Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
Кафедра ПЭЭА
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
по дисциплине: Элементная база ЭА
на тему: Колебательный контур усилителя промежуточной частоты
Выполнил
Проверил
Харьков 2009
Содержание
Введение
1. Анализ технического задания
2. Анализ аналогичных конструкций
3. Расчет электрических и конструктивных параметров
4. Описание конструкций по сборочному чертежу
Выводы
Список используемой литературы
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.
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, 0
С.
Рабочие:
верхнее значение + 25;
нижнее значение + 10;
среднее значение + 20.
Предельные рабочие:
верхнее значение + 40;
нижнее значение + 1.
Относительная влажность: 80% при 25 0
С.
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 0
С;
предельная температура: 55 0
С.
5) Холодоустойчивость:
рабочая температура: - 100
С;
предельная температура: - 40 0
С.
6) Влагоустойчивость:
влажность: 93 %;
температура: 25 0
С.
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 упрощается 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…+75°С.
Температурный коэффициент частоты ТКf в данном диапазоне равен
ТКf=Df/DT*f, (3.2)
где DT= Тмах
-Тк
= 75 - 20 = 55°С - рабочий диапазон температур;
Df- половина полосы пропускания;
f- рабочая частота.
ТКf=
Исходный коэффициент индуктивности ТКL может быть найден из выражения:
ТКf= ТКL+ ТКС, (3.3)
где ТКС- 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 mс
раз:
Lб. с.
=Lc
/mс
(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
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 получила 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, y=0.32. При 0,3<y<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 a при этом равен 1,25.
Определяем фактическую длину намотки:
l=ad0
(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
+ Drэ
+rc
, (3.11)
где rf
- сопротивление катушки току высокой частоты, Ом;
Drэ
- 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=2pf- 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:
aL
= aГ
+ aВ
+ aСо
+ aэ
+ aС
(3.14)
где aГ
- геометрическая составляющая ТКL; aВ
- составляющая, вызванная действием тока высокой частоты; aСо
- составляющая, вызванная изменением собственной емкости; aэ -
составляющая, вызванная влиянием экрана; aС
- составляющая, вызванная влиянием сердечника.
Формула для нахождения геометрической составляющей имеет вид:
(3.15)
где aD
- ТКЛР диаметра (материала провода), град-1
; al
- ТКЛР длины (материала каркаса), град-1
; k- коэффициент, зависящий от отношения l/D, k = 0,4.
aГ
= 22,2*10-6
град-1
Величину aВ
можно оценить воспользовавшись формулой:
(3.16)
где n - коэффициент, равный для катушек с круглым проводом 2000;
Q- расчетная добротность катушки. Подставляем значения и получаем:
aВ
= 2000/59,5 = 33,6*10-6
град-1
.
Емкостная составляющая будет равна:
aСо
= (aэк
+ aD
) * (3hD3
/ (Dc
3
- hD3
)), (3.18)
где aэк
- ТКЛР материала экрана, град-1
; h - коэффициент, зависящий от отношения l/D катушки, h = 1,2 [1]; Dэ
- диаметр экрана, мм; D- диаметр каркаса, мм; aD
- ТКЛР диаметра, град-1
.
aС
= - 45,9*10-6
град-1
.
Составляющая ТКL, учитывающая влияние экрана:
aэ
= (aсерд
+ aD
) * (3hD3
/ (Dс
3
- hD3
)), (3.19)
где aсерд
- ТКЛР материала экрана, град-1
; h - коэффициент, зависящий от отношения l/D катушки, h = 1,1 [1]; Dс
- диаметр экрана, мм; D- диаметр каркаса, мм; aD
- ТКЛР диаметра, град-1
.
aэ
= 3,17*10-6
град-1
.
И общий ТКL будет равен:
aL
= 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 ε=7 и
tg δ =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
ПАСПОРТ:
Колебательный контур предназначенный для работы в УПЧЗ приемника:
Технические характеристики:
Рабочая частота контура, МГц 33
Индуктивность катушки, мкГн 2,3
Предельные отклонения индуктивности при настройке ± 5%
Добротность контура, не хуже 60
Диапазон рабочих температур, °С+20. +85
Собственная емкость контура, пФ0, 49
Срок эксплуатации не менее, мес. 24
Контур необходимо хранить в сухом месте при температуре не ниже +15°С и не выше +85°С. Важным условием хранения также является отсутствие агрессивных сред во избежание коррозии тех или иных элементов конструкции.
Выводы
В ходе выполнения данного курсового проекта ознакомилась с методикой расчета колебательного контура усилителя промежуточной частоты. Усвоила 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., 1967, 544 с.
2. Свитенко В.Н. Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов.М., 1987, 207 с.
3. Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. М., 1976, 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.