Конструкция лампы

Технічне завдання

Провести розрахунок електричних  параметрів, коливальної системи, зв'язку з навантаженням та зробити ескіз конструкції лампового підсилювача потужності НВЧ на радіолампі ГС-4В, що працює в безперервному режимі на потужність Р_к, частота роботи підсилювача складає 4 ГГц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зміст

Технічне завдання…………………………………………2

Вступ……………………………………………………….4

Розрахунково-пояснювальна записка……………………7

Додаток…………………………………………………...20

Висновок………………………………………………….21

Список використаної літератури………………………..22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

В діапазоні НВЧ застосовують лампові підсилювачі потужності, виконані на металокерамічних тріодах  і тетродах спеціальної конструкції. Вони мають плоскі електроди з  циліндричними виводами, індуктивність  яких мала. Виводи розділені кільцями із кераміки з малими втратами на НВЧ. Для зменшення інерційності відстань між електродами доведено до долів  міліметрів (максимум 1 мм) рис.1.

 

 

Рис.1 — Схема дискової металокерамічної лампи.

Ємності і індуктивності  ламп в підсилювачі потужності є  елементами зв'язку вхідного і вихідного кола узгодження. З ростом частоти ці зв'язки збільшуються, що може привести до втрати стійкості і самозбудження підсилювача потужності.

Підсилювачі на металокерамічних лампах здебільшого будують по схемі  із загальною сіткою.  При цьому  вхідне коло зв'язку вмикають між катодом і сіткою, а коло зв'язку з навантаженням – між анодом і сіткою.

В якості кіл зв'язку на НВЧ застосовують коливальні системи із розподіленими параметрами. З металокерамічними лампами добре з'єднуються об'ємні резонатори на відрізках коаксіальних ліній. Великий периметр, по якому протікають струми, відсутність діалектиків і мале випромінювання суттєво зменшують втрати в колах зв'язку, що дозволяє підвищити енергетичні показники підсилювача потужності.

Застосовують два види конструкції підсилювачів потужності: односторонню і двосторонню. В підсилювачі  з односторонньою конструкцією анодно-сітковий і катодно-сітковий контури розвернуті в одну сторону від лампи, в  двосторонній в різні. Одностороння конструкція доцільна на лампах з  примусовим повітряним охолодженням, у яких діаметр радіатора більший  виводу сітки і катода. Інколи такі підсилювачі застосовують і в  малопотужних каскадах на лампах без  радіаторів, коли потрібна періодична зміна ламп в процесі експлуатації.

В підсилювачі потужності односторонньої конструкції легко  виконати обдув анода, що дозволяє отримати від лампи велику вихідну потужність. В двосторонній конструкції не вдається забезпечити необхідний обдув анода, тому вона використовується в малопотужних підсилювачах.

В підсилювачах застосовують індуктивний, ємнісний і кондуктивний зв'язок з навантаженням. Анодний контур зв'язаний з навантаженням коаксіальним кабелем (фідером). При розрахунку елементів зв'язку припускаємо, що фідер узгоджений, тобто працює в режимі біжучої хвилі. Це можливо, якщо опір навантаження активний Z_н=R_н і рівний хвильовому опору фідера R_н=ω_н.

Мета розрахунку елементів  зв'язку полягає в тому, щоб знайти їх геометричні розміри і місцеположення в анодному контурі. Розміри елементів зв'язку повинні бути меншими довжини хвилі, щоб не порушувався розподіл поля вздовж лінії і не заважати переміщенню органів настроювання контура.

Індуктивний зв’язок виконується у вигляді петлі, якою закінчується внутрішній провід фідера, що іде до навантаження. Для зменшення розмірів петлі зв'язку її потрібно розміщувати в

пучності струму. Зв'язок регулюється поворотом петлі. Застосування індуктивного зв'язку майже не знижує електричну міцність контуру і тому її можна застосовувати в потужних підсилювачах.

У випадку ємнісного зв'язку внутрішній провід фідера переходить в штир, який закінчується пластинкою. Розміри пластинки мінімальні, якщо вона розміщена поблизу пучності напруги. Ємність можна регулювати переміщуючи пластинку. Застосування ємнісного зв’язку зменшує електричну міцність контуру і тому в потужних підсилювачах застосовувати її не завжди можна.

Кондуктивний зв'язок застосовується в вузько діапазонних підсилювачах, що працюють на фіксованій частоті, так як вона найбільш зручна для настроювання.

Для конструктивного розрахунку анодного контуру потрібно знати  розміри лампи (додаток 1). Ескіз анодного контуру односторонньої конструкції  наведено на рис.2.

 

 

Рис.2 –– Ескіз анодного контуру односторонньої конструкції.

Розрахунково-пояснювальна записка

                                    Вибір схеми

     Задано потужність Р_к і частота F, лампа ГС-4В

Параметри лампи такі: статичні параметри ( S_гр=0,04 мА/В; S=17 мА/В; D(D₁)=0,008%; С_ск=3 пФ; С_ас=1,8 пФ; С_ак=0,04 пФ; U_н=6,3 В; І_н=0,47 А),  граничнім величини: ( Е_аN=0,350 кВ; Р_а=15 Вт; Р_с1=0,4 Вт; f_max=4 ГГц; f=4,3 ГГц; Р_п=0,1 Вт ), відстань: ( d_ас=19.2^.10^-6 м; d_ск=14.1^.10^-6 м ). Вид лампи зображений на рис 3.

 

 

Рис 3.

Рис.3. Вид лампы ГС-4В

 Є схеми включення  із загальним анодом: коливальна  система двотактного генератора створюється міжелектродними ємностями лампи і еквівалентними індуктивностями короткозамкнених відрізків двопровідних ліній, які включаються між анодом і сіткою і між анодом і катодом ламп. Навантаження пов'язане з анодно-катодним контуром. Налаштування на максимальну потужність досягається регуляцією перемикача катодної лінії і регуляцією зв'язку з навантаженням. При налаштуванні АГ із загальним анодом частота коливань регулюється перемикачем сіткової лінії; із загальним катодом: із-за великої міжелектродної ємності лампи підсилювач не може мати значного коефіцієнта підсилення із загальною сіткою:  у цій схемі міжелектродна ємність лампи має високу стійкість за рахунок паралельного від’ємного зв'язку за струму, але недолік – незначне посилення за потужністю.

Судячи з цього вибираємо  схему із загальною сіткою, вихідний резонатор коаксіального типа, розташування резонаторів однобічне, тому що там  є примусове повітряне охолоджування, діаметр радіатора який більше діаметрів  виводів сітки і катода і якого  можна буде зняти і потім поміняти лампу у випадки несправності лампи. Зовнішній циліндр анодно-сіткового  резонатора заземляємо.

 

 

1. Розрахунок режима підсилення

1. Почнf. розрахунок з оцінки значення опору R_x

Задаємо _{= 400. То}ді R_{x кОм.}

2. Вибрав кут відсічки θ=90°, тому що ККД = максимум. α₀=0,32; α₁=0,5; α₂=0,212; γ=1,57.
3. Визначаю параметр

 h=₌

4. Вибираю напругу живлення Е_а. для h≤1, то Е_а обчислюється за формулою: Е_{а опт}= _ЕаN.

Е_{а опт}=_132,2 В. Вибрав Е_а = 140 В.

Визначив прольотний кут ψ_а = Для лампи n=0.

 ψ_а = = 0,5π.

5. Визначаю коефіцієнт

 ξ_гр=  ₌

 

ξ_опт= ≤ ξгр;

·

 

 

 

ξ_опт= <, то следовательно берем ξ=1.

6. Амплітуда зміної напруги між анодом і сіткою U_a.c         

U_a.c = ξ· Е_а  = 1·140 = 140 В.

7. Потужність, що втрачається в ненапруженій коливальній системі:

Р_кс =

8. Коливальна потужність, що віддається лампою:

Р= 0.8 Вт.

 

9. Амплітуда першої гармоніки анодного струму:

I_a1= ₌ 11,4 мА

10. Еквівалентний опір настроєного анодного резонатора:

R_на= = .

11. Ефективний коефіцієнт взаємодії на анодній ділянці:

β_а = ξ· – ξ²· = 0,94 – 1·0,28 – 1·0,13 = 0,53

12. Амплітуда першої гармоніки конвекціонного струму в площині керуючої сітки: I_рс.a1 = мА
13. Постійна складова анодного струму: I_a0 = ₌13.7 мА.
14. Потужність, що споживається від джерела анодної напруги:
15. Амплитуда керуючої напруги на сітці для θ = 90°:

U_у=

 

Знаходжу:

 

16. Зсув фаз між напругою на сітці і на коливальній системі:

где n = 0 и

1,25π.

17. Амплітуда зміної напруги на керуючій сітці: D₂ = 0.  
18. Напруга зміщення:

 

19. Постійна складова струму сітки:

  .

20. Потужність, що споживається від джерела постійного струму:

 

21. Потужність, що витрачається збуджуючим каскадом на розгон електронів, що надходять на анодну ділянку:

 

22. Потужність, що витрачається на розгін електронів, що відкидаються на катод, для θ = 90°:

 

23. Потужність, споживана від збуджуючого каскаду: .   
24. Коефіцєнт підсилення потужності: .

25.  Потужність, передавана збуджуючим каскадом в анодною ланцюг:
26. Частина цієї потужності, що передавана в анодну коливальну систему:

 

А розсіювана анодом лампи:

 

27. Потужність, виділена в колах сіток:

 

28. Потужність розсіювана сітками:

 

29. Потужність розсіювана анодом:

 

30. Потужність, що споживається підсилювачем що створює коливання в систему:

31. Електроний ККД анодной кола:
32. ККД анодной коливальной системи: .
33. Загальний ККД анодного кола підсилення: .
34. Вхідна активна провідність для лампи:

 g_вх =

35. Вхідна реактивна провідність:

 

36.  Активна провідність електронного навантаження, включена паралельно вихідному резистору: g_эа
37. Реактивна провідність електронного навантаження: b_эл.а

2. Розрахунок вихідної коливальної системи і ланцюга зв'язку з фідером

        Визначення  діаметрів циліндрів резонатора: вибираю діаметр радіатора лампи більше діаметру сітки D=23,4 мм. Внутрішній діаметр зовнішнього циліндра резонатора Dр = 38 мм. Зовнішній діаметр внутрішнього циліндра: d = 19 мм, товщина стінок 2 мм.   = < 2,8 см. Відношення діаметрів .

Еквівалентна  схема вихідної коливальної системи: W = D_a = 6,6 мм, D_к = 4,1 мм, D_с = 23,4 мм, l₁ = 6,6 мм,   l₂ = 5 мм, С_ас = 1,8 пФ, С = 0,48 пФ.

Розрахунок довжини  ділянки резонатора, що настроюється. Спочатку визначаю ємкості неоднородностей і їх провідність в перетині лампи: . Знаходжу:

   

     

 

З урахуванням ємностей неоднорідностей С = 0,48 пФ ємність .

Вихідна провідність лампи: , а а вихідний опір

 

Перерахую його до перерізу а – а:  , а з урахування провідності ємності неоднорідності: .

Перейду до визначення опору в перетині а – а ділянки резонатора довжиною l_∑. Параметр, що враховує часткове заповнення цієї лінії керамікою κ = . Здесь ;

Приведена довжина:

 

Хвильовий опір:

Х_э = .

 З урахування провідності  ємності неоднорідності: .

Опір ділянки резонатора, що настроюється:

Х_э = , где     W = 138·lg 

Опір налаштованої ділянки резонатора: С_с: .

Умова резонансної настройки записується:   звідси

 

А довжина: =

На довжині резонатора не можна розмістити елемент зв'язку з фідером і поршень налаштування. Тому збільшуємо довжину ділянки, що набудовується, на половину довжини хвилі, застосовуємо

 

 Розрахунок напруги на лініях і реактивних потужностей:   

Амплітуда напруги в перетині а – а на виходь лінії внутрішньолампової ділянки резонатора:  где . Тогда : 

Амплітуда напруги в перерізі а – а на не перебудовуваній ділянці резонатора: ,

а на перебудованій ділянці: .

На перебудованій ділянці резонатора амплитуда струму в пучності: =0,03 А.

Амплитуда напруженості в пучності:

Реактивна потужність електричного поля, що запасається в резонаторі. Вона складається з потужності, що запасається в ємкостях і лініях. Реактивна потужність, що запасається в ємкісному опорі.

 

що запасається в ємкостях неоднорідностях:

 

 

 

Реактивна потужність, що запасається  в лініях:                                                              

 где 

 где 

Повна реактивна потужність:

Параметри паралельного еквівалентного контура, приєднаного до точок анод – сітка ( до напруги ).

Характеристичний опір контура: .

Ємність контура:

Індуктивність контура:

Еквівалентний опір не навантаженого контура з добротністю, що задається 400:

Розрахунок кола зв’язку з фідером.

Вибираю зв'язок вихідного резонатора з коаксіальною лінією фідера ємкісною. Розташовую конденсатор на перебудовуваній ділянці резонатора в пучності напруги на відстань λ /4 від короткозамикающего поршня. Хай хвилевий опір фідера W_ф = 75 Ом, КБХ – к = 0,8. Реактивний опір зв’язку:    

 - опір зв’язку;

- індуктивний опір штиря на якому пересувається конденсатор зв'язку;

 і - активний и реактивний вхідний опір фідера;

Для експериментальних значень   = а активний опір:= Найменше значеня – есть . Задаємо розміри пластини конденсатора D_c =30 мм, товщина пластини h_c = 2 мм, діаметр штиря d_ш = 9 мм. Мінімальна відстань між пластиною конденсатора и внутрішнім циліндром резонатора: приймаємо Довжина штиря:

Індуктивність штиря:  _а опір штиря:

Тоді    

 

   А відстань між пластиною и внутрішнім циліндром:

 Розрахунок блокуючих елементів  

Ємкість блокувального конденсатора вибираю із співвідношень

, де - ємкість еквівалентного контура, розрахованого для перетину резонатора, в якому в якому розташований розділовий конденсатор. Розташовуємо його в пучності струму неперебудовуваної ділянки резонатора.

 

Характеристичний опір еквівалентного послідовного контура для цього перерізу:

Ємність контура: .

Ескіз  анодного контура  підсилювача потужності однобічної конструкції змальований в додатку 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновок

В ході виконання розрахунково-графічної  роботи мною було розраховано підсилювач НВЧ коливань, що працює на радіолампі ГС-4В в не перервному режимі. Було розраховано параметри коливальної системи. Було також розраховано хвильові опори контурів, активний і реактивний опори.

З можливих схем ввімкнення і конструкцій ввімкнення було обрано найоптимальнішу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список використаної літератури

 

1. Проектирование радиопередающих устройств\\

В.В.Шыгильдян., М «Связь»., 1976 г.

2.  Радиопередающие и радиоприемные устройства\\

Левичев В.Г., М «Связь»., 1974 г.

3.  Проектирование радиопередающих устройств СВЧ\\

Г.М.Уткин., М «Советское радио»., 1979 г.

4.  Пасивные и активные цепи СВЧ\\ Д.Ж.Хелзайн., М 

  «Радио и связь»., 1981 г.

5.  www.QRZ.ru