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, 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 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)--PAGE_BREAK--
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 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
/>(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/ (Dc3 — 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/ (Dс3 — 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
tgδ =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
Волгов В.А. Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры. М., 1967, 544 с.
Свитенко В.Н. Электрорадиоэлементы: Курсовое проектирование: Учебное пособие для вузов.М., 1987, 207 с.
Рычина Т.А. Электрорадиоэлементы. М., 1976, 336 с.
Справочник конструктора РЭА. Общие принципы конструирования /под ред. Варламова А.П. — М., 1980, 341 с.
Трещук Р.М. и др. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. К., «Наукова думка», 1988, 800 с.
Симонов Ю.Л. Усилители промежуточной частоты. М., «Советское радио», 1973, 384 с.