Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

9. Технический расчет контурных катушек переменной индуктивности коротковолновых передатчиков. Устройства генерирования и формирования радиосигналов

Устройства генерирования и формирования радиосигналов

9. Технический расчет контурных катушек переменной индуктивности коротковолновых передатчиков

9.1. Расчет цилиндрических спиральных катушек

9.2. Расчет числа витков и диаметра плоской спирали

Контурные катушки переменной индуктивности

В контурных системах современных коротковолновых передатчиков большое распространение нашли катушки переменной индуктивности в виде цилиндрических или плоских спиральных катушек с подвижными контактами, перемещающимися вдоль витков. Основными характеристиками катушек для колебательных контуров передатчиков являются индуктивность, электрическая прочность, добротность, величина собственной емкости и габариты. Такие катушки обеспечивают изменение индуктивности в широких пределах. Величина индуктивности катушек КВ-передатчиков обычно достигает нескольких десятков микрогенри. При рациональной компоновке аппаратуры начальная индуктивность катушки может быть весьма малой – десятые доли микрогенри. В частности, в двухтактной схеме катушку выполняют в виде двух соединенных последовательно встречнонамотанных полукатушек, разнесенных на расстояние, примерно равное расстоянию между осями генераторных ламп. Внутренние выводы полукатушек присоединяют к анодам ламп, а наружные соединяют накоротко, они имеют нулевой потенциал по высокой частоте (рис.9.1).

Рис 9.1 Катушки переменной индуктивности в двухтактной схеме.

Этим обеспечивается минимальная длина монтажных соединений, определяющих начальную индуктивность контура, и сокращение до минимума эффективной емкости катушки на землю, поскольку ее торцы, обращенные к экранам, не находятся под высокочастотным напряжением. Для того чтобы в закороченных (нерабочих) частях полукатушек не возникали резонансные явления, которые могут вызвать большие потери высокочастотной энергии, а также привести к уменьшению добротности катушки, применяются дополнительные замыкатели (это используется и в катушках контуров однотактных каскадов). У катушек мощных каскадов закорачивают каждый нерабочий виток спирали.

Число витков у катушек переменной индуктивности обычно не превышает 8-10 (у каждой полукатушки, если схема двухтактная). Это обусловлено прежде всего необходимостью ограничить величину емкости катушки на землю, а также ее габариты. Наибольшее сокращение габаритов получается при навивке спиралей из ленты (шины); если спираль цилиндрическая, производится навивка ленты "на ребро".

Провод намотки катушки

Для навивки спиралей катушек со скользящими контактами, работающих в каскадах мощностью более 2кВт, используются трубки квадратного и прямоугольного сечения. Конструкция контактной системы при этом более простая, а сама катушка получается более устойчивой и жесткой. Широкие медные ленты (шины) прямоугольного сечения применяются главным образом для навивки спиралей плоских катушек индуктивности каскадов мощностью до 5кВт. Цилиндрические катушки индуктивности, спирали которых навиты такой лентой, используются в каскадах мощностью не более 1 кВт. Из трубки круглого сечения навивают в основном катушки постоянной индуктивности, вариометры, а также катушки переменной индуктивности с короткозамкнутым витком.

Большое значение имеет чистота поверхности спирали, которая должна быть возможно более высокого класса. Плохая чистота поверхности приводит к ускоренному истиранию контактов токосъема и, как следствие, к возрастанию переходного сопротивления, уменьшению добротности контура и снижению надежности в эксплуатации (у передатчиков средней мощности переходное сопротивление составляет от 0,01 до 0,05 Ом). Кроме того, повышение чистоты поверхности уменьшает поверхностное сопротивление спирали, так как путь тока в проводнике с идеально ровной поверхностью короче, чем в проводнике с шероховатой поверхностью. Увеличение сопротивления становится заметным, когда высота микронеровностей соизмерима с глубиной проникновения тока в провод (у медного провода в диапазоне частот 1,5-30МГц глубина проникновения тока составляет 0,05- 0,01 мм).

При расчете катушек индуктивности исходными данными являются максимальная величина индуктивности , амплитуда переменного напряжения на катушке и эффективное значение тока через катушку. Как известно из теории поверхностного эффекта (скин–эффекта), сопротивтивление провода на высоких частотах следует рассчитывать не по его сечению, а по периметру. При этом необходимо учитывать реальные условия нагрева и теплоотдачи провода. Для расчета катушки вводят понятие перегрева провода , где - температура поверхности провода, a - температура окружающей среды. Обычно принимают 30-40,°С. Требуемый диаметр медного провода определяется по полуэмпирической формуле:

d= 0,18, (9.1)

где – эффективное значение высокочастотного тока через катушку, А; f – рабочая частота, Гц; τ – перегрев провода,°C; d - диаметр провода, мм. При использовании провода намотки другого профиля периметр провода определяется формулой:

р=0,18π ( 9. 1’)

Если периметр р < 10мм, то применяют провод сплошного сечения, при периметре р> 10 мм – провод трубчатый. В том случае, когда спираль охлаждается водой, требуемая величина периметра, рассчитанная по формуле ( 9. 1’), может быть уменьшена в два – три раза, поскольку водой отводится около 95% тепла. Однако водяное охлаждение катушек индуктивности возможно только в каскадах, где используются радиолампы с водяным охлаждением. При курсовом и дипломном проектировании можно руководствоваться сортаментами квадратных и прямоугольных труб из меди марок Ml и М2, приведенными в табл. 9.1 и 9.2, где а, b и s – размеры, показанные на риc.9.2. Стандартными значениями диаметра d проводов круглого сечения (рис.9.2) являются: 1; 1,12; 1,25, 1,4; 1,5; 1,68; 1,74; 1,81; 1,88; 1,95; 2,01; 2,26; 2,44; 2,63; 2,83; 3,05; 3,28; 3,53; 3,8; 4,1; 4,5; 4,8; 5,2 мм, и др. [3]

Рис.2. Квадратное, прямоугольное и круглое сечения медной трубы

Таблица 9.1

А, мм

10; 12

14; 16

18; 20

22; 25

28; 32; 36; 40

42; 45; 50

S, мм

1; 1,5

1; 1,5; 2; 2,5

1; 1,5; 2; 2,5

1,5; 2; 2,5; 3

1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5

1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5

Таблица 9.2

а, мм

b, мм

s, мм

130

65

2,5

160

80

2,5

180

85

3,0



9.1. Расчет цилиндрических спиральных катушек

Катушка индуктивности, как правило, находится внутри металлического шкафа. Как известно, наличие металлических масс в конструкции, где установлена, катушка, уменьшает ее индуктивность. Это может быть ориентировочно учтено, если увеличить расчетное значение индуктивности катушки на 10-20 %, т.е.

.

Минимальная индуктивность катушек, работающих в диапазоне волн 12–16м, обычно мала. В двухтактных схемах она определяется суммой индуктивностей проводников, соединяющих аноды ламп и внутренние выводы полукатушек, и индуктивностью короткозамыкателя при таком положении контактных систем, когда все витки катушки замкнуты (пунктирные линии на рис.9.1). Индуктивность проводников и короткозамыкателя можно рассчитать по формуле для одиночного провода. Однако, при ориентировочном расчете достаточно уменьшить исходное значение минимальной индуктивности на 20-30 %:

.

После того как по формуле ( 9. 1’) определен периметр р сечения провода намотки спирали, находят его диаметр d, если провод круглый, или ширину провода в направлении намотки b, если провод прямоугольный, либо а, если он квадратный (рис.9.2). Затем рассчитывают число витков спирали n при максимальной величине индуктивности . Для этого предварительно следует задать отношение D/1 (коэффициент формы), где D – средний диаметр витка спирали, l – длина намотки, и шаг намотки h (рис. 9.3).

Рис.9.3. Цилиндрическая спираль

При выборе отношения D/1 необходимо иметь в виду следующее. Наибольшую добротность при наименьшем расходе меди имеют катушки при отношении D/1 =2,5 – 3 и шаге h = (2–2,5)b, или (22,5)а, если провод квадратный. Однако при этом увеличивается объем, занимаемый катушкой, а также напряжение между витками. Возрастает и собственная емкость катушки, из-за которой увеличиваются потери энергии в катушке, и снижается ее добротность. Величина собственной емкости примерно пропорциональна диаметру катушки D. По этим причинам отношение D/1 принимают гораздо меньше оптимального, в большинстве случаев D/1 = 0,5 - 1,0.

Шаг намотки h определяется как требованиями электрической прочности, так и конструктивными соображениями: щетки подвижной контактной системы должны свободно проходить между витками спирали. Поэтому, например, при навивке спирали катушки из ленты малой толщины (b<3мм) "на ребро" следует принимать отношение h/b = 5–7. При навивке спирали трубкой для большинства коротковолновых катушек принимают h= (1,3 – l,5)b, если трубка прямоугольная, или h = (1,3 – l,5)d, если она круглая. В дальнейшем выбранный шаг намотки должен быть проверен на допустимый градиент напряжения между витками.

Число витков катушки n при длине намотки 1 > (0,3 - 0,4)D рассчитывают по формуле [3]:

n= , (9.2)

где , мкГн; h, мм. Далее рассчитывают длину намотки l=nh и диаметр спирали D. Диаметр цилиндрической катушки должен быть по крайней мере в 10 раз больше размера провода (шины, трубы) в радиальном направлении, т.е. значение D должно удовлетворять неравенству D10d или D10b, так как в противном случае трубку очень трудно наматывать.

Напряженность электрического поля Е между витками катушки определяют при наименьшем числе витков (но при n 1), когда величина Е наибольшая:

Еmax = В/мм. (9.3)

Для намотки на каркасах из твердого высокочастотного диэлектрика (керамические материалы, микалекс, фторопласт) допустимое напряжение на диэлектрика не должно превышать 250-300В/мм. Для бескаркасной намотки допустимая напряженность поля в воздухе 500-700В/мм. В передатчиках с амплитудной модуляцией величина , где – амплитуда переменного напряжения на катушке в режиме несущей частоты. Однако допустимо принимать , так как междувитковый пробой имеет тепловой характер (чем больше плотность газа, тем выше пробивное напряжение, а с повышением температуры плотность воздуха понижается).

Если напряженность электрического поля между витками превышает допустимое значение напряжения на поверхности диэлектрика (стержня, на котором укреплена катушка), но не превышает допустимого напряжения для воздуха, то к каждому из стержней крепление спирали производится через один или через два витка. При креплении через один виток напряженность поля на поверхности стержня определяется формулой:

E =, В/мм,

а при креплении через два витка:

E =, В/мм.

Здесь h и d – в мм.

Собственная емкость катушки индуктивности слагается из междувитковых емкостей и емкостей между отдельными частями катушки и выводами. Она является распределенной, но для удобства расчетов ее заменяют эквивалентной емкостью , подключенной параллельно катушке. Собственная емкость является причиной появления резонансов на частотах, близких собственным частотам катушки, так как на высоких частотах (например, на высших гармониках рабочих частот передатчика) катушка индуктивности представляет собой систему с распределенными постоянными. Величина собственной емкости зависит от конструкции и материала каркаса и от параметров намотки; чем больше шаг намотки и чем меньше ее диаметр, тем меньше собственная емкость. Однослойные цилиндрические катушки, у которых длина намотки не больше ее диаметра намотки, имеют собственную емкость, которая определяется формулой [3]:

С0= пФ.

Для однослойных катушек на керамических каркасах эта формула дает завышенное значение емкости : при h/b = 1,5 – до 50%, при h/b = 2 – до 30%. У катушек с большим шагом намотки , пФ = 0,5D, см, а у катушек с плотной намоткой , пФ = 1,5D, см.

На рис.9.4 показана конструкция цилиндрической спиральной катушки переменной индуктивности контурной системы однотактного каскада коротковолнового передатчика большой мощности. Катушка имеет сборный стержневой каркас 2, связанный двумя алюминиевыми кронштейнами 9. Намотка 1 выполнена из трубки прямоугольного сечения. Закрепление намотки на каркасе произведено через один виток. Подвижный токосъем 3 имеет две группы скользящих пружинных контактов, одна из которых контактирует с намоткой, а другая - со штангой. Пружинные контакты прикреплены к каретке токосъема винтами и могут быть заменены по истечении гарантированного срока службы, что существенно повышает эксплуатационную надежность токосъема.

Рис.9.4. Конструкция катушки переменной индуктивности.

Механизм принудительного хода токосъема совмещен с осью настройки и расположен в центре катушки. При вращении оси настройки приводится во вращение штанга 5, представляющая собой медную трубу с двумя продольными разрезами. Внутри штанги размещаются неподвижный винт 11 и гайка 21, а снаружи – токосъем 3. Гайка 12, штанга 5 и токосъем 3 связаны между собой двумя штифтами 13. Штифты проходят через отверстия в каретке токосъема, через пазы в штанге и входят в отверстия; высверленные в гайке. При вращении штанги токосъем, совершая вместе с ней вращательное движение, одновременно перемещается вдоль штанги. Штанга изолирована от корпуса высокочастотными дисковыми изоляторами 6 и 14. Изолятор 6 закреплен между торцом штанги и осью настройки и вращается вместе с ними. Изолятор 14 прикреплен неподвижно к кронштейну 9. К другому концу изолятора прикрепляется винт 11. Утолщение диэлектрика по наружному диаметру изолятора уменьшает неоднородность поля и повышает электрическую прочность. Неподвижный токосъем состоит из диска 7, соединенного со штангой, и контактных пружин 8, укрепленных на стержне каркаса с помощью хомута. Конец намотки соединяется с токосъемом 8. Согласование шага намотки с ходом винта 11 производится благодаря использованию многозаходной передачи.

Для повышения электрической прочности на стержнях каркаса установлены рассеивающие кольца 10, прилегающие к кронштейнам. В конструкции используются серебряные контакты 4.



9.2. Расчет числа витков и диаметра плоской спирали

Для расчёта плоских спиралей удобно пользоваться эмпирической формулой:

, мкГн

откуда число витков n равно

n=10,5, (9.4)

где и - соответственно минимальный и максимальный диаметры спирали (рис.9.5); h – шаг намотки спирали в мм, выбор которого был рассмотрен выше; n – число витков. Формула (9.3) справедлива при 0,2<<0,7. При < 0,2 и > 0,7 можно воспользоваться формулой:

L=6,28·10-3 ∙Dсрn2·[ln(4Dср/c )–0,5] , (9.5)

где с = h∙n, Dср=Dmin+(n – 1)·h.

Рис. 9.5. Плоская спираль.

В формуле (9.5) индуктивность L – в мкГн, а все линейные размеры – в см.

Обычно отношение Dmin/Dmax выбирают от 0,3 до 0,6. После определения числа витков n можно вычислить и , воспользовавшись уже выбранным отношением и формулой

Dmax= ,

или (9.6)

Dmin= .

Не следует делать 50 мм. Обычно = (10 – 20)∙h при навивке спирали из ленты и = (5 – 8)∙h при навивке из трубки. Невыполнение этих условий затрудняет навивку спирали и приводит к неоправданному увеличению габаритов.

Литература

1. «Проектирование радиопередатчиков» под ред. В.В. Шахгильдяна. М. «Радио и связь», 2000г., с .317.

2. Лапицкий Е. Г., Семенов А.М., Сосновкин Л. М. «Расчет диапозонных радиопередатчиков». Л., «Энергия», 1974., с.254.

3. Шумилин М. С. «Проектирование радиопередающих устройств». М. Связь, 1980г., с.119.

4. Финкельштейн Л.А. и Гиршман Г.Х. «Антенные контуры широкодиапазонных коротковолновых передатчиков». М.,Л., Госэнергоиздат, 1960г., с.82.

Устройства генерирования и формирования радиосигналов





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru