разработан на основании технического задания (ТЗ), выданного кафедрой «КиВРА» по дисциплине «Элементная база РЭА».

2. Анализ технического задания

Поскольку данный сигнальный трансформатор находится в составе усилителя корабельного переговорного устройства, то он должен обладать малыми габаритами и находиться во влагостойком корпусе. Трансформатор выпускается в серийном производстве и,следовательно, должен иметь достаточно технологическую конструкцию. Из выходной мощности (10 Вт) определяем, что трансформатор является выходным. Трансформатор нагружен на активную нагрузку.

Форма магнитопровода определяет форму трансформатора. Используют броневые, стержневые и тороидальные магнитопроводы, составленные из пластин или лент. Последние обеспечивают лучшие свойства магнитопровода и более простые в изготовлении. Броневы трансформаторы с одной многообмоточной катушкой, размещенной на центральном стержне, более дешевые и простые. Стержневые трансформаторы с двумя катушками, каждую из которых размещяют на своем стержне, обеспечивают малое поле рассеивания, а также лучшее охлаждение катушек, благодаря чему эти трансформаторы используют при повышенных мощностях. Еще лучшие магнитные свойства тороидальный (неразделенный) трансформатор, но, через трудности при наматывании провода, в массовых РЭА его не используют.

В теории сигнальных трансформаторов рассматривают два режима работы: А и В. В режиме А возникают существенные нелинейные искажения. Более широко используют режим В. Трансформаторы в режиме В используют в двухтактных каскадах усиления.

3. Обоснования выбора конструкции и материалов

3.1 Выбор схемы транзисторного усилителя и режима работы трансформатора

В транзисторных усилителях звуковой частоты оконечный каскад обычно является каскадом мощного усиления с трансформаторным выходом. Каскад мощного усиления должен отдавать в нагрузку заданную мощность сигнала при наименьшем потреблении мощности от источников питания и допустимом уровне нелинейных и частотных искажений. Прежде всего надо решить, будет ли каскад однотактным или двухтактным. Двухтактный каскад отдает вдвое большую мощность, чем однотактный, имеет меньший коэффициент гармоник, выходной трансформатор без постоянного подмагничивания, но требует двух транзисторов, выходной трансформатор с удвоенным числом витков первичной обмотки и средней точкой. Кроме того, двухтактная схема позволяет использовать экономичный режим В, что сильно уменьшает необходимую мощность источника питания усилителя. Учтя выше сказанное выбираем двухтактный каскад в режиме В. Способ включения транзистора выбираем с общей базой, т. к. при включении с общей базой транзистор дает небольшие нелинейные искажения и свойства каскада мало меняются при изменении температуры и замене транзистора, поэтому в двухтактной схеме транзисторы подбирать по необязательно.

3.2 Выбор конструкции и материала магнитопровода

Вопрос, связанный с выбором магнитопровода, сводится в основном к решению следующих трех задач:

выбор типа конструкции магнитопровода;

выбор материала магнитопровода;

выбор типоразмера магнитопровода;

При решении первой задачи исходят из требований, предъявляемых к конкретному трансформатору и определяемых условиями его работы, объемом выпуска и технологическими возможностями производства.

В данном случае самая оптимальная конструкция магнитопровода - броневая. Параметры тороидального магнитопровода лучше, но, из-за низкого показателя технологичности, его применение в серийном производстве затруднено. В сердечнике броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмотки и создает частичную механическую защиту обмотки. Некоторым их недостатком является повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты. Это делает нецелесообразным их применение для входных трансформаторов с малым уровнем помех.

Для трансформаторов средней и большой мощности (выше нескольких ватт) во всех случаях наименьшие размеры, вес и стоимость обычно имеют место при использовании для сердечника холоднокатаной стали марок Э310 - Э330. В нашем случае, при мощности 10 ватт, выбираем электротехническую сталь Э310. Выбираем сердечник ленточного типа, т. к. его достоинством является полное использование текстурованных магнитных материалов, простота изготовления, допускающая автоматизацию производства и отсутствия отходов. Эти особенности уменьшают массу, размеры и стоимость трансформатора. Толщину ленты магнитного материала для низкочастотных трансформаторов следует выбирать по низшей граничной частоте. В данном случае, при fn = 60 Гц, оптимальная толщина ленты 0,35 мм.

4. Расчет электрических параметров

4.1 Электрические параметры, найденные по характеристикам транзистора

Мощность сигнала P, которую должен отдать транзистор в двухтактной схеме в режиме В, определяется по формуле:

[1, 2,1. ] (1)

где, Pn - выходная мощность трансформатора, - КПД трансформатора.

Выберем = 0,85. [1, табл. 2,3. ]

Подставим в формулу 1 числа:

P = 11.77 Ом.

Применим в каскаде транзисторы типа 2Т827В, имеющие: максимальную мощность рассеивания Pmax = 125 Вт, Ukb dop = 60 В, диапазон частот 1 - 5000 Гц.

Максимальная амплитуда сигнала на входе трансформатора вычисляется по формуле:

[1, стр. 86]

где, Ukb dop - максимальное допустимое напряжение между выходными электродами для выбранного способа включения ( в данном случае с общей базой), взятого из справочных данных.

Подставив числа, получим: Um = 24 В.

Найдем сопротивление коллекторной нагрузки по формуле:

 [1, 3.25]

Поскольку сопротивление коллекторной нагрузки является выходным сопротивлением каскада, то Rk = Ri.

Подставив числа, получим:

Rk = 24.48 Ом.

4.2 Вычисление коэффициента трансформации

Коэффициент трансформации определяется по формуле:

[2, стр. 40]

Подставив числа, получим:

n = 5.37

4.3 Расчет сопротивлений обмоток трансформатора

Для трансформаторов работающих в классе «В», сопротивление вторичной и половины первичной обмоток определяют из формул:

[2, стр. 40] (2 … 4)

где, Rnp - приведенный параметр.

Определяем эквивалентное сопротивление источника сигнала в области нижних частот:

 [2, стр. 40] (5, 6)

где, r2p - приведенный параметр.

Подставив числа в формулы 2 - 6, получим:

r1 n = 2.152 Ом.

r2 = 1,52 Ом.

Ren = 11,698 Ом.

4.4 Расчет индуктивности половины первичной обмотки и максимально допустимой индуктивности рассеивания

Индуктивность половины первичной обмотки L1n и максимально допустимая индуктивность рассеивания Ls, определяются по формулам:

[2, 10.1], [ 2, 10.2] (7)

где, Mn, Mv - коэффициенты частотных искажений в области нижних и верхних частот; fn, fv - нижняя и верхняя частоты диапазона.

Подставив числа, получим:

L1 n = 0.068 Гн.

Ls = 6.928 10-4 Гн.

5. Расчет конструкции сигнального трансформатора

Для расчета геометрических размеров магнитопровода определяют требуемую постоянную времени с сердечника. Для трансформаторов класса «В» с определяется по формуле:

[2, стр. 41]

Постоянная времени сердечника зависит от магнитной проницаемости материала, которая является функцией индукции от частоты. Поэтому размеры сердечника характеризуются конструктивной постоянной, не зависящей от материала:

[2, 10.3] (8)

Так как в нашем случае расчет производится без зазора и без подмагничивания, в выражение 8 подставляют начальную магнитную проницаемость = 5000 [3, рис. 8 - 4 ].

Определяем конструктивную постоянную:

А = 2.146 10-5

По данной постоянной из таблицы броневых ленточных магнитопроводов выбираем сердечник ШЛ 1625. [ 4, Приложение, табл. П - 3] (данному значению конструктивной постоянной наиболее соответствует сердечник ШЛ 1016, но при расчете пункта 7( расчет размещения обмоток) оказалось, что данный магнитопровод нас не удовлетворяет. Наиболее нам подходит сердечник типа ШЛ 1625 ).



Типоразмер сердечника	Номиналы, мм	Справочные величины
	a	b	c	h	Sc, см2	Lср, см	Sok, см2	Lм, см	kм	A105 сек	Gc,г
ШЛ1625	16	25	16	40	3,60	13,6	6,4	14,6	0,2	8,3	375

Выбранный магнитопровод должен обеспечивать нелинейные искажения не выше заданных. Коэффициент нелинейных искажений при повышении индукции в сердечнике трансформатора возрастает, поэтому, в зависимости от мощности трансформатора, выбираем предельное значение индукции:

Bm = 0,6 Тл. [2, табл. 10,2]

6. Расчет числа витков и сечения провода

6.1 Определение числа витков

Число витков в сигнальных трансформаторах определяют из условия обеспечения требуемой индуктивности первичной обмотки и допустимой индукции в сердечнике. При этом условии в трансформаторе обеспечивается заданный уровень частотных и нелинейных искажений. Для обеспечения индуктивности половины первичной обмотки число витков трансформатора класса «В» рассчитывают по формуле:

[2, 10.4] (9)

где, Lcp - средняя длинна магнитной силовой линии сердечника; Sc - площадь поперечного сечения магнитного материала сердечника.

При проектировании трансформатора необходимо определить число витков из условия обеспечения требуемого значения максимальной индукции Bm. Для трансформаторов, работающих в классе «В», число витков половины первичной обмотки по этому критерию определяют по формуле:

[2, 10.6] (10)

По формуле 9 число витков равно N1 n = 63.806.

По формуле 10 число витков равно N1 n = 268.824.

Из двух найденных значений выбираем большее (N1 n = 269), пользуясь формулой 9 определим индуктивность половины первичной обмотки:

 Гн.

Расчет нелинейных искажений будет произведен в пункте 8.

Количество витков вторичной обмотки находим, пользуясь коэффициентом трансформации:

6.2 Определение диаметра провода

Диаметр проводов рассчитывают по известному сопротивлению обмоток. С учетом значения удельного сопротивления меди диаметр провода определяют по формуле:

[3, 8 - 22]

Подставив значения, получим:

d1 = 0.064 мм.

d2 = 0.25 мм.

7. Расчет размещения обмоток трансформатора

Расчет размещения обмоток производят с целью выяснения возможности расположения обмоток в окне магнитопровода.

Для расчета размещения обмоток в окне магнитопровода необходимо определить толщину, выбрать тип изоляции, а также рассчитать изоляционные расстояния, толщину каркаса, расстояние между слоями обмотки, расстояние между обмотками.

Толщины стенок каркаса и изоляционных промежутков выбираются по соображениям электрической прочности в зависимости от испытательного напряжения.

При напряжениях питания до 250 В испытательное напряжение определяется по табл. [3, 8-3]. По испытательному напряжению определяем рекомендуемую толщину каркаса из табл. [3, 8-2]. Выбираем толщину каркаса равную к = 1,5 10-3 м.

После выбора толщины каркаса находим осевую длину намотки Lн = h - 2к где h - высота окна магнитопровода.

Получаем Lн = 0.037 м.

Далее определяем число витков в слоях по формуле

Nsl i = Lн/i diz i,

где diz i - толщина провода с изоляцией diz1 = 0,095 10-3, diz2 =0,29 10-3, а i - коєффициент неплотности намотки табл. [3, 4-4], 1 =1,3, 2 =1,25.

Получаем

Nsl 1=300 Nsl 2 =103.

При известном числе витков в слое определяем количество слоев обмотки по формуле

Mi = Ni / Nsl i,

получаем M1 =2 M2 =29.

Выбрав междуслоевую изоляцию с =0.022 мм ( межслоевая изоляция для проводов диаметром от 0.25 до 0.3 мм выполняется из конденсаторной бумаги БКЛ марок КОН - 1, КОН - 2 (ГОСТ 1908-66) толщиной 0.022 мм [3, с. 534] ) расчитываем толщину обмоток по формуле

Аi = kb Mi diz i + (Mi - 1) с,

где kb -коєф. выпучивания обмоток (kb =1.2 при толстом проводе kb =1.4 при тонком проводе).

Получаем А1 = 2.562 10-4 м, А2 = 0.01 м.

Вычисляем суммарную толщину обмоток по формуле

А = А1 + А2 + об,

где об - толщина межобмоточной изоляции об =0.2 мм (межобмоточной изоляция выполняется из нескольких слоев кабельной бумаги К -120 (ГОСТ 645-67) [3, c.534] )

Получаем А = 0.011 м.

Определяем зазор между катушкой и сердечником:

з = с - А = 0.51 мм.

- данное значение показывает, что обмотки удовлетворительно размещаются в окне магнитопровода.

8. Расчет коэффициента нелинейных искажений

Нелинейные искажения, вносимые трансформатором, определяются интенсивностью гармоник тока намагничивания. Они зависят от режима работы трансформатора, материала сердечника, частоты и некоторых электрических параметров.

В трансформаторах работающих без подмагничивания, магнитный поток меняется за период симметрично; при этом возникают лишь нечетные гармоники. Наибольшие нелинейные искажения возникают в трансформаторах на самой нижней частоте при наибольшем значении напряжения, подведенного к трансформатору. Для расчета коэффициента нелинейных искажений определяют максимальное значение индукции в магнитопроводе на минимальной частоте при максимальном уровне сигнала, а затем по графикам находят коэффициенты тока намагничивания an, и рассчитывают частные коэффициенты гармоник:

Полный коэффициент гармоник трансформатора ( для класса «В» ) определяется формулой:

При расчете коэффициента нелинейных искажений обычно ограничиваются пятой гармоникой.

Коэффициенты тока намагничивания a3 и a5 находим по графикам из [3, Рис. 8 - 4.]

a3 = 0.225

a5 = 0.025

Рассчитываем частные коэффициенты гармоник:

k3 = 5.809 10-3.

k5 = 6.454 10-4.

Рассчитываем полный коэффициент гармоник:

Kf = 5.844 10-3.

В процентах:

Kf = 0,58 %.

Данное значение удовлетворяет техническому заданию (Kf 1 %).

9. Расчет индуктивности рассеяния

Заключительный этап проектирования трансформаторов низкой частоты - расчет индуктивности рассеивания. Фактическукю индуктивность рассеивания трансформатора Ls f определяют по конструктивным данным обмоток и состовляют ее с индуктивностью рассеивания Ls, определенной по формуле 7. Для обеспечения Mv Mv dop необходимо выполнить условие Ls f Ls.

Индуктивность рассеяния трансформатора по данным конструктивного расчета можно найти, используя выражение

[1, 7.19]

где k - числовой коэффициент, равный 0.2 при расположении одной обмотки внутри другой. u - толщина межобмоточной изоляции, u = 0.2 10-3 м, из табл. [3, 8-2], h1, h2 - высота первичной и вторичной обмоток,

h1 = h2 = Lн = 0.037 м.

Подставив значения, получим Ls f = 3.226 10-4 Гн.

Поскольку Ls = 6.928 10-4 Гн, расчитанное по формуле 7 больше Ls f, то расчеты были произведены правильно.

Заключение

сигнальный трансформатор корабельное переговорное устройство

В данном курсовом проекте был спроектирован низкочастотный трансформатор в составе оконечного каскада мощного усиления в корабельном переговорном устройстве. Данный трансформатор отвечает всем требованиям технического задания.

После сборки трансформатор покрывают лаком, при этом выводы катушки от покрытия предохраняют. Покрытие лаком осуществляется для защиты трансформатора от внешних климатических условий, что особенно важно в корабельный устройствах при повышенной влажности.

Конструкция трансформатора способна противостоять механическим и климатическим воздействиям в условиях тропического климата, сохранять его работоспособность при повышенной влажности и при всех температурных воздействиях обеспечивает необходимый запас электрической прочности.

Условия эксплуатации трансформатора следующие:

Температура окружающей среды, оС от -60 до +125

Относительная влажность воздуха при +40 оС,% до 98

Атмосферное давление, мм рт. ст. до 5

Вибрации в диапазоне 1…2500 Гц, g до 30

Одиночные удары длительностью 0,2…1 мс и ускорением, g до 1000

Многократные удары длительностью 1…3 мс и ускорением, g до 150

Линейные нагрузки с ускорением, g до 150

Срок службы, тыс. ч. не менее 10

Список использованной литературы.

Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Энергия, 1977.

Коваль А.В., Нелин Е.А. Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Электрорадиоэлементы и устройства функциональной электроники» для студентов специальности «Конструирование и производство радиоаппаратуры» всех форм обучения. - Киев: КПИ, 1987.

Русин Ю.С. Трансформаторы звуковой и ультразвуковой частоты. - Л.: Энергия, 1973.

Цыкина А.В. Проектирование транзисторных усилителей. - М.: Связьиздат,1965.

Размещено на Allbest.ru