Расчет оконечного каскада (ОК)

Исходные данные:

Мощность в антенне Р_А=20Вт

Рабочая частота f_раб=30МГц

Исходя из заданной мощности излучения в антенне в несущем режиме Р_А и с учетом потерь в фидере h_f» 0,8…0,9 и потерь в колебательной системе h_кс = 0,8…0,9, определяется требуемая мощность транзистора модулируемого каскада (в данном случае оконечного каскада):

 

(1.27)

ГдеР_ок – мощность на коллекторе оконечного каскада.

 

 

 

где m – заданная глубина модуляции.

 

Выбор активного элемента

Транзистор оконечного каскада выбирается, исходя из требуемой мощности в максимальном режиме и заданной рабочей частоты f_раб.

Мощность, которую можно будет получить при выборе данного транзистора, будет примерно равна:

Р_вых≈(1…1,3)∙Р_расс, (1.28)

где Р_расс - мощность рассеивания на коллекторе.

 

При f_раб → f_т – Р_вых ↓, К_р ↓, то режим устойчивый;

При f_раб → f_β – Р_вых ↑, К_р ↑, то режим неустойчивый.

 

Также получение большой мощности приводит к снижению надежности транзистора.

По мощности подходят транзистор КТ927А (см. справочники).

Для максимального использования активного элемента биполярный транзистор применяется в области высоких частот и выбирается, исходя из заданной частоты /1/:

 

f _Т >f_раб> 3f _β

 

где f _β – частота, на которой коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ падает до уровня 0,707 от статического низкочастотного коэффициента усиления по току, приведенного в справочнике.

f _T – граничная частота приводится в справочнике, если f _T не указана, то ее можно определить по формуле:

 

= (1.29)

где | h_21э | _спр – модуль коэффициента усиления по току, измеренный на частоте f _спр.

 

Для транзистора КТ927А:

 

 

 

(1.30)

 

 

Используем =30(см. спр-к).

 

Или

Статический коэффициент по току

= (1.31)

 

 

 

Коэффициент усиления по току на рабочей частоте:

= (1.32)

 

 

Проверим справедливость неравенства:

f _Т >f_раб> 3f _β

Для КТ927А 1.5 ∙10⁸>30 ∙10⁶> 3∙ 5∙ 10⁶

Условие выполняется, расчёт можно продолжать.

 

 

h21э0

0,707h21э0

fβ

fТ

f

h21э

 

Рис.3. Зависимость коэффициента усиления по току от частоты.

Для проверки получения на выбранном транзисторе возможной мощности воспользуемся формулой через предельные допустимые параметры транзистора.

(1.33)

где

α₁ - коэффициент Берга, при θ = 90^◦ α₁=0.5

– крутизна критического режима.

 

Рассчитаем r_нас по одной из формул в зависимости от приведённых параметров в справочнике:

Для 2Т… в справочнике,

 

а) r_нас указано в справочнике

r_нас[Ом]=0.07Ом (1.34а)

 

или

 

б)U_КЭнас, I_Кнас – напряжение и ток в режиме насыщения, указаны в справочнике

(1.34б)

 

или

в)

Если в справочнике приведена выходная характеристика, то сопротивление насыщения можно определить (см.рис.5б и П.2) по формуле:

(1.15в)

 

 

i

Iк мах

S

iк

iБ

Е' Е'Б

UБЭраб

SБ

IБ мах

UБЭ

Нагрузочная прямая

iк

Iк мах

UКЭост

Ек

Uк

IБ мах

 

 

а) б)

Рис.5.

а) Входная, проходная б) выходная характеристики биполярного транзистора

 

где S_Б – крутизна входной характеристики касательная в рабочей точке I_Бмах,

E'_Б »Е',

E'_Б – напряжение отсечки базового тока,

Соответствуют выбранному режиму IКmах и IБmах =

Е' – напряжение отсечки коллекторного тока (напряжение сдвига проходной характеристики).

U_{КЭосткр}– остаточное напряжение К-Э,

U_БЭраб– напряжение Б-Э

 

или

г)

Если в справочнике нет сведений о параметрах насыщения или выходной характеристики, но имеется выходная мощность, измеренная при напряжении U_КЭ, то сопротивление насыщения можно определить по формуле:

(1.34г)

,

 

где Р_вых – выходная мощность, измеренная при U_КЭ.

 

 

Рассчитаем мощность ф. (1.33) при использовании транзистора КТ927А

 

Требуется 80.001(см. ф.(1.27)).

Транзистор КТ927А подходит.

Поскольку запас по мощности большой, уточним режим работы транзистора:

 

Уточним режим работы транзистора.

 

Напряжение на коллекторе в максимальном режиме:

 

 

(1.17)

(1.18)

 

 

Зададимся E_Кmax =28,9В и I_Кmax=6,07А, определим мощность.

 

Требуется 80,001Вт

Расчет мощности модулятора

 

Мощность модулятора Р_Ω – является исходной величиной для расчёта низкочастотного тракта и зависит от способа модуляции. Расчет проводится после определения параметров транзистора(п.2).

 

При коллекторной модуляции мощность, потребляемая от источника питания:

 

= (1.19)

 

где - постоянная составляющая коллекторного тока в несущем режиме.

(1.20)

 

- высота импульса коллекторного тока (см.ф.(1.16б)) и рис. 4б.

m- из исходных данных.

 

Мощность модулятора:

Р_Ω [Вт]= 0,5∙m²∙P_0нес = (1.21)

 

Нагрузкой модулятора будет сопротивление:

 

= (1.22)

=

2.2. Определим коэффициент усиления по мощности:

 

, (2.2)

 

 

где параметры со штрихом K'_P, f ', E'_K, P'₁ – параметры выбранного транзистора, приведенные в справочнике, (генератор может иметь коэффициент усиления K'_P на частоте f ' при питании E'_K, при этом на коллекторе данного транзистора можно получить мощность P'₁),

ƒ_раб – рабочая частота,

P₁ – требуемая мощность,

E_K – задаваемое напряжение питания.

 

При расчете Кр следует задавать режимы, близкие к справочным, большой запас по частоте может привести к неустойчивой работе генератора.

Напряжение питания должно выбираться:

 

(2.3)

 

где – максимально допустимое напряжение К-Э, приведенное в справочнике.

В выражении (2.3) берется равенство, если требуется максимальная мощность с выбранного транзистора, и менее, если требуется меньшая мощность, а другие типы транзисторов не подходят, но и слишком маленькое напряжение питания задавать нельзя, так как существует остаточное напряжение и при малых напряжениях питания, транзистор не будет работать рис.10б. .

Получение мощности P₁>P'₁ приводит к снижению надежности транзистора. Целесообразно выбрать такой транзистор, у которого в результате расчета

ф. (2.2);

 

25…30 >K_P> 1,5

 

По формуле (2.2) коэффициент усиления по мощности можно определить для биполярных транзисторов, у которых приведены необходимые параметры в справочнике. К сожалению, такие параметры имеются только для мощных высокочастотных транзисторов. В таких случаях рассчитывают коэффициент усиления по мощности /3.4/ по следующей формуле:

 

(2.4)

 

где ƒ_max– максимальная частота усиления по мощности биполярного транзистора.

2.1.7.Максимальная частота усиления мощности f_max.

Поскольку при расчете ГВВ транзистор используется в области высоких частот, на параметры транзистора влияет его инерционность, т.е. на энергетические показатели ГВВ: выходная мощность, КПД, коэффициент усиления по мощности уменьшаются. Поэтому при определении f _maxнеобходимо учитывать инерционность транзистора и работу ГВВ в режиме с отсечкой коллекторного тока θ_ВЧ/4/:

 

(2.30)

(2.30а)

в общем случае определяется по формуле:

(2.31)

Далее производится расчет параметров выбранного транзистора