Проектирование выходного каскада связного передатчика с частотной модуляцией (стр. 3 из 8)
Поскольку наш связной передатчик имеет диапазон рабочих частот от 42 до 48 МГц, и небольшую мощность порядка 6 Вт то выбор остановим на биполярном транзисторе.
Для того чтобы выбрать конкретный полупроводниковый прибор воспользуемся таблицей 1.1 в [5](стр. 20 - 23) где находится справочная информация, необходимая для грамотного выбора транзистора. Отметим, что информация, которую содержат обычные справочники по транзисторам, не годится для осуществления правильного выбора, поскольку по ней нельзя узнать важные (определяющие) параметры транзистора в конкретном режиме, так, например важный параметр rнас (в граничном режиме).
,где
- остаточное напряжение на коллекторе транзистора в граничном режиме, Sгр – крутизна выходной характеристики транзистора в граничном режиме.Для оконечного каскада нашего связного передатчика по мощности передатчика, по диапазону рабочих частот подходит целая линейка транзисторов: КТ966А-2, 2Т921А, 2Т951А, 2Т951А, 2Т981А с параметрами:
| Тип транзистора | rнас(rнас ВЧ), Ом | Диапазон рабочих частот, МГц | Р¢н, Вт | Рекомендуемый режим работы |
| КТ966А-2 | 5 | 4…60 | >10 | Класс А <-58 дБ |
| 2Т921А | 1,8 (3,4) | 1,5…60 | >12,5 | Линейный <-30…-39дБ |
| 2Т951В | (10) | 30…80(1,5…>80) | >32 | Класс ВЛинейный <-27…-33дБ |
| 2Т951А | (1,4) | 30…80(1.5…>80) | >25>15 | Класс ВЛинейный <-30…-35дБ |
| 2Т981А | 0,1 | 30…80 | >50 | Класс В |
Как видно из выше приведённых некоторых параметров линейки транзисторов наиболее подходящий транзистор для нашего связного передатчика 2Т951А, потому что имеет достаточно большое rнас = 1,4 а также подходит по мощности (с запасом), по диапазону рабочих частот, и по рекомендуемому режиму работы.
Выбранный транзистор имеет следующие параметры:
Таблица 3.1 Параметры выбранного транзистора 2Т951А
| Параметр | Пояснение | Значение |
| rб | Сопротивление материала базы | 0,5, Ом |
| rэ | Стабилизирующее сопротивление в цепи эмиттера | 0,2, Ом |
| Rуе | Сопротивление утечки эмиттерного перехода | >0,1, кОм |
| h21э0 | Коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером ОЭ на постоянном токе | 15…100 |
| fт | Граничная частота передачи по току в схеме с ОЭ | 150…420, МГц |
| Ск | Барьерная ёмкость коллекторного перехода при соответствующем напряжении Ек | 60…70, пФ при Ек=28, В |
| Сэ | Барьерная ёмкость эмиттерного перехода при соответствующем напряжении Еэ | 600, пФ при Еэ=0, В |
| tк | Постоянная времени коллекторного перехода | <20 пс при Ек=10, В |
| Lэ | Индуктивность вывода эмиттера транзистора | 2,8…3,8, нГн |
| Lб | Индуктивность вывода базы транзистора | 2,1…3,2, нГн |
| Lк | Индуктивность вывода коллектора транзистора | 1,3…3,2, нГн |
| Eкэ доп | Предельное напряжение на коллекторе | 65, В при Екб имп |
| Eкэ имп | Предельное значение импульсного напряжения на коллекторе | 60, В |
| Eк доп | Допустимое значение питающего напряжения на коллекторе | 28, В |
| Eбэ доп | Допустимое значение обратного напряжения на эмиттерном переходе | 4, В |
| Iк0 доп | Допустимое значение постоянной составляющей коллекторного тока | 5, А |
| Iб0 доп | Допустимое значение постоянной составляющей базового тока | 1,0, А |
| tп доп | Допустимая температура переходов транзистора | 200, °C |
| Rпк | Тепловое сопротивление переход (кристалл) - корпус | 2,83, °С/Вт |
| f¢ | Экспериментальное значение верхней частоты диапазона | 80, Мгц |
| Кp | Коэффициент усиления по мощности | 8,3…25 |
| h | Коэффициент полезного действия | 60…80, % |
| Е¢к | Напряжение коллекторного питания при эксперименте | 28, В |
| Схема включения с ОЭ | ||
Перечисленные в этой таблице параметры, используются при расчёте коллекторной и базовой цепей транзистора.
Расчёт коллекторной цепи можно проводить независимо от схемы включения транзистора, а входной - раздельно для схем с ОЭ или с ОБ. В нашем случае, для оконечного каскада выбрана однотактная схема ГВВ, а схема включения транзистора – схема с ОЭ.
3.2 Расчёт коллекторной цепи
Для современных мощных биполярных транзисторов, как правило, оговаривается номинальное напряжение коллекторного питания Ек.п. В нашем случае по техническому заданию питание передатчика осуществляется от сети 220 В 50 Гц, т.е. нет ограничений по питающему напряжению. Поскольку напряжение Ек.п не задано то в мощном каскаде определим его исходя из допустимого Ек доп которое равно 28 В (см. таблицу 3.1). По техническому заданию наш связной передатчик должен выдавать в нагрузку мощность 6 Вт, а выбранный транзистор 2Т951А может обеспечить выходную мощность порядка 15 Вт. Поэтому учитывая то обстоятельство, что транзистор заведомо недоиспользуется по мощности то целесообразно занизить Ек max на 20…30 % по отношению к допустимому значению, что значительно повышает надёжность его работы, хотя и несколько снижает КПД и Кр, а также увеличивает рассеиваемую на нём мощность. Поскольку при выборе питающего напряжения желательно придерживаться стандартного ряда питающих напряжений: 3; 4; 5; 6; 9; 12; 15; 20; 24; 27; 30; 48; 60; 80 то выберем Ек п = 20 В, что соответствует 28,75% - ому занижению Ек maxотносительно Ек доп.
Далее расчёт будем вести исходя из номинальной мощности Р1ном при работе транзистора в граничном режиме, поскольку граничный режим можно считать оптимальным на низких и средних частотах (максимальный КПД достигается только в граничном режиме), а также учитывая, что транзистор будет работать в линейном режиме с углом отсечки q = 90° (выбираем такой режим), а схема оконечного каскада передатчика будет строиться по однотактной схеме ГВВ. Для расчёта коллекторной цепи воспользуемся методикой предложенной в [5] стр. 109 - 111. Отметим также, чторасчёт необходимо вести по наихудшему случаю, т.е. подставлять в расчётные соотношения значения входящих в них величин (см. таблицу 3.1) при которых обеспечиваются наихудшие условия.
1. Величина амплитуды первой гармоники напряжения на коллекторе Uк1 определяется формулой:
2.
(3.2.1)где Ек – напряжение питания, rнас – сопротивление насыщения, a1(q) – коэффициент разложения косинусоидального импульса, угол отсечки q = 90° , Р1 – номинальная мощность каскада.
Для расчёта подставим Ек, уменьшенное относительно напряжения источника питания Еп на 5В, что может быть связано с потерями по постоянному току в блокировочном дросселе, а выходную колебательную мощность передатчика с запасом, т.е.
Р1 ном.= Р1× 1,25 = 6 ×1,25 = 7,5 Вт
Подставляя численные значения в (3.2.1), получаем:
При этом коэффициент использования напряжения питания составляет:
3. Максимальное напряжение на коллекторе не должно превышать допустимого (Uкэ.доп. = 60 В):
(3.2.2)4. Амплитуда первой гармоники коллекторного тока определяется выражением:
(3.2.3)Подставляя в (3.2.2) численные значения величин, получаем:
5. Величина постоянной составляющей коллекторного тока определяется выражением (1.2.3) и не должна превышать допустимой (IК 0 ДОП = 5,0 А):
(3.2.4)коэффициент разложения косинусоидального импульса для постоянной составляющей a0(q) равен 0,319:
6. Максимальное значение коллекторного тока составляет:
(3.2.5)7. Величина максимальной потребляемой мощности от источника питания равна:
(3.2.6)8. КПД коллекторной цепи при номинальной нагрузке составляет:
(3.2.7)9. Максимальная рассеиваемая на коллекторе мощность на коллекторе транзистора приближённо рассчитывается так:
(3.2.8)где
. – коэффициент рассогласования входного сопротивления нагрузки, который в оконечном каскаде не должен быть ниже 0,5.10. Номинальное сопротивление коллекторной нагрузки определяется выражением: