Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
Белорусский Государственный Университет Информатики и Радиоэлектроники
Кафедра: Систем телекоммуникаций
Факультет: Телекоммуникаций
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к дипломному проекту
НА ТЕМУ:
УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
Дипломник:
Руководитель
Консультанты:
по электрической части
по экономике
по производственной и экологической безопасности
Рецензент:
МИНСК – 2002
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень принятых сокращений
Введение
1. Современное состояние разработок усилителей мощности миллиметрового
диапазона длин волн
1.1 Применение ЛБВ в радиолокационно-связной аппаратуре
2. Технические требования по реализации усилителя мощности на ЛБВ
диапазона
2.1 Требования технического задания к усилителю мощности
2.2 Анализ требований к источникам питания
2.3 Анализ требований к импульсному модулятору для ЛБВ
3. Разработка и обоснование структурной схемы проектируемого устройства
3.1 Структурная схема усилителя
3.2 Структурные схемы источника питания и выбор элементной базы
3.3 Основные схемы построения импульсных модуляторов питания
4. Р??т э?????? ???? ??в ?????о ??ч??
4.1 Расчет низковольтного трансформатора для импульсного источника
питания
4.2 Расчет высоковольтного полупроводникового модулятора
5. Охрана труда и экологическая безопасность. Обеспечение защиты от
электромагнитных полей при эксплуатации усилителя мощности
миллиметрового диапазона длин волн
5.1 Влияние на организм человека электромагнитных полей радиочастотного
диапазона
5.2 Технические устройства, организационные и лечебно- профилактические
мероприятия
5.3 Применение электромагнитных помещений и замкнутых экранов для защиты
от электромагнитных полей
5.4 Оценка уровня электромагнитного излучения на рабочем месте
6. Технико-экономическое обоснование
6.1 Характеристика технико-экономического обоснования проекта
6.2 Определение сметной стоимости
6.3 Определение себестоимости товара и рыночной цены
6.4 Расчет затрат у производителя
6.5 Расчет экономической эффективности
Заключение
Библиографи
Приложение А. Справка об исследовании патентной литературы
Перечень принятых сокращений.
АЧХ – Амплитудно-частотная характеристика.
ВВИП – Высоковольтные вторичные источники питания.
ВГС – Высшие гармонические составляющие.
ВЧ – Высокая частота.
ЗС – Замедляющая система.
ИП – Источник питания.
ККМ – Коррекция коэффициента мощности.
КПД – Коэффициент полезного действия.
ЛБВ – Лампа бегущей волны.
МПФС –Магнитная периодическая фокусирующая система
ПОМ – Приемный оптический модуль.
РЛС – Радио локационная станция.
СВЧ – Сверх высокие частоты.
ТТЛ – Транзисторно транзиснорная логика
ТТУ – Твердо тельный усилитель.
ШИМ – Широтно импульсная модуляция.
ЭМП – Электро магнитные поля.
Введение
Лампы бегущей волны продолжают оставаться одним из важнейших
комплектующих элементов, определяющих технический уровень
радиолокационно-связных систем. Этот тип ЭВП обладает превосходными
рабочими и эксплуатационными характеристиками: широкой полосой рабочих
частот, большим коэффициентом усиления и КПД, выходной’ мощностью от
десятков до сотен ватт, высокой устойчивостью к внешним воздействиям,
термостабильностью параметров и высокой надежностью при долговечности до
100 тыс. ч и более. Они допускают эксплуатацию в гораздо более жестких
режимах, чем твердотельные приборы.
Разработанные ЛБВ, используются в выходных усилителях ретрансляторов
космических аппаратов “Молния”, “Радуга”, “Глобус”, “Луч”, “Галс” и др.
Имеется большая номенклатура приборов, уже освоенных в производстве, с
развитой технической базой и значительным научно-техническим заделом.
Благодаря систематическим исследованиям, разработкам и внедрению все
более совершенных конструктивных и технологических решений с
использованием вновь разработанных материалов, высокоточного
автоматизированного оборудования, современных средств испытаний и
контроля, обеспечено производство ЛБВ, соответствующее современному
техническому уровню, и комплектацию ими ретрансляторов в любой части
сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.
Направления работ по повышению технического уровня ЛБВ, выпускаемых
предприятиями, определяются потребностями развития систем спутниковой
связи и радиолокационно-связных систем. С целью удовлетворения этих
потребностей предприятия России продолжают вести как перспективные
исследовательские работы, обеспечивая высокий технический уровень своей
продукции, так и опытно-конструкторские разработки для комплектации
новых космических аппаратов связи и промышленное производство
разработанных ранее ЛБВ.
Условно можно выделить следующие наиболее важные этапы развития техники
широкополосных ЛБВ (таблица 1).
В начале шестидесятых годов было разработано под руководством А.Д.
Жукова и О.С. Полякова первое поколение пакетированных широкополосных
ЛБВ в диапазоне 1… 4 ГГц с выходной мощностью 100… 200 Вт. Возникшие
проблемы теплоотвода от спирали, низкий КПД, высокий уровень гармоник
стимулировали комплекс специальных исследований и разработок,
выполненных под руководством А.М. Каца (теория и расчет приборов),
Б.С.Правдина, В.В. Пензякова (теория и расчет электронно-оптических
систем), В.П. Кудряшова (методы подавления высших гармоник и
самовозбуждения на обратной волне), В. Б. Рабкина и Р.Ф. Козловой (новые
материалы и сплавы). Ю.Н. Балалаева и Ю.А.Мельникова (магниты и
магнитные системы на редкоземельных металлах) [1].
В конце шестидесятых начались работы по созданию усилительных цепочек на
ЛБВ, выходным каскадом в которых являлась «прозрачная» для СВЧ-сигнала
ЛБВ без поглощающей вставки с усилением 7…17дБ. Первоначально они
предназначались для обеспечения непрерывно-импульсного режима работы
(входная ЛБВ работала в непрерывном режиме, выходная – в импульсном).
Были изготовлены экспериментальные образцы усилителя. Впоследствии был
выполнен цикл исследований и разработок широкополосных усилительных
цепочек, обеспечивающих уровень выходной мощности 500 Вт в диапазоне
1… 8 ГГц. Для повышения устойчивости таких цепочек был предложен
«ЛБВ-вентиль», основанный на взаимодействии СВЧ-сигнала с быстрой волной
пространственного заряда[2].
Таблица 1- Этапы развития техники ЛБВ
Время60-е годы70-80-е годы90-е годы ,Достижения в технологии и
конструированииМагнитная периодическая фокусирующая система (МПФС).
Специальные сплавы на основе меди.
Импрегнированныкатоды.Токоперехватывающая и теневая сетки.
Разработкаметодов триангуляции. МПФС на основе SmCo-Плющенка из
молибдена, фольфрама, сплава МАГТ-0.2.Сетки из гафния .Разработка
комплексированных устройств с источниками питания.
ВЧ пакеты с анизотропным экраном.Разработка методов термообжатия и термо
вставления.
Достигнутые параметры: верхняя частота
Выходная мощность
Полоса уиливаемых частот идентичность амплитуды и фазы КПД10 ГГц
200 Вт непр.
1 кВт имп
2:1
± 3 дБ; ± 40дБ
10… 15%40 ГГц
500 Вт непр.
10 кВт имп
3: 1
± 2 дБ; ± 30дБ
20… 25%40 ГГц
1000 Вт непр
10 кВт имп
3: 1
± 1 дБ: ± 25дБ
20… 30%
Эти работы способствовали тому, что второе поколение широкополосных
приборов и усилителей, , было на уровне лучших мировых аналогов, нашло
широкое применение в радиоаппаратуре и позволило резко увеличить
промышленный выпуск приборов и комплексированных устройств на их основе.
В девяностые годы усилия разработчиков были направлены на
усовершенствование конструкции и технологии изготовления, достижение
максимальных значений выходной мощности и ширины полосы усиливаемых
частот, КПД, амплитудной и фазовой идентичности, уменьшение шумов,
снижение массы и габаритных размеров. Практически была создана
методология оптимального построения сверхширокополосных ЛБВ с учетом
требований по перечисленным параметрам и разработанных
конструктивно-технологических приемов и методов
1. Современное состояние разработок усилителей мощности миллиметрового
диапазона длин волн
1.1 Применение ЛБВ в радиолокационно-связной аппаратуре
Лампы бегущей волны продолжают оставаться одним из важнейших
комплектующих элементов, определяющих технический уровень спутников
связи. Этот тип ЭВП обладает превосходными рабочими и эксплуатационными
характеристиками:
широкой полосой рабочих частот,
большим коэффициентом усиления и КПД,
выходной мощностью от десятков до сотен ватт,
высокой устойчивостью к внешним воздействиям,
термостабильностью параметров
высокой надежностью при долговечности до 100 тыс. ч и более.
Они допускают эксплуатацию в гораздо более жестких режимах, чем
твердотельные приборы.
Направления работ по повышению технического уровня ЛБВ, определяются
потребностями развития систем связи . С целью удовлетворения этих
потребностей ведутся как перспективные исследовательские работы,
обеспечивая высокий технический уровень своей продукции, так и
опытно-конструкторские разработки для комплектации новых систем связи и
промышленное производство разработанных ранее ЛБВ [3].
Результаты разработки и особенности технологии производства ЛБВ
В последние годы наибольший объем работ, был направлен на повышение
надежности, ресурса и КПД ЛБВ, улучшение спектра и фазовых характеристик
ее выходного сигнала, улучшение массогабаритных параметров. Для этого
были исследованы пути увеличения эффективности энергообмена в
пространстве взаимодействия ЛБВ с широкополосными электродинамическими
структурами и возможности рекуперирования остаточной энергии электронных
потоков с широким спектром энергий электронов.
В таблице 1.1 приведены основные параметры широкополосных ЛБВ
непрерывного действия, разработанных за последние 10 лет. Описание
конструкции и характеристик некоторых из них позволяют составить
представление о том, как практически решается задача оптимизации
основных характеристик широкополосных спиральных ЛБВ.
Таблица 1.1- Современные ЛБВ
ПриборF,ГГцP,вых,ВтКус,ДбUсп,кВIк,мАUк,кВРазмеры, мм Масса,
кгОхлаждениеУВ-А30011…2
4004054403,21040х82х86
10Жидк.УВ-АЗ002 1…21000308.3840
6977х88х128
14Жидк. УВ-АЗООЗ 2…4400405.4440 3.4642х82х86
7Жидк.УВ-А30042…41000309.2 8406,5
862х100х128
12Жидк,УВ-АЗООб4…8180407.5 2504.5500х100х75
3ВОЗД.УВ-А30088…12200357.5 2504.5450х100х75
3Конд. УВ-А3018 7,5.. 182503310.4330
6.5/3450х55х75
3КондУВ-А302018..26103010405350х54х80
2.0 ВОЗДУВ-А3021
26…40
1035111006350х54х57
2,0Конд.
Лучшие результаты получены в лампах со спиральными замедляющим
и системами (ЗС) малого диаметра, в которых для снижения СВЧ-потерь
используется спиральный проводник прямоугольного сечения из материала
МАГТ-0,2 с проводимостью по постоянному току, близкой к проводимости
меди (не менее 85%). В таких ЗС реализованы схемы согласования фазовых
скоростей в СВЧ волновом пакете с энергетическими характеристиками
электронного потока вдоль пространства взаимодействия лампы,
обеспечивающие передачу СВЧ-полю на частоте первой гармоники 60… 75%
энергии электронов компактного сгустка, содержащего до 80% электронов на
периоде СВЧ-волны [A1] .
Высокая эффективность энергообмена в пространстве взаимодействия, низкие
потери СВЧ-мощности в ЗС и удобный для многоступенчатого рекуперирования
спектр энергий электронов в электронном потоке на входе в коллектор при
применении новых конструкций спиральных ЗС позволили увеличить
электронный КПД в средней части сантиметрового диапазона до 30… 36% ,
а технический КПД ЛБВ с трехступенчатым коллектором электронов – до 56%.
При этом были улучшены и другие параметры, влияющие на качество
выходного сигнала усилителя [4]:
относительный уровень выходной мощности на частоте второй гармоники
снизился до минус 25 дБ, максимальное значение коэффициента
амплитудно-фазовых преобразований при изменении входных мощностей от
нулевой до входной мощности, соответствующей режиму насыщения,
уменьшилось до 6 град/дБ.
Полученные данные позволили сделать вывод, что в ЛБВ с электронным КПД
более 30% при сопровождении электронного потока в периодических
магнитных полях может быть достигнуто токопрохождение на коллектор в
динамическом режиме более 97%. Увеличение электронного КПД привело к
уменьшению удельного токоотбора с поверхности катода и увеличению
долговечности ЛБВ [A2]. Последующее увеличение долговечности до 100 тыс
ч и более стало возможным после разработки специальных технологических
процессов, методов контроля качества, обеспечивающих производство
основных узлов ЛБВ повышенной надежности металлокерамических, катодных,
ЗС, узлов связи и МПФС.
Основные электрические параметры ряда приборов:
Рвых – выходная мощность на частоте первой гармоники,
Ky – коэффициент усиления,
I 0 -ток катода (суммарный ток электродов),
N – количество ступеней коллектора.
М – масса,
Д – долговечность,
Они приведены в таблице 1.2. В ней представлены данные из технических
условий, которые, как правило, обеспечиваются конструкциями и
технологией с большими производственными запасами. Результаты разработки
образцов ЛБВ с КПД 60% и долговечностью 150…200 тыс. ч
Выполненные. исследования показали возможность создания и освоения
производства ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона с
долговечностью 150… 200 тыс. ч и КПД более 60% . Важнейшее условие
обеспечения работы ЛБВ в течение 200 тыс. ч. – повышение эмиссионной
долговечности катода. Необходимая эмиссионная долговечность достигается
в двухкамерных металлопористых катодах при плотности токоотбора с
эмитирующей поверхности до 1 А/см2.
В результате первой серии испытаний экспериментальных образцов ЛБВ
нового поколения было обнаружено, что после наработки более 100 тыс. ч
могут возникать отказы приборов из-за снижения поверхностного
сопротивления керамических деталей металлокерамических узлов электронной
пушки, а после наработки 100… 150 тыс. ч среди приборов с большой
токовой нагрузкой на ЗС могут возникать отказы по снижению выходной
мощности.
Таблица 1.2- Параметры ЛБВ
ТипДиапазон частот, ГГцРвых. ВтКу.дБUзс. кВIо, мАN, штКпд,%М,кгД,
чУВ-4813,4…3,940423,5703452,657500УВ-А20023,4…3,980423.71303452,6550
00УВ-5097,0…8,040404,0403500,877000УВ-А200611,4…11,722405.0403401,95
5000УВ-А2008А11.7…12,5100486.51405561.8100000УВ-А200811.7…12,5150506
,51605551,8100000УВ-А2010
13,4…14,050505,6553402,077000УВ-48514,5…15,540505,6553402.055000
Снижение поверхностного сопротивления керамических деталей в электронной
пушке связано с накоплением на их поверхности проводящих материалов,
испаряющихся с нагретых поверхностей катода. Для устранения этого
эффекта разработаны электронные пушки, в которых керамические детали
защищены экранами от попадания на них испарившихся с катода материалов.
Надежность этих пушек подтверждена испытаниями, проведенными по методике
ускоренных испытаний в специальных режимах в течение времени,
эквивалентного наработке более 300 тыс. ч.
Механизм снижения выходной мощности также связан с переносом вещества с
поверхности нагретых частей спирали на диэлектрические опоры ЗС. При
незначительных тепловых нагрузках на спираль время, в течение которого
могут быть обнаружены негативные последствия для ЗС со спиралью из
МАГТ-0,2, превышает 1 млн. ч. В противном случае это время может
сокращаться в зависимости от температуры спирали в десятки и более раз.
Возрастание СВЧ-потерь в результате металлизации диэлектрических опор
приводит к увеличению тепловой нагрузки на спираль и увеличивает
скорость деградации параметров такой ЛБВ [A3].
Добиться необходимого уменьшения скорости переноса вещества с
поверхности спирали на опоры ЗС можно улучшением теплоотвода от спирали
ЗС и уменьшением токовой нагрузки на спираль. В разрабатываемых ЛБВ
улучшение теплоотвода достигается применением деталей из материалов с
высокой теплопроводностью, например медных оболочек ЗС , и применением
пластичных материалов для создания необходимых тепловых контактов в
местах сопряжения теплоотводящих элементов конструкции. Уменьшение
токовой нагрузки, как следует из анализа токопрохождения в ЛБВ с
электронным КПД более 30%, возможно за счет улучшения токопрохождения в
статическом режиме и уменьшения тока, возвращенного из коллекторов.
Такая работа была выполнена на основе метода конечных элементов при
моделировании электронного потока в аксиально-симметричных узлах ЛБВ .
Разработанные ЛБВ средней мощности сантиметрового диапазона отличаются
высоким техническим уровнем, КПД различных типов ЛБВ принимают значения
45… 55 % , а долговечность достигает 100 тыс. ч. Указанные значения
КПД получены при использовании ЗС с
picscalex100010009000003aa0000000200120000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c02600200021200000026060f001a00ffffffff00001000
0000c0ffffffa5ffffffc0010000050200000b00000026060f000c004d61746854797065
0000600012000000fb02c0fe0000000000009001000000cc04020020417269616c204379
7200cc00040000002d01000008000000320a08020a0101000000610010000000fb0260fe
0000000000009001000000020002001053796d626f6c0002040000002d01010004000000
f001000008000000320aa00140000100000067000a00000026060f000a00ffffffff0100
0000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc0102022253797374656d00cc
040000002d01000004000000f0010100030000000000 = 0.8…0,9 и малыми
СВЧ-потерями, долговечность ЛБВ обеспечивается надежностью конструкций
узлов и особенностями технологии, включающей специальные методики
прогнозирования их надежности и ресурса. Исследованы пути увеличения КПД
ЛБВ до 60% и долговечности до 200 тыс. ч. Разработаны и испытаны образцы
ЛБВ с КПД 60… 64% и долговечностью более 150 тыс. ч
Первые разработки спиральных ЛБВ с шириной полосы более октавы позволили
определить, что главным препятствием по расширению полосы рабочих частот
является взаимодействие на частотах, кратных частоте основного сигнала
(высших гармонических составляющих (ВГС)). В результате многочисленных
исследований было установлено, что все многообразие средств подавления
ВГС, причем с достаточно эффективной передачей их энергии основному
сигналу, реализуется. с помощью единственного метода – метода
компенсации . Он заключается в том, что на входе или в пространстве
взаимодействия самой ЛБВ формируется сигнал, насыщенный гармониками.
противофазными гармоникам, образующимся в результате нелинейного
взаимодействия по основному сигналу [5].
Наиболее просто он реализуется в усилительных цепочках на ЛБВ, в которых
между каскадами устанавливается так называемый фазовый компенсатор
(отрезок длинной линии с максимально крутой дисперсией), который
изменяет фазовый сдвиг между основным сигналом и его гармониками на
необходимую величину (как правило, от 90 до 180°). Для повышения
устойчивости цепочки между каскадами фазовый компенсатор может быть
совмещен с ЛБВ-вентилем. основанным на взаимодействии отраженного
СВЧ-сигнала с быстрой волной пространственного заряда. Именно такое
построение усилителя позволило впервые достичь уровня мощности порядка 1
кВт в диапазоне 1.8 ГГц с мгновенной полосой частот до 1,5…2 октав.
Для осуществления метода компенсации в одной ЛБВ необходимо обеспечить
определенные условия взаимодействия широкополосной ЛБВ.Выбор параметров
выходного участка пространства взаимодействия является главной задачей
при проектировании широкополосной ЛБВ, поскольку именно он определяет
выходную мощность и КПД, уровень нелинейных искажений и ВГС. Наконец, от
выбранной модели подавления гармоник и передачи их энергии полю
основного сигнала определяются требования и к другим участкам прибора.
Характерны два варианта энергообмена между ВГС и основным сигналом:
первый – при равенстве фазовых скоростей возмущенных волн поля на
частотах первой и, как правило, второй гармоник, что соответствует
слабой нормальной дисперсии ;
второй – когда эти скорости существенно различаются (большая нормальная
дисперсия и нулевая или аномальная дисперсия). В первом случае для
реализации процесса компенсации необходимо создать специальный
компенсирующий сигнал; во втором по мере изменения по длине фазовых
соотношений (из-за упомянутой выше разности скоростей) гармоники
автоматически попадают в фазу оптимального энергообмена с основным
сигналом.
Вместе с тем высокий уровень гармоник в слабонелинейном режиме,
повышенная неравномерность амплитудно-частотной характеристики,
обусловленная скачком фазы поля, показывают, что этот метод сложен для
реализации в сверхширокополосных ЛБВ .
Оптимизация пространства взаимодействия велась в октавном диапазоне: в
результате технический КПД при одноступенчатой рекуперации превысил 30%,
а уровень ВГС в режиме насыщения уменьшился до 10 Дб.
Коэффициент усиления и собственные шумы широкополосных ЛБВ
Одним из главных ограничений коэффициента усиления в широкополосных ЛБВ
является требование минимизации уровня собственных шумов в рабочей
полосе частот. Эти два параметра связаны известным соотношением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 (1)
где Рш – интегральный шум в рабочей полосе
(picscalex100010009000003af000000020017000000000005000000090200000000040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);
k =1,38-10-23постоянная Больцмана;
То =293 К -шумовая температура;
Кш коэффициент шума;
Ку-максимальный в полосе частот коэффициент усиления прибора в линейном
режиме работы;
Кф- коэффициент формы АЧХ, лежащий обычно в пределах 0,3… 0,5.
Из анализа (I) видно, что возможны два направления работ по уменьшению
уровня шумов при заданных значениях коэффициента усиления и полосы
усиливаемых частот: уменьшение коэффициента шума и минимизация перепада
коэффициента усиления в диапазоне частот (определяемая значениями Кумах
и Кф)
Зависимость коэффициента шума ЛБВ средней и большой (более 20 Вт)
мощностей от выходной мощности Рвых [Вт] может быть выражена в следующем
виде: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 (2)
где Рид – выходная мощность прибора по ТУ, Вт.
Связь между Кш и минимально возможным коэффициентом шума Кшmin быть
представлена в виде :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 (3)
где S и В- диаметры катода и электронного пучка
Вытекающая из (3) очевидная рекомендация по уменьшению диаметра катода
связана с увеличением удельного токоотбора н, как следствие, со
снижением долговечность прибора и поэтому далеко не всегда применима. На
практике при конструировании и изготовлении электронно-оптической
системы необходимо предпринять все меры к тому. чтобы снизить разброс
скоростей электронов, исключить возможность эмиссии с боковых
поверхностей катода и других электродов пушки. Как правило, при
настройке прибора в МПФС приходится предпринимать специальную юстировку
по уровню шума, Однако все эти меры не позволяют кардинально изменить
коэффициент шума и достигнуть нижнего предела допуска [6].
Более широкие возможности по уменьшению собственных шумов ЛБВ заложены в
оптимизации АЧХ прибора Каждый участок пространства взаимодействия,
работающий в линейной и слабонелинейной областях взаимодействия,
конструируется таким образом, чтобы обеспечить минимальный период
коэффициента усиления в заданном диапазоне частот. Освоение управлением
дисперсией позволяет использовать для этой цели разнообразные комбинации
скачков фазовой скорости и дисперсии, реализуемые с помощью изменения
шага и диаметра спирали, формы керамических и металлокерамических опор,
диаметра и формы экрана.
В более коротковолновых ЛБВ из-за отсутствия к началу их разработки
приемлемого конструкторско-технологического решения по управлению
дисперсией такие средства не применялись. В результате интегральная
мощность шума таких приборов на 1 – 2 и более порядков выше, чем в
длинноволновых ЛБВ при тех же значение коэффициента усиления.
(таблица1.3)
Таблица 1.3- Параметры ЛБВ
Тип
ЛБВУВ-
А3001УВ-
А3002УВ-
А3003УВ-
А3004УВ-
А3009УВ-
А349АУВ 3018F,ГГц
1…21…22..42…48…188…187,5…18
Рвых.Вт4001000400100050100250Ку,Дб40304030504033Pш, мВт10110120001000180
Комплексированные устройства
При создании таких устройств могут решаться различные задачи, чаще всего
оптимизируются высокочастотные характеристики СВЧ-усилителя и
согласование СВЧ-приборов с источниками питания. Работы в этих
направлениях ведется с начала семидесятых годов, и сегодня серийно
выпускаемые комплексированные изделия используются в различных
радиоэлектронных системах гражданского и военного назначениея. Одними из
первых комплексированных устройств были упомянутые выше усилительные
цепочки в составе: широкополосная ЛБВ с высоким коэффициентом усиления,
«ЛБВ-вентиль», совмещенная с фазовым компенсатором, и «прозрачная» для
СВЧ-сигнала ЛБВ с малым (6…8, дБ) коэффициентом усиления. Они
позволили качественно улучшить характеристики СВЧ-усилителей и в
значительной степени иллюстрируют методологию комплексирования, в
которой заложены три основополагающих, на наш взгляд, принципа:
каждый-элемент комплексированного устройства ответственен за одну или
несколько функций всего устройства-параметры каждого элемента
согласованы с параметрами других элементов и обеспечивают их нормальное
функционирование [A4];
Предполагается оптимальное конструирование устройства в целом с
интеграцией элементов конструкции, систем охлаждения, контроля и т.д.
В соответствии с этими принципами были разработаны комплексированные
устройства на основе широкополосных спиральных ЛБВ (таблица 1.4).
Оптимизации по СВЧ параметрам., как правило, подлежала наиболее
распространенная схема усилителя 1, Изображенная на рис.6 и включающая в
себя корректор усиления, транзисторный усилитель 2, широкополосную ЛБВ 3
и источник питания (ИП) 4.
Рисунок 6- Комплексированные устройства
Корректор коэффициента усиления – пассивный, аттенюатор, обеспечивающий
частотную характеристику затухания, аналогичную (по форме) частотной
зависимости общего коэффициента усиления ЛБВ и транзисторного усилителя,
представляет собой цепочку резонаторов с регулируемой добротностью и
выполняется на основе либо коаксиальной, либо полосковой линии. В
результате комплексированное устройство характеризуется постоянством
коэффициента усиления во всем рабочем диапазоне частот.
Современные твердотельные усилители (ТТУ) большой мощности имеют
коэффициент шума не более 10 дБ, что существенно ниже, чем у аналогичных
ЛБВ, поэтому при распределении усиления между ТТУ и ЛБВ необходимо
стремиться к снижению коэффициента усиления ЛБВ, т. e к увеличению
выходной мощносги ТТУ. Именно ‘поэтому корректор усиления целесообразнее
устанавливать до ТТУ и ЛБВ, а не между ними [7].
Все источники питания для широкополосных ЛБВ построены по схеме
преобразования частоты питающей сети, имеют стабилизированные источники
питании замедляющей системы, анода и коллектора- отвечают требованиям-
предъявляемым к соответствующей их применению аппаратуре по механическим
и климатическим воздействиям снабжены устройствами защиты и контроля.
Таблица 1.4-Параметры ЛБВ
Частота ГГцРвых
ВтКу, дБСоставГабаритные размеры мм
Maccа кгСеть0.8…220060ТТУ-коррекгор-
ЛБВ-ИПЛБВ – 1040х82х86
10
ИП- 700 х 300 х 350.
45200В
400 Гц1…2100054ТТУ-коррекгор-
ЛБВ-ИПЛБВ – 977х82х86
14
ИП- 790 х 320 х 370.
65200В
400 Гц2…440040Коррекгор-
ЛБВ-ИПЛБВ – 642х82х86
7
ИП- 700 х 330 х 350.
55200 В
400 Гц2…4100050ТТУ-коррекгор-
ЛБВ-ИПЛБВ –862х100х128
12
ИП- 700 х 330 х 350.
65200 В
400 Гц7…1110035ЛБВ-ИП545 X 125 х 195200В
400 Гц4…810040ЛБВ-ИП545 X 125 х 195200В
400Гц12…1810027ЛБВ-ИПЛБВ – D70х380
3
ИП 460х100х295
13200 В
400 Гц8…1810027 ЛБВ-ИП330х453х100
15200В
400Гц27…292040ЛБВ-ИПЛБВ –2 кг
ВИП- 15 кг220В 50 Гц
ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн
При переходе в миллиметровый диапазон конструктивно-технологические
проблемы создания ЛБВ pезко возрастают. Основная причина этого
-уменьшение поперечных размеров ВЧ пакета ЛБВ и соответственно диаметра
ее пролетного канала. что приводит к сложностям формирования и
сопровождения электронных пучков, получения эффективного взаимодействия
и необходимости решения проблем теплоотвода от спирали. Требование к
величинам магнитного поля для осуществления периодической фокусировки
электронного пучка малого диаметра заставляет уменьшать его первеанс ,
что приводит к снижению электронного КПД ЛБВ, чему способствует и
быстрый рост собственных распределенных потерь ЗС. Ограничения величины
выходной мощности ЛБВ миллиметрового диапазона связаны с проблемами
эффективного геплоотвода от элементов ЗС. Тепловые нагрузки при
продвижении в коротковолновую область возрастают вследствие увеличения
распределенных поттерь и токооседа-ния. а элементы, в которых выделяется
и по которым отводится тепло, становятся все миниатюрнее.
Для решения задач создания ЛБВ миллиметрового диапазона был проведен
комплекс конструкторско-технологических разработок. Основное внимание
было уделено решению тепловой задачи и разработке базовых конструкций
ЭОС. позволяющей транспортировать электронный пучок в пролетном канале,
диаметр которого составляет 0,6 мм при токе до 100 мА. Благодаря
созданной оригинальной конструкции МПФС достигнутое значение
токопрохождения составляет 98%.
Снижение собственных распределенных потерь в ЗС рассматривалось как
эффективный способ увеличения электронного КПД ЛБВ, с одной стороны, и
снижения тепловых нагрузок на спираль, с другой. Известно несколько
способов уменьшения потерь, но все они сводятся к использованию
материалов или покрытий с высокой электрической проводимостью.
Применение медной плющенки для изготовления спиралей предполагает
применение пайки ВЧ-пакета, которая является единственно возможным
способом закрепления спирали, изготовленной из такого неформоустойчивого
материала, как медь. Пайка одновременно обеспечивает почти идеальный
теплоотвод от спирали, что снижает ее температуру в рабочем режиме и,
следовательно, предотвращает дальнейший рост ВЧ-потерь при разогреве
спирали. Однако эксперименты показали, что ВЧ пакеты, изготовленные с
применением пайки, имеют большой разброс параметров из-за слабо
контролируемой величины галтелей образующихся в процессе пайки. Спирали,
изготовленные из молибдена или вольфрама с нанесенным покрытием из меди
или золота, также оказались малопригодны для использования из-за
непрочности покрытия. В результате проведенных исследований оказалось,
что наиболее технологичными оказались спирали, изготовленные из
полированной вольфрамовой плющенки. Полировка дает снижение ВЧ-потерь-
сравнимое с их снижением при использовании спиралей с покрытием. Для
снижения ВЧ-потерь и облегчения тепловой задачи в ВЧ пакете была
уменьшена диэлектрическая нагрузка за счет использования опорных
спиралей прямоугольной формы. Одновременно с работами, направленными на
снижение величины тепловых нагрузок за счет улучшения токопрохождения и
снижения потерь в ВЧ пакетах, был проведен комплекс работ по обеспечению
надежного закрепления ВЧ пакета в оболочках. В результате в качестве
базовых методов закрепления ВЧ пакетов в ЛБВ миллиметрового диапазона
используются метод холодного обжатия медной оболочки и метод
термообжатия. Оба метода обеспечивают хороший тепловой контакт
«стержень-оболочка», не уступающий паяному соединению.
Однако снижение тепловых сопротивлений только внутри ВЧ пакета
недостаточно для обеспечения надежной работы ЛБВ миллиметрового
диапазона. Необходимо решать и внешнюю тепловую задачу.
Разработаны базовые конструкции ЛБВ в миллиметровом диапазоне длин волн
с уровнем выходной мощности 10…50 Вт (рисунок 1).
Рисунок 1- Типичная АЧХ ЛБВ миллиметрового диапазона
Разработаны и производятся сверхширокополосных спиральных ЛБВ средней и
большой мощностей, а также комплексированных устройств на их основе.
Основные технические характеристики проанализированы с позиции их
взаимосвязи с особенностями конструкции и технологии изготовления.
Современный этап развития СВЧ-приборов такого класса, характеризующийся
успехами в области их миниатюризации и комплексирования совместно с
твердотельными устройствами , требует разработки новых
конструкторско-технологических работ, решений и подходов.
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО РЕАЛИЗАЦИИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ НА ЛБВ КА
ДИАПАЗОНА
2.1 Требования технического задания
Анализ современного состояния разработок ЛБВ миллиметрового
диапазона длин волн показал, что наиболее подходящее для проектируемого
усилителя является ЛБВ типа ТW-33-200 имеющая следующие параметры.
Требования технического задания.
1. Рабочий диапазон частот, ГГц 33 – 34;
2. Выходная импульсная мощность, Вт 200;
3. Входная мощность,мВт 75-100;
4. Ток катода импульсный,мА 12.
Определим максимальную среднюю мощность, потребляемую от первичной сети
ИП- 1 и ИП –2 по формуле:
Рср=Ри/(picscalex1000100090000038800000002001200000000000500000009020000
00000400000002010100050000000102ffffff00040000002e0118000500000031020100
0000050000000b0200000000050000000c02a00140011200000026060f001a00ffffffff
000010000000c0ffffff2600000000010000c60100000b00000026060f000c004d617468
547970650000500010000000fb0280fe0000000000009001010000020002001053796d62
6f6c0002040000002d01000008000000320a000110000100000068000a00000026060f00
0a00ffffffff01000000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc01020222
53797374656d00cc040000002d01010004000000f0010000030000000000*Q), (2.1)
где Ри –мощность потребляемая нагрузкой в импульсе,
picscalex100010009000003880000000200120000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c02a00140011200000026060f001a00ffffffff00001000
0000c0ffffff2600000000010000c60100000b00000026060f000c004d61746854797065
0000500010000000fb0280fe0000000000009001010000020002001053796d626f6c0002
040000002d01000008000000320a000110000100000068000a00000026060f000a00ffff
ffff01000000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc0102022253797374
656d00cc040000002d01010004000000f0010000030000000000- коэффициент
полезного действия вторичного источника питания,
Q -скважность.
Принимая
picscalex100010009000003880000000200120000000000050000000902000000000400
000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000500
00000b0200000000050000000c02a00140011200000026060f001a00ffffffff00001000
0000c0ffffff2600000000010000c60100000b00000026060f000c004d61746854797065
0000500010000000fb0280fe0000000000009001010000020002001053796d626f6c0002
040000002d01000008000000320a000110000100000068000a00000026060f000a00ffff
ffff01000000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc0102022253797374
656d00cc040000002d01010004000000f0010000030000000000=0,85, Q=12,
получим:
для ИП-1 Рср=300ВA;
для ИП-2 Рср=50ВА.
Таким образом, ИП-1 можно отнести к высоковольтным вторичным источникам
питания (ВВИП) средней мощности, а ИП-2 к ВВИП малой мощности.
Хотя деление ВВИП по мощности весьма условно, тем не менее принципы
построения и структура источников питания малой и средней мощности могут
существенно отличатся друг от друга в зависимости от электрических
требований и наличия необходимой элементной базы для построения
высоковольтной части ВВИП. При выборе структуры построения ВВИП наличие
необходимой элементной базы и необходимой технологии изготовления
высоковольтных узлов играет не последнюю роль. Дополнительные требования
к выбору структуры построения ВВИП обусловлены условиями эксплуатации и
конструктивно технологическими требованиями.
2.3 Анализ требований к импульсному модулятору для ЛБВ
Импульсный модулятор предназначен для формирования мощных
видеоимпульсов, управляющих напряжением на управляющем электроде ЛБВ.
Модулятор является сложным и ответственным устройством любого
передатчика и от его устойчивой работы зависит обеспечение ряда важных
характеристик блока.
Сформируем требования к модулятору.
Таблица 2.1 – Требования к модулятору
№/№ п/п П???р Значение параметраПримечания1 2341.Частота повторения
импульсов, Гц 80002.Длительность импульса, мкс123.Длительность переднего
фронта импульса, мкс0,14.Длительность заднего фронта импульса,
мкс=350B,
Iпри>=5A,
Io>=1,43A.
Ниже будет показано, что для обеспечения заданной надежности и с учетом
эксплуатационных требований диоды следует выбирать с некоторым запасом,
как по напряжению, так и по току.
Исходя из конструктивно-технологических соображений в большинстве
случаев целесообразнее использовать однофазный мост вместо дискретных
диодов. Сглаживающий фильтр, включенный на выход выпрямителя, выполняет
функцию сглаживания пульсаций переменного сетевого напряжения до
величины приемлемой для нормальной работы преобразователя напряжения.
Для ИП малой и средней мощности целесообразнее всего использовать
простой емкостной фильтр, состоящий из конденсаторов, удовлетворяющих
требованиям по прямому постоянному и импульсному напряжению, амплитуде
пульсаций переменного тока питающей частоты и пульсаций тока частоты
преобразования, которая составляет десятки килогерц, а с учетом высших
гармоник -сотни кГц. Конденсаторы фильтра должны иметь низкие потери на
высокой частоте (количественная характеристика
–tgpicscalex100010009000003880000000200120000000000050000000902000000000
400000002010100050000000102ffffff00040000002e011800050000003102010000000
50000000b0200000000050000000c02c00160011200000026060f001a00ffffffff00001
0000000c0ffffffc6ffffff20010000860100000b00000026060f000c004d61746854797
0650000300010000000fb0280fe0000000000009001010000020002001053796d626f6c0
002040000002d01000008000000320a600122000100000064000a00000026060f000a00f
fffffff01000000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc0102022253797
374656d00cc040000002d01010004000000f0010000030000000000), низкий
импеданс Z (эквивалентное сопротивление на высоких частотах, которое
учитывает активные потери и реактивное сопротивление эквивалентной
емкости и паразитной индуктивности, включенных последовательно).
Эквивалентная емкость и паразитная индуктивность образуют
последовательный резонансный контур частотой fр, причем конденсатор
эффективно может работать на частотах меньших fр. Эффективным способом
увеличения резонансной частоты и уменьшения потерь на высоких частотах
является параллельное подключение к электролитическому конденсатору
высокочастотных керамических или пленочных конденсаторы емкостью
0,1…1мкф, имеющих значительно большую резонансную частоту. Для снижения
величины активной составляющей эквивалентного сопротивления, и
паразитной индуктивности вместо одного конденсатора номинальной емкости
можно включить несколько параллельно включенных конденсаторов
аналогичного типа с суммарной емкостью, равной номинальной. При этом
эквивалентное активное сопротивление уменьшается в соответствующее число
раз, а следовательно уменьшается амплитуда переменной составляющей и
потери на проводимости. Для ключевых источников питания разработаны
специальные электролитические конденсаторы с малыми потерями на высоких
частотах, низким эквивалентным последовательным сопротивлением, с
большими значениями амплитуд пульсаций переменного тока.
Расчет величины конденсатора фильтра проводится по заданному
коэффициенту пульсаций (кпо1) выпрямленного напряжения на частоте
основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения. Для
двухполупериодного выпрямителя частота основной гармоники пульсаций
равна удвоенной частоте питающей сети т.е.
fп= 2*fc=100Гц. (3.6 )
где fc – частота питающей сети
Величина кпо1 определяется как: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 , ( 3.7 )
где U01 амплитуда первой гармоники пульсации напряжения
U0 –среднее значение выпрямленного напряжения.
Величина коэффициента пульсаций не задана, а является промежуточной
величиной, определяемой схемой управления (ШИМ-контроллером) и схемой
выходного каскада преобразователя напряжения. Фактически это означает,
что величина коэффициента пульсаций должны быть такой, чтобы обеспечить
нормальную работу преобразователя напряжения с выполнением требований по
допустимой амплитуде пульсаций на выходе высоковольтного источника и
суммарной стабильности выходного напряжения от воздействия всех
дестабилизирующих факторов. Неоправданное уменьшение коэффициента
пульсаций влечет за собой увеличение емкостей сглаживающего фильтра, а
следовательно увеличение габаритов, веса и стоимости устройства.
Приближенно величину емкости фильтра не заданной частоте можно
определить по инженерной формуле
C=picscalex1000100090000033b01000003001500000000000500000009020000000004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. (3.8)
где Iн – ток в нагрузке (среднее значение);
f – частота пульсаций;
U01 – амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения.
Типичные значения емкости конденсатора для мощностей 200-1000ВА,
составляет величину порядка 200мкф…1000мкф соответственно, при
постоянном напряжении 350…450Вольт. Выбор типа конденсаторов для
сглаживающего фильтра весьма широк, поэтому при выборе конденсаторов
следует главным образом обращать внимание на такие параметры, как низкое
эквивалентное сопротивление, малые потери на высоких частотах,
допустимые амплитуды пульсаций тока на основной частоте и на высоких
частотах. Кроме этого также следует обратить внимание на условия
эксплуатации, такие, как температура и давление окружающей среды, так
как электролитические конденсаторы весьма критичны к этим параметрам.
Заметим, что величина емкости, необходимая для обеспечения прохождения
высокочастотной составляющей тока преобразователя напряжения всегда
намного меньше той, которая требуется для обеспечения необходимых
пульсаций на частоте выпрямленного напряжения. Определяющее значение для
высокочастотных составляющих имеет правильный выбор типа конденсатора по
минимуму потерь на высоких частотах. В случае применения
электролитических конденсаторов рекомендуется параллельно подключать
высокочастотные керамические или пленочные конденсаторы емкостью
0,1…1мкф с низким значением
tgpicscalex1000100090000038800000002001200000000000500000009020000000004
00000002010100050000000102ffffff00040000002e0118000500000031020100000005
0000000b0200000000050000000c02c00160011200000026060f001a00ffffffff000010
000000c0ffffffc6ffffff20010000860100000b00000026060f000c004d617468547970
650000300010000000fb0280fe0000000000009001010000020002001053796d626f6c00
02040000002d01000008000000320a600122000100000064000a00000026060f000a00ff
ffffff01000000000010000000fb021000070000000000bc02000000cc01020222537973
74656d00cc040000002d01010004000000f0010000030000000000 и малой
собственной индуктивностью. Максимальная амплитуда пульсаций переменного
тока на частоте преобразования не должна превышать допустимого значения,
чтобы температура конденсатора в процессе эксплуатации при заданной
температуре окружающей среды не превышала допустимого значения. При этом
сумма постоянной и переменной составляющей, приложенной к конденсатору
не должна превышать номинального значения напряжения, на который
рассчитан конденсатор.
Мостовой преобразователь напряжения
При выборе структуры будем руководствоваться следующими требованиями:
-обеспечение максимально- достижимой надежности;
-обеспечение высокого к.п.д.;
-возможность внешней синхронизации преобразователя;
-наличие высоковольтного трансформатора
-возможность пробоев высокого напряжения в нагрузке, не связанных с
работой источника питания и в связи с этим способность источника
сохранять работоспособность и ограничивать мощность при возникновении
пробоев в нагрузке.
Преобразователь в целом состоит из схемы управления и выходного каскада.
Назначение выходного каскада – обеспечение необходимой выходной мощности
с высоким кпд и высокой надежностью
Для требуемой выходной мощности (300ВА), и с учетом вышеизложенных
требований, наиболее подходящей схемой для выходного каскада
преобразователя будет мостовая схема (рис. 3.4), которая имеет ряд
преимуществ:
-амплитуда переменного напряжения на выходе полного моста вдвое выше,
чем у полумостовой схемы, что благоприятно сказывается на конструкции
высоковольтного трансформатора (коэффициент трансформации уменьшается в
два раза, что снижает паразитную индуктивность. частично паразитную
емкость), и благоприятно сказывается на большинстве параметров
высоковольтной части ИП;
-мощность потерь как статических, так и динамических равномерно
распределяется между четырьмя транзисторами моста, что снижает
требования к транзисторам по рассеиваемой мощности по сравнению с
полумостовой схемой, а при применении таких же транзисторов повышается
запас по загрузке элементов, а следовательно повышается надежность;
Рисунок 3.5 – Cтруктурная схема управления ИП на ШИМ-контроллере Т1494.
-мостовая схема преобразователя позволяет простой заменой транзисторов
без переделки схемы управления увеличивать выходную мощность до
нескольких киловатт, что делает схему преобразователя унифицированной и
пригодной для многих применений;
-упрощается схема фильтра сетевого источника питания, ввиду отсутствия
необходимости иметь расщепленный источник питания со средней заземленной
точкой, необходимый для питания полумостовой схемы;
-при работе мостовой схемы с импульсами управления без паузы на нуле
упрощается фильтрация выпрямленного высокочастотного напряжения –
отпадает необходимость применения фильтрующих дросселей и снижаются
требования к выпрямительным высоковольтным диодам, так как выходное
напряжение пропорционально только числу витков вторичной обмотки и не
связано с колебаниями напряжения сети и тока нагрузки, т.е. с изменением
скважности.
Схема управления
Схема управления предназначена для управления выходным каскадом
преобразователя, для регулировки и стабилизации выходного напряжения,
формирования сигналов защиты от перегрузок по выходному напряжению и
току нагрузки, мягкого запуска преобразователя, индикации и контроля
работы ИП. В качестве схемы управления в настоящее время применяются
специализированные интегральные микросхемы ИС, так называемые ШИМ
контроллеры, выполняющие указанные выше функции. Для разрабатываемого ИП
ШИМ контроллер должен удовлетворять следующим требованиям: осуществлять
стандартную функцию преобразования аналог-ширина импульса, иметь
возможность осуществлять внешнюю синхронизацию, иметь двухтактный выход,
иметь входы для ввода сигналов обратной связи по напряжению и току,
входы для управления режимами включения и выключения и другие цепи.
Питание схемы управления в мощных и надежных ИП желательно осуществлять
от отдельного маломощного стабилизированного источника питания, не
связанного гальванически с цепями ВВИП (так называемое ”служебное
питание”).
Фирмы разработчики предоставляют большой выбор ШИМ-контроллеров, задача
разработчика выбрать наиболее удовлетворяющий всем требованиям
технического задания, с целью наименьшего привлечения дополнительных
элементов для выполнения необходимых функций.
Наиболее современные ШИМ –контроллеры. Кроме функций регулирования
напряжения выполняют также функции улучшения качества электропитания.
Примером современного комбинированного ШИМ-контроллера для применения в
источниках питания различного назначения является ИС TDA16888-новая
разработка фирмы Infineon Technologics (Siemens) в области источников
питания.
Интегральная схема (ИС) TDA16888 предназначена для новых поколений
источников питания с активной коррекцией коэффициента мощности (ККМ),
режимом ожидания и широким диапазоном входного напряжения
TDA16888 предназначена для управления двухступенчатой топологией
источника питания, включающей ККМ и ШИМ преобразователи. Внутренние
интеллектуальные управляющие ИС, синхронизируют работу ККМ и ШИМ
преобразователей, обладают большим количеством встроенных функций
управления и контроля, что позволяет минимизировать внешние соединения
без значительного ограничения гибкости разработки. ККМ преобразует
выпрямленное, несглаженное напряжение сети в регулируемое напряжение
промежуточной цепи. Потребляемый сетевой ток регулируется, так что его
кривая приближается к форме приложенного сетевого напряжения. Всегда
возможно питание постоянным напряжением. Второй ШИМ преобразователь
обеспечивает передачу напряжения и потенциальную развязку цепей. Для
преобразователя созданы хорошие постоянные условия работы благодаря
предварительному регулированию напряжения в промежуточной цепи. В режиме
ожидания, ШИМ преобразователь не активен. Топология двухкаскадного
преобразователя дает высокую гибкость в пределах предъявляемых
требований, мощности и КПД, а также высокий уровень надежности и
стойкости по отношению к колебаниям и скачкам питающего напряжения.
Это совершенное исполнение комбинированного контроллера оптимизировано,
чтобы обеспечить электромагнитную совместимость, уменьшить системные
затраты, реализовать схемные решения для широкого диапазона применений.
ИС разработана по правилам FMEA (эффективного анализа повреждений),
которые ставят условием, что простой сбой не должен приводить к
неконтролируемым выходам из строя и гарантировать риск от пожара.
В настоящее время производители электронных компонентов предлагают
разработчикам большой ассортимент активных и пассивных элементов.
Проблема разработчика выбрать компоненты, наиболее
Всю элементную базу для ВВИП можно разделить условно на две оптимально
удовлетворяющие требованиям на разрабатываемый прибор группы:
1) элементная база низковольтной части ИП, включая электронную часть
высокочастотного преобразователя;
2) элементная база высоковольтной части источника, включая
высоковольтный трансформатор преобразователя и высоковольтный
выпрямитель.
Разделение на две группы по критерию напряжения (низкое, высокое) не
случайно. При выборе элементной базы для низковольтной части ИП для
разработчика ВВИП предоставлен широкий спектр комплектующих изделий и
поэтому выбор конкретных компонентов, осуществляется, как правило, после
выбора структурной схемы низковольтной части ИП. Вариант структурной
схемы определяется техническими требованиями, такими как выходная
мощность, характер нагрузки, диапазон изменения входного напряжения,
требованиями стабильности и регулировки выходного напряжения и т.п.
Выбор элементной базы для низковольтной части ИП как правило не
представляет значительных трудностей.
Для высоковольтной части источника питания выбор элементной базы имеет
свои особенности, и часто структура построения схемы высоковольтной
части источника питания зависит от наличия и возможности применения тех
или иных высоковольтных компонентов, а именно высоковольтных
высокочастотных диодов, высоковольтных высокочастотных конденсаторов и
других высоковольтных компонент (резисторы, транзисторы и т.п.). Наличие
или отсутствие какого-либо высоковольтного элемента с необходимыми
параметрами может повлечь за собой изменение схемы высоковольтной части
ИП. От правильного выбора элементной базы зависит надежность источника
питания. Поэтому тщательный анализ и выбор элементной базы является
наиболее ответственным этапом проектирования высоковольтного источника
питания.
3.3 Основные схемы построения импульсных модуляторов
Целесообразно рассмотреть различные варианты построения модуляторов.
В практике разработки УМ применение находят два способа:
– формирование мощного импульса на потенциал земли, и затем передача его
на потенциал катода с помощью импульсного трансформатора, обмотки
которого изолированы на полный потенциал катода;
– модулирующий импульс формируется на высоком потенциале двумя ключами,
которые поочередно подключают сетку к источнику смещения или превышения
(так называемая схема “Тандем”), а запускающий импульс с помощью
различных развязывающих устройств передается на высокий потенциал. В
американской трактовке такую схему называют “плавающая платформа”, имея
ввиду что сетка ЛБВ и все с ней связанные
элементы “плавают” от потенциала смещенного до потенциала превышения.
На рисунке 3.6 приведены структурные схемы.
3.6 а) – вариант с импульсным трансформатором.
3.6 б) – вариант “плавающей платформы”.
А)
Б)
Рисунок 3.6 – Варианты импульсных модуляторов.
Ф – формирователь.
Тр – импульсный трансформатор.
Uсм – источник смещения.
Uпр – источник превышения.
РУ – развязывающее устройство.
К1 – ключ U+.
К2 – ключ U -.
ПМ – подмодулятор.
Модулятор на импульсном трансформаторе
Схема модулятора приведена на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 – Схема модулятора.
Импульс запуска поступает на вход мощного полевого транзистора. В цепи
стока включен повышающий импульсный трансформатор. Напряжение питания
полевого транзистора 300В. Во вторичной обмотке формируется импульс
амплитудой 1500 В. Диод D открывается и конденсатор Ср заряжается до
напряжения 1700 В. При открытом диоде на нагрузке напряжение 0.7 – 1 В.
После окончания импульса диод закрывается и отрицательное напряжение
емкости Ср перезаряжает входную емкость ЛБВ Свх до величины 1700 В. За
время между импульсами емкость Ср разряжается на 150 – 200 В, Однако при
напряжениях более 1500 В ЛБВ находится в закрытом состоянии. При
поступлении следующего импульса, конденсатор Свх разряжается, диод
открывается и конденсатор Свх разряжается , фиксирует напряжение на
уровне Uип. Резистор Rогр ограничивает ток заряда конденсатора Сн и
обеспечивает прохождение тока через диод в течение всей длительности
импульса. Макетирование схемы показало, что при использовании
трансформатора на ферритовом сердечнике площадь которого составляла 2
квадратных сантиметра, возможно формирование импульсов со скважностью
более 50. Уменьшение скважности приводит к увеличению постоянной
составляющей тока через трансформатор и нарушению режима его работы. Дя
обеспечения скважности 10 необходимо или устранить постоянную
составляющую тока, или увеличить размеры трансформатора.
Модулятор на ключах
Ключи выполняются на лампах и транзисторах.
В российских системах преимущественно используются ламповые ключи, тогда
как в зарубежных – почти исключительно транзисторные. Этому есть
объяснение.
В зарубежных ЛБВ электрод, называемый сеткой, таковой и является, т.е.
представляет собой ажурную мелкоструктурную конструкцию, создание
которой требует исключительно высоких технологий. Моделирующее
напряжение в такой системе составляет 3,5-4,5 % от Uзс. Это позволяет
использовать транзисторы умеренной высоковольтности. Некоторые
российские фирмы сеточные технологии освоили, другие идут более простым
и надежным путем: у них сетка представляет собой достаточно массивный
управляющий электрод с напряжением 7-7,5 % от Uзс, но зато не требующий
принятия серьезных защитных мер. Логическим продолжением такого подхода
является применение разработчиками передатчиков в качестве ключей
электровакуумных ламп, также очень стойких к различным нестационарным
процессам в блоке. Надо отметить, что “квазисеточные” направления
исповедуют разработчики, занятые созданием достаточно массовых систем
(тысячи бортов), и многолетний опыт реальной эксплуатации не отмечает
проблем с такими конструкциями.
В системах с высокой частотой повторения (сотни кГц) низковольтное
управление может оказаться предпочтительнее в силу квадратичной
зависимости энергии перезаряда паразитных емкостей от модулирующего
напряжения.
Вариант исполнения – по рисунку 3.6.б). В качестве ключей используются
модуляторные лампы. Конкретный тип лампы определяется в результате
расчета, но предварительно это будет либо тип, упоминающегося в разделе
2 лучевого триода, либо генераторный триод с плоской электродной
системой.
Развязывающее устройство выполняется по варианту “пичковый запуск”.
Функциональная схема модулятора приведена на рисунке 3.7. Работа схемы
ясна из пояснений к рисунку, отметим лишь, что к “плавающей платформе”
относятся: катод и сетка К1, анод К2, сетка ЛБВ, ТФ+, ИП+, вторичные
обмотки Тр1, накальная цепь К1. К этим элементам предъявляются
требования дополнительной электропрочности и малой емкости относительно
других элементов. Достоинством ламповых модуляторов является надежность
ламп при возникновение переходных процессов в высоковольтных цепях
питания. К недостаткам следует отнести большие значения паразитных
емкостей источников питания, необходимость создания цепей накала. Работа
ламп при перезаряде емкостей с сеточными токами затрудняет использование
импульсных трансформаторов для формирования управляющих импульсов
большой длительности, и требует применения усилителей на входе лампы.
1. В качестве ключей используются полевые транзисторы.
В настоящее время допустимые напряжения сток – исток полевых
транзисторов составляют 600 – 700 В. Поэтому в модуляторе необходимо
последовательное включение не менее трех транзисторов. Отсутствие токов
затвора упрощает формирование управляющего напряжения импульсным
трансформатором. Схема требует надежной защиты транзисторов при
возникновении переходных процессов в высоковольтных цепях источника
питания.
Применение волоконно-оптической линии при построении модулятора.
Волоконно-оптические линии связи находят свое применение в различных
областях науки и техники, так как обладают рядом достоинств;
широкополосностью, малыми габаритами и весом, помехоустойчивостью, не
подвержены электромагнитным влияниям. обладают возможностью
электрического разделения передающего и приемного оборудования.
Оптическая линия предназначена для управления высоковольтными ключами и
осуществляет оптическую развязку схемы управления и импульсных ключей,
предназначенных для формирования коротких высоковольтных импульсов.
Структурная схема оптической линии (рис.3.8) состоит из передающего
оптического модуля (ПОМ),оптического разветвителя (ОР) и 4-х приемных
оптических модулей (ПрОМ).
Рисунок 3.8 – Структурная схема оптической линии.
Сигнал управления подается на передающий оптический модуль, где
происходит преобразование электрического сигнала в оптический.
Рисунок 3.9 – Принципиальная схема передающего модуля
Принципиальная схема передающего модуля приведена на рисунке 3.9. Модуль
выполнен на основе светодиода фирмы Неw1еtt Расkard (HFBR-1412T),
который обеспечивает передачу в линию среднюю мощность-13дБм.Сигнал с
уровнем ТТЛ подается на микросхему типа 1554ЛИТ ( или другую подобного
типа), и затем с выход элементов D1.2…D1.4,через ограничивающие
резисторы и корректирующую цепочку под R4C1 подается на светодиод
который преобразует электротехнический сигнал в оптический.
Оптический сигнал подается в оптическом разветвителе, который
представляет собой четыре оконцованных разъемами типа FC волоконных
оптических световода с диаметром сердцевины 50 мкм, объединенных в однм
соединении типа FC. Таким образом от световода , который имеет
соеденитель типа FC, оптический сигнал вводится в четыре волоконных
световода и подается на фотодетекторы оптических приемных модулей
(ПрОМ).
Приемные оптические модули выполнены по однотипной схеме приведенной на
рисунке 3.10.
Рисунок 3.10 – Приемный оптический модуль.
В качестве фотодетектора использован p-i-n фотодиод.
Преобразованный p-i-n фотодиодом оптический модуль усиливается двумя
однотипными усилительными каскадами , выполненными на основе
операционных усилителей с токовой обратной связью типа АД8005 и низким
потреблением .
Во второй каскад введена нелинейная обратная связь, которая выполняет
функции АРУ при больших входных сигналах и выполнена на диодах с
барьером Шотки КД922А.
Далее сигнал формируется ключевым каскадом на транзисторе КТ371 и
инвертором микросхемы 15543ЛА3.
Оптическая шина имеет следующие параметры:
Длительность входного и выходного импульса – 100…30000 нс;
Фронт нарастания и спада входного импульса не более 10нс;
Время задержки выключения не более -20 нс;
Входные и выходные уровни соответствуют уровням ТТЛ;
Ток потребляемый приемной стороной – 470мкА;
Допустимая разность потенциала между передатчиком и приемником линии не
менее-50кВ.
4. Расчет электрический основных узлов источника питания
4.1 Расчет низковольтного трансформатора
Конструктивные параметры трансформаторов выбираются из условия
обеспечения допустимого падения напряжения на обмотках и допустимого
перегрева обмоток.
В диапазоне частот от 50 Гц до 10 кГц используются стали ,свыше 10 кГц –
фериты ,от 5 кГц до сотен килогерц – сплавы.
Трансформатор содержит две первичные полуобмотки ,на которые подается
напряжение U1 ,две выходные обмотки , с которых снимаются напряжения U2
и U3.
Частота принята равной 50 кГц.
Напряжение U1 на первичных полуобмотках определяется входным напряжением
источника электропитания и равно 132 В
Напряжения на второй и третьей обмотках заданы с учетом падения
напряжения на диодах выходных выпрямителей :U2 = 4В; U3 = 100В.
Токи второй и третьей обмоток заданы : I2 = 1.5A;I3 = 0.5 А .
Диапазон температур от –50 до +65 С.
Последовательность расчета
1. В???я ???? ???????
Р2= U2 / I2 + U3 / I3 = 4 • 1.5 + 100 • 0,5 = 56 В • А. (1)
2.Принимаем КПД трансформатора на базе статистических данных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 = 0,99.
Тогда входная мощность трансформатора
Р1 = Р2 /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= 56 / 0,99
= 56.56 В*А. (2)
3. Входной ток трансформатора
I1 = Р1 / U1 = 56.56 / 132 = 0.42 А. (3)
Округляем значение входного тока: I1 = 0.5 А.
4. По значениям входной мощности P1 = 56.56 В • А и частоты f = 50 кГц
выбираем из таблицы 4.2 типоразмер магнитопровода Ш12х15 марки
М2000НМ1-14. Образец записи в технической документации: «Сердечник
замкнутый М2000НМ1-14 ШГ2 х 15 ОЖО.707.140 ТУ».
Площадь поперечного сечения выбранного магнитопровода
Q = (12 х 15) мм = 1,8 см (4)
6. Площадь поперечного сечения провода обмотки определяется допустимой
плотностью тока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:
q = I /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 (5)
Для выбранного магнитопровода из таблицы 4.1 определяем допустимую
плотность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Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
