Разработка генератора
Разработка структурной схемы генератора, выбор варианта построения выходного усилителя мощности и широтно-импульсного модулятора. Особенности нагрузки генератора и схема соглаcования. Расчет основных параметров генератора колебаний треугольной формы.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 23.05.2018 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
генератор модулятор усилитель импульсный
Объектом разработки в данном проекте является генератор для гидролокационной станции, работающий в условиях ограниченных энергоресурсов.
В самом начале XX в. человечество создало принципиально новый, активный способ локации; при котором невидимую прежде цель облучают потоком электромагнитной или ультразвуковой энергии и обнаруживают с помощью той же энергии, но уже отраженной от цели. Гидролокационные станции (приборы активной локации) пришли на смену приборам пассивного обнаружения и в настоящее время получили широкое распространение при решении народно-хозяйственных, военных и космических проблем.
Области применения в технике радио и акустической локации различны, ибо различны степень ослабления применяемых видов колебаний при распространении в неоднородных средах и скорость распространения электромагнитных и звуковых волн. Известно, что радиоволны в водной среде очень быстро затухают, тогда как звуковые волны распространяются на большие расстояния и наоборот, в воздухе звуковые колебания ослабляются во много раз сильнее, чем электромагнитные. Для обнаружения объекта в атмосфере и за ее пределами применяют радиолокаторы, так как скорость распространения радиоволн 300000 км/с, а скорость распространения звука в воздухе - лишь 340 м/с. Акустическая локация воздушных и особенно космических целей часто невозможна, ибо их собственная скорость может во много раз превосходить скорость звука. Акустическая локация или гидролокация стала основным средством обнаружения подводных объектов (скорость распространения звука в воде - 1550 м/с).
В судовых гидроакустических приборах (системах активной гидролокации) используют главные свойства акустических волн распространение в водной среде с определенной скоростью и отражение от подводных объектов, акустические характеристики которых в значительной степени отличаются от характеристик среды. Другими словами, в гидроакустических приборах используют метод эхолокации.
Этот метод позволяет решать основные задачи промысла и навигации обнаруживать в море косяки рыб, другие промысловые скопления, определять расстояние до интересующего объекта промысла, измерять глубину под килем судна.
Принцип действия гидроакустических приборов. Приборы и комплексы, использующие акустические волны для решения промысловых и некоторых навигационных задач, называют гидроакустическими. С их помощью решают следующие задачи: обнаружение объектов промысла, главным из которых являются рыбы; установление координат обнаруженных промысловых скоплений-расстояний, направлений, глубин расположения, протяженностей и др.; приближенное определение видового состава и размеров рыб; наполнение орудий лова рыбой; оценку сырьевых ресурсов Мирового океана; определение скоростей перемещения косяков рыб, течений, скорости судна; измерение глубины моря; определение структуры и рельефа морского дна и др.
Для реализации данных задач в состав гидроакустических приборов входят четыре основных элемента - передатчик, приемник, преобразователь и устройство отображения результатов поиска.
Преобразователь (приемник-излучатель) является важнейшим элементом эхолота, во многом определяющим его характеристики. Он преобразует энергию электрических высокочастотных импульсов в ультразвуковые колебания и, в то же время, производит обратное преобразование отраженных ультразвуковых сигналов в электрические сигналы.
По способу преобразования электрической энергии в звуковую существуют несколько видов преобразователей электромагнитные, магнитострикционные и пьезоэлектрические. На малых судах в силу их малых размеров прижились только последние. Основным элементом пьезоэлектрического преобразователя является кристалл титаната бария (встречаются кристаллы и из других материалов) цилиндрической формы с нанесенными на его поверхности металлическими покрытиями. Такой кристалл помещается в металлический или пластиковый корпус и заливается хорошо проводящим звук компаундом.
Под воздействием приложенного к рабочим поверхностям кристалла переменного электрического поля в нем возникают упругие колебания, в результате чего кристалл начинает сокращаться и расширяться, вызывая возникновение ультразвуковых волн в воде. Отраженные от дна или каких либо других подводных объектов волны, воздействуя на кристалл, вызывают появление на его рабочих поверхностях переменного напряжения, поступающего на приемник эхолота.
Диаграмма направленности имеет многолепестковую структуру главный лепесток, излучающий основную часть энергии, и ряд боковых лепестков. Ширину диаграммы направленности как электрических, так и акустических антенн, принято определять по половинному уровню мощности излучения. Этот угол при одинаковых размерах кристалла зависит от частоты чем выше частота, тем уже диаграмма направленности. Излучаемые преобразователем звуковые сигналы распространяются в воде со скоростью около 1500 м/сек. и отражаются от дна, рыб, водорослей, камней и пр. предметов. Достигшие до преобразователя эхо-сигналы возбуждают в нем электрические импульсы, которые затем усиливаются в приемнике, выделяются из шумов и поступают в процессор, где осуществляется преобразование результатов зондирования в удобную для восприятия графическую или алфавитно-цифровую форму для отображения на экране прибора.
Одним из важнейших направлений совершенствования современной аппаратуры является повышение ее технических показателей. В полной мере это относиться к мощным усилительным устройствам гидроакустики.
Одним из наиболее радикальных методов повышения энергетической эффективности в настоящее время является использования ключевых режимов активного элемента. При этом транзисторы (тиристоры, электронные лампы) в открытом состоянии работают с минимальными остаточными напряжениями и соответственно минимальными потерями, что открывает возможность приближения к теоретически предельному коэффициенту полезного действия (КПД). А для переносной транзисторной аппаратуры повышение КПД имеет особо важное значение. Чем выше КПД, тем меньше расход энергии батареи при одной и той же выходной мощности. А это, в свою очередь, означает, что чем выше КПД, тем реже нужно будет менять эту батарею или тем меньше может быть батарея при неизменном сроке службы.
На практике чтобы увеличить выходную мощность усилителя при низком напряжении питания включают его по мостовой схеме. Два одинаковых каскада или усилителя включаются в противофазе и работают на общую нагрузку. Нагрузка подключается непосредственно к мостовой схеме без использования разделительных конденсаторов. Выходное напряжение на нагрузке оказывается вдвое больше, поэтому при одном и том же напряжении питания и одинаковой нагрузке, выходная мощность усилителя по мостовой схеме теоретически оказывается в 4 раза больше, чем у отдельно Взятого усилителя. По такой схеме выполнены усилители мощности современных головных аппаратов.
Основной целью настоящей разработки является поиск решения проблемы оптимизации энергетических показателей гидроакустических приборов при жестких ограничениях на потребление от источника питания.
1. Разработка структурной схемы генератора
По техническому заданию нужно разработать генератор с выходной мощностью 800 Вт.
Нагрузкой является пьезокерамический излучатель. Питание всей системы осуществляется с помощью аккумуляторных батарей 12 и 80 В.
Структурная схема генератора с одноканальным выходом представлена на рисунке 1.
Она содержит:
- генератор тактовой частоты (ГТЧ), величина которой выбирается из условия 15fв>f т>5fв, позволяющего обеспечить ее эффективное подавление на выходе усилителя мощности;
- широтно-импульсный модулятор (ШИМ), обеспечивающий преобразование информационного сигнала в последовательность прямоугольных импульсов модулированных по длительности;
- предварительный и выходной усилители мощности (предварительный импульсный усилитель выполнен на ПТ, выходной усилитель представляет собой 3 модуля, в каждом из которых 4 БТ включаются по мостовой схеме);
- согласующее устройство, обеспечивающее активную нагрузку усилителя мощности в заданном диапазоне частот;
- нагрузку, представляющую собой пьезоэлектрический излучатель;
- источники питания, напряжения которых согласно техническому заданию составляет 12 и 80В;
В схеме формирования сигнала с ШИМ и для усилителя мощности, целесообразно использовать аналоговые микросхемы - операционные усилители (например, К544УД2). Для развязки микроэлектронной части схемы от мощной ступени, целесообразно, использовать полевые транзисторы в предварительном усилителе. Необходимую мощность на выходе можно обеспечить с помощью составных транзисторов типа КТ827.
Рисунок 1. Структурная схема генератора
2. Анализ вариантов и выбор схемы широтно-импульсного модулятора
ШИМ используется для обеспечения ключевого режима мощных каскадов усилителя. Работа усилителя в режиме класса «Д» является средством повышения КПД при усилении мощности колебаний. Режим класса «Д» достигается путем преобразования сигнала низкой частоты Uh.ч. с произвольно меняющимся уровнем в импульсы прямоугольной формы Ub.ч., ширина которых изменяется в соответствии с мгновенным значением усиливаемого сигнала.
Для усиления таких импульсов используется ключевой режим, при котором обеспечивается максимальный электронный КПД активного прибора (транзистора, тиристора, электронной лампы и т.д.). Поскольку при отсутствии импульса активный элемент заперт и потери в нем отсутствуют, а в открытом состоянии он пропускает максимально возможный для заданной нагрузки ток при минимальном остаточном напряжении, т.е. с предельно малыми потерями в приборе.
Существует несколько родов ШИМ, но с точки зрения реализации наиболее простой является ШИМ первого рода, которая при использовании симметричного пилообразного напряжения высокой частоты обеспечивает относительно малые нелинейные искажения. ШИМ первого рода осуществляется путем сравнения высокочастотных импульсов треугольной (пилообразной) формы с усиливаемым низкочастотным сигналом. В момент, когда пилообразное напряжение U становится больше сигнала низкой частоты Uh.ч., смещенного, если это необходимо, на постоянное значение, срабатывает пороговое устройство, на выходе которого возникает положительный скачок напряжения. И наоборот, когда пилообразное напряжение становится U меньше Uh.ч. возникает отрицательный скачок.
В целом на выходе порогового устройства возникают импульсы прямоугольной формы, длительность которых определяется разностью моментов, когда U и Uh.ч. равны между собой.
Для реализации ШИМ модуляции рисунок 2, в котором напряжение Ubx.=Uh.ч. и U суммируется в сумматоре и подаются на один и тот же вход порогового устройства, имеющего фиксированный порог срабатывания, на выходе порогового устройства получим прямоугольные импульсы Uвых. длительность которых пропорциональна усиливаемому сигналу низкой частоты.
Рисунок 2. Структурная схема ШИМ с фиксированным порогом срабатывания
Диапазон рабочих частот эхолокатора составляет то 2,4 до 3,6 кГц. Тактовая частота генератора (fт) выбирается из условия
(2.1)
При fт = 3fв - велика вероятность комбинационных искажений, т.к. трудно реализовать фильтр для подавления тактовой частоты и продуктов ее модуляции.
Если же fт «3fв, то начинают расти коммутативные потери в ключевом усилителе мощности. Поэтому обычно берут:
Т.е. в нашем случае в интервале 10,8-54 кГц. Выбираем 35 кГц
3. Выбор варианта построения выходного усилителя мощности
При построении выходного усилителя мощности следует выбрать один из наиболее лучших вариантов схем.
Энергетические соотношения в усилителе можно существенно улучшить, использовать мостовую схему рисунок 3.В этом случае амплитуда напряжения звуковой частоты на входе трансформатора Ubx. =Епит.=80В. В мостовой схеме последовательно с нагрузкой включено два транзистора и их внутренние сопротивления складываются. Достоинством такой схемы являются значительно больший КПД усилителя, соответственно меньшие потери в транзисторах и больше выходная мощность.
Рисунок 3. Мостовая схема согласования усилителя с нагрузкой
Для усилителя мощности используем мостовую схему на транзисторах 2Т827А, работающих в ключевом режиме. В одну диагональ моста включен источник питания, в другую - нагрузочная цепь, содержащая трансформатор, согласующую цепь и излучатель.
Импульсные мостовые и полумостовые схемы обладают существенным недостатком. Они допускают наличие: сквозных токов, кратковременных, но значительных по величине, протекающих через оба последовательно включенных транзистора. Эти импульсы тока, вызывают потери и приводят к отказам преобразователя. Они возникают в момент запирания одного из транзисторов и отпирая другого. Причина возникновения сквозных токов - наличие инерционности при запирании транзистора, находившегося перед этим в насыщенном состоянии. Это объясняется конечным временем рассасывания избыточных неосновных носителей, инжектированных в базу при отпирании транзистора. Существуют различные способы предотвращения этого явления. Все они направлены на обеспечение включения закрытого транзистора только после запирания ранее открытого. Это достигается с помощью фиксированной или автоматической задержки, открывающего сигнала по отношению к закрывающему.
В нерегулируемых преобразователях с трансформаторным управлением наиболее эффективно введение цепей автоматической задержки включения открываемого транзистора. Это выполняется с помощью дополнительных индуктивных элементов (дросселей или трансформаторов).
Для предотвращения сквозных токов в стойке моста можно применять схему с транзисторами одинаковой структуры рисунок 4.
При изменении управляющего напряжения полярность напряжения на обмотках трансформатора не может изменяться, пока насыщенный транзистор не окажется в активной области. Таким образом, осуществляется задержка на время рассасывания неосновных носителей в базе транзисторов, что значительно уменьшает сквозные токи.
Рисунок 4. Схема включения транзисторов одинаковой структуры.
Мостовой усилитель мощности представлен на рисунке 5.В мостовой схеме усилителя источник питания нагрузочная цепь не имеют общей заземленной точки. Поэтому необходима развязка между источником и нагрузкой.
Рисунок 5. Схема мостового усилителя мощности
Варианты с развязкой дросселем по цепям источника и нагрузки не гарантирует полной независимой работы усилителя.
Кроме того, при развязке по цепи питания за счет введения дросселя ухудшаются массогабаритные параметры усилителя. В конечном итоге будем использовать вариант развязки с помощью трансформатора рисунок 6
К числу достоинств рассмотренных схем следует отнести относительную простоту и минимальное количество элементов. С точки зрения надежности усилителя предпочтение должно быть отдано трансформаторной схеме. Единственным препятствием к ее использованию может оказаться только не достаточно высокий КПД. На тактовой частоте до 35кГц, при использовании составного транзистора 2Т827А, реальные значения электронного КПД составляют 95-96%.
Таким образом, исходя из высоких требований к надежности усилителя, предусмотренных техническим заданием, предпочтение следует отдать трансформаторной схеме усилителя, принципиальная схема выходного каскада приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Блок выходного усилителя разрабатываемого генератора
4. Особенности нагрузки генератора и выбор схемы соглаcования
В качестве нагрузки усилителя мощности используется пьезокерамический излучатель. Элементарными пьезокерамическими преобразователями являются цилиндрические и стержневые излучатели.
Цилиндрический излучатель, основанный на использовании прямого поперечного эффекта (пьезоэффекта), представляет собой керамический цилиндр, на внутреннюю и внешнюю стороны которого наносятся электроды. Под влиянием приложенного к электродам переменного напряжения периодически изменяется длина средней окружности цилиндра, что приводит к возникновению его радиальных колебаний. В других типах электроды наносятся на соответствующие грани элементов.
Достоинствами пьезокерамических преобразователей являются: высокая механическая прочность, большая эффективность, возможность изготовления активных элементов любой формы и возбуждения различных видов колебаний, широкий частотный диапазон.
Эквивалентная схема пьезокерамического излучателя в рабочем диапазоне представляет собой последовательный резонансный контур, шунтированный емкостью рисунок 7.
При непосредственной работе на излучатель, из-за резонансных свойств нагрузки равномерность усиления в заданной полосе частот обеспечить довольно трудно. Кроме того, емкостная проводимость параллельной ветви (С1) сравнима с величиной проводимости последовательного контура на резонансной частоте, поэтому необходим согласующий элемент, который бы обеспечивал компенсацию (С1) при одновременном расширении полосы пропускания нагрузки.
Эта задача решается использованием компенсирующей катушки индуктивности, включаемой последовательно с нагрузкой рисунок 7.
Рисунок 7. Эквивалентная схема пъезокерамичесого излучателя
В результате образуется двухконтурная колебательная система, которая при достаточно сильной связи между контурами (за счет общей емкости С1) имеет существенно большую полосу пропускания по сравнению с одиночным контуром.
Другим достоинством схемы с последовательной индуктивностью является высокая степень фильтрации тактовой частоты.
Определим коэффициент передачи компенсированной нагрузочной цепи, полагая, что в состав компенсирующей индуктивности (L1) входит индуктивность рассеяния согласующего трансформатора, а ее добротность определяется резистором (R1).
Выходным напряжением будем считать напряжение на активной составляющей эквивалента нагрузочной цепи (Rh), поскольку она определяет мощность в излучателе.
Коэффициент передачи эквивалентной схемы:
(4.1)
де (4.2)
Введем следующие обозначения:
- резонансная частота последовательного контура эквивалентной схемы излучателя.
- нормированная текущая частота;
; ;
- собственное затухание компенсирующей катушки L1;
- затухание нагрузочного контура.
Тогда, в результате не сложных преобразований, на основании (4.1) получим
(4.3)
Анализ частотных характеристик
С целью определения зависимости частотной характеристики компенсированной нагрузочной цепи от параметров m, k, проведены расчеты на основании формулы (4.3), в предположении, что добротность излучателя(в соответствии с реальными параметрами излучателя в нагруженном состоянии). Результаты расчетов представлены на рисунках 8,9,10, где М[дБ] = f(х). х =F/Fo, Fo=3 кГц.
Рисунок 8. Зависимости частотной характеристики нагрузочной цепи от нормированной величины компенсирующей индуктивности
Рисунок 9. Зависимости частотной характеристики нагрузочной цепи от величины емкости С1
Рисунок 10. Зависимости частотной характеристики нагрузочной цепи от добротности компенсирующей индуктивности
В частности, на рисунке 8 показана зависимость формы частотной характеристики от нормированной величины компенсирующей индуктивности m. Анализируя полученные зависимости, можно сделать следующие выводы:
- наибольшая равномерность в широкой полосе обеспечивается при m= 0.25 (разумеется при заданных параметрах нагрузки:, k=2);
- расширение полосы пропускания возможно за счет уменьшения (L1) при одновременном увеличении неравномерности коэффициента передачи;
- в ограниченной полосе, с целью повышения равномерности, целесообразно увеличение компенсирующей индуктивности.
В конечном итоге, заданной полосе частот fнчfв соответствует н=0,8-1,2, для обеспечения частотной характеристики, в заданной полосе компенсирующая индуктивность выбрана из условия m=0,25.
На рисунке 9 представлены зависимости частотной характеристики от величины емкости (С1), которая может быть увеличена за счет подключения дополнительных внешних конденсаторов. Анализ этих зависимостей показывает, что увеличение емкости (С1) ведет к увеличению коэффициента передачи в области нижних частот, сокращению полосы частот и увеличению неравномерности в полосе пропускания. Заметим, что этот вывод справедлив лишь только для выбранных значений m и . В конечном итоге, для увеличения равномерности частотной характеристики, емкость (С1) выбрана из условия к=2. Подбором оптимального значения m при к>2, равномерность в полосе пропускания можно улучшить, но сокращение полосы пропускания в этом случае неизбежно, так как с увеличением (С1) падает коэффициент связи между контурами.
На основе анализа зависимостей рисунка 10 можно сделать вывод, что равномерность коэффициента передачи в широкой полосе можно увеличить за счет снижения добротности компенсирующей индуктивности.
Однако при этом следует иметь в виду, что КПД согласующего устройства с увеличением резко падает и при ~0,01, энергоресурсов источника питания оказывается недостаточно для получения мощности, предусмотренной техническим заданием. Кроме того, возникает проблема отвода тепла от компенсирующей индуктивности. Для увеличения равномерности частотной характеристики выбираем затухание компенсирующей катушки =0,05.
По оптимизированным параметрам можно определить значение L1
(4.4)
где m=0,25
L2=0,021 Гн.
(4.5)
5. Энергетический расчет выходного усилителя мощности
Из рассмотренных ранее вариантов построения выходных усилителей мощности предпочтение следует отдать мостовой трансформаторной схеме, так как она удовлетворяет всем требованиям, относящимся к надежности усилителя, предусмотренных техническим заданием.
В мостовой трансформаторной схеме используем составные транзисторы 2Т827А, которые позволяют получить реальные значения электронного КПД до 95-96%.
Определим входное сопротивление (Rbx) схемы согласования усилителя с нагрузкой, с помощью программы «PSpice» разработанной в МЕНС. Для этого найдем сопротивление потерь R1 рисунок 11:
(5.1)
где - затухание компенсирующей катушки, 1=0,05 (см. гл 4).
Ом
Данные для расчетов по программе «PSpice» представлены на рисунке 12.
После расчетов на ЭВМ входного сопротивления согласующей цепи, выбираем среднее значение (Rbx) по графику рисунка 13.
Rbx.cp~100Om
Далее производим энергетический расчет выходного усилителя.
Рисунок 11. Эквивалентная схема пъезокерамического излучателя
Рисунок 12. Исходные данные для расчета Rвх
Рисунок 13. Зависимость Rвх от частоты
Амплитуда напряжения звукового сигнала на нагрузке:
(5.2)
отсюда:
(5.3)
Амплитуда звукового сигнала на транзисторах:
(5.4)
где - напряжение источника питания.
- остаточное напряжение на коллекторе одного транзистора.
Зададимся , тогда
Определим коэффициент трансформации в схеме согласования:
(5.5)
где - коэффициент полезного действия трансформатора (он равен 0,98)
Ток в нагрузке:
(5.6)
Максимальный ток коллектора:
(5.7)
По выходной характеристике транзистора 2Т827А (с учетом, что транзисторы парами включены в мост) находим остаточное напряжение на коллекторе транзистора и максимальный ток базы рисунок 14.
Рисунок 14. Выходная характеристика транзистора 2Т827А
Найденное значение остаточного напряжения удовлетворяет выбранному ранее . По входной характеристике находим рисунок 15.
Рисунок 15. Входная характеристика транзистора 2Т827А
Определим коэффициент полезного действия выходной ступени генератора звуковых частот.
Мощность потерь в одном транзисторе складывается из прямых и коммутативных потерь. Прямые потери обусловлены остаточным напряжением :
(5.8)
Коммутативные потери равны:
(5.9)
где - емкость коллекторного перехода (справочная величина, типовое значение которого составляет 350 пФ).
- тактовая частота генератора, ;
Мощность потерь очень мала и ее можно не учитывать.
Коэффициент полезного действия выходной ступени найдем как:
(5.10)
где - общие потери в выходном усилителе;
- мощность на выходе усилителя;
(5.11)
где - мощность потерь в нагрузке;
Тогда
6. Разработка полной принципиальной схемы генератора
Принципиальная схема генератора представлена на рисунке 16.
Генератор тактовой частоты собирается совместно с интегратором на операционных усилителях (ОУ) типа К544УД2. применение интегральных схем типа 544 обеспечило высокое быстродействие схемы, большое входное сопротивление и высокий коэффициент усиления, малое энергопотребление. Микросхемы этой серии хорошо согласуются с полевыми транзисторами предварительного усилителя мощности. Генератор собран по схеме с несимметричным питанием от источника +12В.
Для обеспечения стабильности параметров генератора он питается пониженным стабилизированным напряжением, которое обеспечивается стабилитроном VD1 (Д816А). Схема широтно-импульсного модулятора представляет собой усилитель-ограничитель на операционном усилителе типа К544УД2 и предварительный импульсный усилитель на полевых транзисторах VT1-VT3 (2П901А).
Поскольку питание операционного усилителя выполнено по несимметричной схеме, смещение на входы ОУ задается делителями напряжения R10, R11, R13, R14, причем R14 - переменный резистор, позволяющий установить уровень ограничения и, тем самым регулировать скважность выходного сигнала.
Треугольное напряжение поступает на инвертирующий выход ОУ через резистор R12.
Полевые транзисторы с изолированным затвором, примененные в схеме предварительных усилителей имеют слабую внутреннюю связь между входом и выходом и наилучшим образом выполняют роль буфера между предварительным трактом и силовыми выходными каскадами. Кроме того, высокие входные сопротивления МДП-приборов позволяют легко объединять их по входу и осуществлять их возбуждение от интегральных микросхем с малой нагрузочной способностью. Буферные ключи построены по двухканальной схеме с целью снижения энергопотребления и улучшения качества сигналов управления мощными транзисторами.
В предварительном тракте усиления предусмотрены следующие регулировки. Установка f т обеспечивается резистором R5. Необходимость ее регулировки вызвана тем, что от частоты fт зависит максимум энергетической эффективности преобразователя при выбранных элементах схемы и этот максимум проще всего определить экспериментальным путем. Размах треугольного напряжения на входе ОУ изменяется резисторами R4 и R9. Подстроечным резистором R14 добиваются симметрии исходной скважности в канале управления.
Согласование ШИМ с усилителем мощности и развязка цепей управления мощным усилителем обеспечивается широкополосным трансформатором, выполненным на ферритовом кольце. Так же на широкополосном трансформаторе выполняется согласование усилительных модулей с нагрузкой.
Усилитель мощности представляет собой три модуля, каждый из которых состоит из мостовой схемы на транзисторах - 2Т827А, работающих в ключевом режиме (VT4-VT15).
В одну диагональ моста включается источник питания, в другую - нагрузочная цепь, содержащую трансформатор, согласующую цепь и излучатель. В качестве нагрузки усилителя используется пьезокерамический излучатель, который был ранее рассмотрен подробно.
Рисунок 16. Принципиальная схема генератора
7. Расчет режима предварительного усилителя мощности
Для предварительного усиления мощности сигнала используется предварительный импульсный усилитель на полевых транзисторах (2П901А).
Полевые транзисторы с изолированным затвором, применяемые в схеме предварительного усилителя имеют слабую внутреннюю связь между входом и выходом и наилучшим образом выполняют роль буфера между предварительным трактом и силовыми выходными каскадами. МДП транзисторы отличает бесконечно большое входное сопротивление на постоянном токе; для переменного тока входное сопротивление в схеме с общим истоком чисто емкостное, причем эта емкость практически не зависит от приложенного напряжения.
Характерной особенностью мощных МДП - транзисторов является относительно большое управляющее напряжение на затворе и значительные остаточные напряжения на стоке при номинальных значениях стока (до 10-20В). Относительно высокий КПД удается реализовать лишь при рабочих токах составляющих 10-12% от номинального значения.
Определим максимальный ток через транзисторы:
(7.1)
где - входной ток одного транзистора мостового усилителя.
Тогда сопротивление нагрузки
(7.2)
где - напряжение на базе транзистора мостового усилителя.
Минимальное остаточное напряжение на транзисторе:
(7.3)
где - напряжение источника питания ().
По стоковым характеристикам транзистора 2П901А определяем ток стока рисунок 17. Максимальный ток, который протекает через транзистор
Iс макс =38мА.
Рисунок 17. Стоковые характеристики транзистора 2П901А
Определим мощность, рассеиваемую на транзисторе.
(7.4)
По условию ;
где - допустимая мощность рассеивания (задается в справочных данных, для данного транзистора ).
Минимальное остаточное напряжение на транзисторе VT1:
генератор модулятор усилитель импульсный
(7.5)
Рассчитаем сопротивление R17:
(7.6)
где - максимальное напряжение на затворе транзистора VT2.
Выбираем МЛТ - 0,5-70± 10%
Найдем мощность на двух транзисторах VT2 и VT3
(7.7)
Емкость разделительного конденсатора (С8) определим из условия:
(7.8)
- нижняя частота рабочего диапазона ()
(7.9)
Выбираем величину С8=2 мкФ.
Сопротивление R15 возьмем равным 2 кОм, т.к. оно является минимально допустимым сопротивлением нагрузки операционного усилителя. По ГОСТу выбираем R15 МЛТ - 0,125-2± 10% кОм.
8. Расчет широтно-импульсного модулятора
Емкость разделительного конденсатора (С7) на выходе компаратора определяется из условия:
(8.1)
Отсюда
Выбираем величину С7 = 400нФ.
Найдем величину делителей R13, R14.
(8.2)
где Rвх - входное сопротивление ОУ, выбирается из справочника (Rвх = 1 MОм).
Возьмем R13 = 180 кОм.;
По аналогии определяются сопротивления:
R1 = R2 = R10 = R11 = R13 = 180 кОм;
R14 = 1,5R13; (8.3)
R14~ 1,5180103 = 270103 Ом = 270 кОм;
Сопротивление R12 подбирается при настройке усилителя мощности. Емкость конденсатора (С6) определяется из условия:
(8.4)
Отсюда
(8.5)
Выбираем С6 = 8200 пФ;
Сопротивление R9 найдем из условия
R9~1,5 Rн.доп;
Где
Rн.доп - сопротивление нагрузки операционного усилителя Rн > 2 кОм;
Выбираем СП-2-4,5к± 10%.
9. Расчет генератора колебаний треугольной формы
Емкость разделительного конденсатора (С4) определим из условия:
(9.1)
Отсюда:
Выбираем С4 = 180 нФ;
Частота колебаний определяется элементами R4, R7, C3, а их амплитуда отношением R6/(R3+R5);
Зададимся R4+R7= 0,2 мОм;
Выберем: R4 = 51 кОм СП-2-51к± 10%;
R7 = 150kOm МЛТ - 0,125-150к±10%
Сопротивление R6 найдем из условия:
(9.2)
где - сопротивление нагрузки ОУ ();
Выберем R6=10 kOm МЛТ - 0,125-1 0k ± 10%. Определим емкость (СЗ) из условия:
(9.3)
Отсюда: С3 =300 пФ
Выберем СЗ=300пФ;
Найдем величину делителей (R3+R5) из условия:
(9.4)
где - напряжение на выходе ОУ (расположенного на входе ШИМ);
- максимальное значение напряжение на выходе ОУ (справочная величина ).
На рисунке 18 представлена зависимость Uвых от Uвx ОУ. Необходимое напряжение на входе ШИМ (Uвx) определим через коэффициент усиления ОУ, полагая, что максимальная глубина ШИМ > 99%
(9.5)
где
где Ку.и - коэффициент усиления по напряжению ОУ (справочная величина Ку.и = 20000).
Тогда
(9.6)
Принимаем Uвх = 0,2 В.
(9.7)
Отсюда:
Выберем R3 = 400kOm; МЛТ - 0,125-400к± 10%;
R5 = 51kOm; СП-5-2-51к±10%;
Емкость конденсаторов (С2=С1) найдем из условия:
(9.8)
Отсюда:
Выберем С1=С2= 3900пФ.
Рисунок 18. Зависимость Uвых от Uвх операционного усилителя.
10. Расчет надежности генератора
Расчет параметров надежности разрабатываемого генератора выполнен по методике, предложенной в. Для этого определено количество однотипных элементов, работающих примерно в одинаковых условиях.
Для каждой группы элементов рассчитаны коэффициенты нагрузки. При этом для транзисторов, микросхем и конденсаторов коэффициент нагрузки определен как отношение рабочего напряжения в генераторе к максимально допустимому напряжению, предусмотренному техническими условиями на соответствующий прибор.
Для проводов, разъемов, трансформаторов и дросселей коэффициент нагрузки определен отношением рабочего тока к максимально допустимому току для данного элемента.
Величины интенсивности отказов в номинальных условиях при среднем качестве исполнения для всех элементов генератора определены по справочным данным и сведены в таблицу 10.1. Здесь же приведены интенсивности отказов по группам элементов.
Таблица 10.1. Интенсивность отказов элементов генератора
|
Наименование и тип элементов |
Кол-во элементов |
Интенсивность отказов |
Коэффициент нагрузки |
Полная интенсивность отказов |
|
|
штук |
- |
||||
|
1 Транзистор |
- |
- |
- |
- |
|
|
2Т827А |
12 |
0,74 |
0,3 |
2,664 |
|
|
2П902Б |
3 |
0,5 |
0,4 |
0,6 |
|
|
2 Микросхема К544УД2 |
3 |
0,5 |
0,4 |
0,6 |
|
|
3 Стабилитрон |
1 |
0,2 |
0,1 |
0,02 |
|
|
4 Конденсатор |
- |
- |
- |
- |
|
|
К10-17-1А |
8 |
0,15 |
0,3 |
0,36 |
|
|
К50-31 |
2 |
0,135 |
0,8 |
0,216 |
|
|
5 Резисторы |
- |
- |
- |
- |
|
|
МЛТ-0.125 |
9 |
0,03 |
0,5 |
0,135 |
|
|
МЛТ-0. 5 |
1 |
0,03 |
0,5 |
0,015 |
|
|
СП-5-2 |
4 |
0,186 |
0,5 |
0,372 |
|
|
6 Разъемы (число контактов) |
14 |
0,035 |
1 |
0,49 |
|
|
7 Проводники, соединяющие элементы |
10 |
0,019 |
0,2 |
0,038 |
|
|
8 Провода сильноточных цепей |
3 |
0,019 |
1 |
0,057 |
|
|
9Трансформатор звуковой частоты |
1 |
0,02 |
1 |
0,02 |
|
|
10 Дроссель |
2 |
0,02 |
1 |
0,04 |
|
|
11Согласующий трансформатор |
2 |
0,17 |
0,6 |
0,204 |
|
|
12Соединительная пайка |
95 |
0,01 |
1 |
0,95 |
|
|
Итог: |
- |
- |
- |
6,781 |
Общая интенсивность отказов (л) генератора (без учета излучателей) для нормальных условий работы составила . Надежность генератора существенно зависит от условий эксплуатации. Поэтому в предлагается при расчете интенсивности отказов ввести поправочный коэффициент (а 1) на условия эксплуатации (а 1 = 20 в корабельных условиях).
При недостаточно эффективном теплоотводе, в условиях повышенной температуры рекомендовано ввести дополнительную поправку (а2) на эксплуатационные условия. Для ее определения в пособии имеются соответствующие графики. Анализируя эти графики определяем, что элементам генератора при температуре 70 градусов соответствует поправочный коэффициент а2?1,5ч1,8.
Выбирая максимальное значение а 2=1,8, с учетом условий эксплуатации, получим следующее значение интенсивности отказа генератора в корабельных условиях
Время наработки на отказ для генератора определим следующим образом:
Время наработки на отказ в тяжелых условиях составляет 4097 часов, что более 3000 час. предусмотренных заданием. Заметим так же, что в расчетах надежности не принято во внимание наличие пауз в сигнале и кратковременность активной посылки.
Заключение
В ходе работы над проектом разработан генератор для гидролокационной станции, отвечающий параметрам и требованиям, определенным в задании на проектирование.
Определено и обосновано построение структурной, а на ее основе - схемы электрической принципиальной. В соответствии с современной тенденцией каскады генератора построены по блочно-модульному принципу. Произведен электрический расчет модулей предварительного и оконечного каскадов, выходной колебательной системы. Выбранный режим работы (класс «Д») показал наличие его основного преимущества - высокого коэффициента полезного действия, до 0,88.
Применение в качестве нагрузки модулей промежуточного и оконечного каскадов трансформаторов на длинных линиях. Позволило предельно упростить процесс перестройки генератора в случае перехода с частоты на частоту в пределах заданного диапазона, единственный орган настройки собственно генератора - изменяемая индуктивность в выходной колебательной системе.
Подавление внеполосных излучений, обеспечиваемое выбранной и рассчитанной ВКС, согласно расчетам оказалось выше, чем это определено существующими (действующими) техническими нормативами.
Проведенный расчет надежностных параметров подтвердил одно из основных преимуществ блочно-модульного построения структурной схемы - отказ одного из модулей не приводит к полному выходу генератора и строя, а лишь ухудшает его технические показатели; наработка на отказ (при полном выходе из строя), согласно расчетам составит 4097 часов, что более 3000 час предусмотренных заданием.
Практическая реализация, то есть конструкторская разработка и серийный выпуск спроектированного генератора позволит заменять устаревшее и постепенно выходящее из строя оборудование.
Список использованных источников
1. Сущность эхолокации. URL http://www.zooeco.com/eco-eto/eco-etol-6-27.html
2. Тикунов А.И. Рыбопоисковы приборы и комплексы: Учебник. - Л.: Судостроение, 1989 - 288 с.
3. Гидролокационная станция.URL http://www.randewy.ru/sign2/gas2.html
4. Шахгильдян В.В., Козыреев В.Б., Ляховкин А.А. и др. Радиопередающие устройства: Учебник - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь 1996. - 560 с.
5. Радиопередающие устройства. URLhttp://femto.com.ua/articles/part_2/3259.html
6. Структурные схемы радиопередающих устройств и их основные параметры URL http://vunivere.ru/work53902
7. Михеенко А.М. Проектирование радиопередающих устройств: Методические указания по курсовому и дипломному проектированию / Сиб.гос. ун-т телекоммуникации и информатики. - Ч. 1. - Новосибирск, 2004 - 38 с.
8. Шахгильдян В.В., Власов В.А., Козыреев В.Б. Проектирование радиопередающих устройств. Учеб. пособие для вузов -3-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и связь 1996. - 512 с.
9. Расчет надежности устройства. URL http://mirznanii.com/info/raschet-nadezhnosti-ustroystva_190327.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Выбор схемы генератора импульсов напряжения и общей компоновки конструкции. Расчет разрядного контура генератора, разрядных, фронтовых и демпферных сопротивлений, коммутаторов импульсной испытательной установки. Разработка схемы управления установкой.
курсовая работа [904,3 K], добавлен 29.11.2012Устройство синхронного генератора, экспериментальное подтверждение теоретических сведений о его свойствах. Сбор схемы генератора, пробный пуск и проверка возможности регулирования параметров. Анализ результатов эксперимента, составление отчета.
лабораторная работа [221,2 K], добавлен 23.04.2012Параллельная работа синхронного генератора с сетью, регулирование его активной и реактивной мощности. Построение векторных диаграмм при различных режимах нагрузки. Схема подключения синхронного генератора к сети с помощью лампового синхроноскопа.
контрольная работа [92,0 K], добавлен 07.06.2012Расчет авиационного генератора с параллельным возбуждением. Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и выпрямительного устройства. Выбор схемы выпрямителя. Зависимость плотности тока в обмотках от мощности трансформатора.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 13.01.2014Определение параметров схемы замещения, потоков мощностей и напряжений в узлах. Расчет действительного предела мощности генератора. Вычисление динамической устойчивости электрической системы при трехфазном и двухфазном на землю коротких замыканий.
курсовая работа [649,5 K], добавлен 11.02.2015Мгновенная, средняя и полная мощности гармонических колебаний в электрических цепях. Положительное значение мгновенной мощности и потребление электрической энергии. Условия передачи максимума средней мощности от генератора к нагрузке. Режим генератора.
лекция [136,2 K], добавлен 01.04.2009Составление баланса активной и реактивной мощностей генератора и нагрузки. Проверка его выполнимости для симметричного и несимметричного режимов. Расчет фазного и линейного напряжения и мощности генератора. Построение топографической диаграммы токов.
контрольная работа [374,5 K], добавлен 16.05.2015Конструкция синхронного генератора и приводного двигателя. Приведение генератора в состояние синхронизации. Способ точной синхронизации. Процесс синхронизации генераторов с применением лампового синхроноскопа. Порядок следования фаз генератора.
лабораторная работа [61,0 K], добавлен 23.04.2012Схема генератора линейно возрастающего напряжения. Типичные формы пилообразного напряжения. Стабилизация конденсатора во время рабочего хода. Номинал резистора в коллекторной цепи. Амплитуда выходного импульса, обратный ход и коэффициент нелинейности.
курсовая работа [210,4 K], добавлен 07.10.2011Расчет и оптимизация геометрических и электрических параметров трехфазных обмоток статора синхронного генератора. Конструирование схемы обмотки, расчет результирующей ЭДС с учетом высших гармонических составляющих. Намагничивающие силы трехфазной обмотки.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 24.04.2014Общие понятия и определения в математическом моделировании. Основные допущения при составлении математической модели синхронного генератора. Математическая модель синхронного генератора в фазных координатах. Реализация модели синхронного генератора.
дипломная работа [339,2 K], добавлен 05.10.2008Свойства и характеристики синхронного генератора. Потеря энергии при преобразовании в синхронном генераторе механической энергии в электрическую. Устойчивость и увеличение перегрузочной способности генератора. Особенности параллельной работы генератора.
реферат [206,4 K], добавлен 14.10.2010Експериментальні способи зняття характеристик трифазного синхронного генератора. Схема вмикання генератора. Зовнішня характеристика як залежність напруги від струму навантаження при сталому струмі збудження. Регулювальна характеристика, коротке замикання.
лабораторная работа [204,2 K], добавлен 28.08.2015Расчет режима работы генератора импульса токов на эквивалентное сопротивление нагрузки. Расчет конденсатора, зарядного устройства, трансформатора, выпрямителя, индуктивно-емкостного преобразователя. Определение электроэрозионной стойкости разрядника.
курсовая работа [439,3 K], добавлен 18.10.2013Определение напора и расхода воды для гидроэлектростанции, диаметра рабочего колеса, частоты вращения турбины, высоты всасывания и подбор генератора. Расчет энергетических и конструктивных параметров комбинированной ветроэлектрической энергоустановки.
курсовая работа [166,2 K], добавлен 26.12.2015Современные системы энергоснабжения на судне, их состав. Проектирование электрического судового генератора. Базовые варианты конструкции. Расчет номинальных параметров, значений параметров нахождения критического угла. Построение угловой характеристики.
курсовая работа [190,8 K], добавлен 08.12.2015Установившийся режим трехфазного короткого замыкания синхронного генератора. Физические явления при внезапном трехфазном коротком замыкании в цепи синхронного генератора без автоматического регулятора напряжения. Процессы изменения магнитных потоков.
лекция [76,5 K], добавлен 11.12.2013Сварочные генераторы для ручной дуговой и автоматизированной сварки. Принципиальная схема коллекторного сварочного генератора. Зависимость средней скорости нарастания тока короткого замыкания генератора ГСО-300А от изменения параметров цепей якоря.
реферат [220,1 K], добавлен 24.12.2010Понятие и функциональные особенности вентильного генератора, его внутреннее устройство и взаимосвязь составных элементов. Расчет полюсного и зубцового деления. Определение коэффициента воздушного зазора. Построение характеристики холостого хода.
курсовая работа [234,5 K], добавлен 04.06.2014Методы и этапы проектирования генератора пачки прямоугольных импульсов (ГППИ). Обоснование выбора узлов, элементной базы и конкретных типов интегральных схем. Принцип работы управляемого генератора прямоугольных импульсов и усилителя сигналов запуска.
курсовая работа [374,2 K], добавлен 11.01.2011
