Главная       Продать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. дипломные работы > машиностроение
Название:
Разработка передатчика бортовой авиационной радиостанции диапазона 118-137 МГц

Тип: Дипломные работы
Категория: Тех. дипломные работы
Подкатегория: машиностроение

Цена:
0 руб



Подробное описание:

РЕФЕРАТ
Отчет 53 стр., 11 таблицы, 10 рисунков, 9 источников.
Радиопередатчик, модуль, оконечный каскад, предварительный каскад, высокочастотный тракт, усилитель, модулятор, усилитель мощности звуковой частоты, конвертор, мост деления, мост сложения, трансформатор, выходная фильтрующая система, цепь согласования.
Объектом исследования является выходной высокочастотный тракт радиопередатчика.
Цель работы – проектировка передатчика с высоким КПД и повышенной наработкой на отказ (надежности), разработка структурной и принципиальной схем.
Методы решения и результаты: оконечные каскады на полевых транзисторах, работаю в ключевом режиме, со стоковой модуляцией от усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) класса D, что в совокупности обеспечивает высокий КПД передатчика; повышенные требования к надежности достигается методом резервирования, т.е. сложения мощностей одинаковых модулей.
В процессе работы определен состав устройства и комплектующие элементы, требования к надежности и другим параметрам. Разработаны структурная и принципиальная схемы.

Содержание

Введение. Основные особенности бортовой аппаратуры.
Методы повышения надежности транзисторных передатчиков ………… 2
1 Разработка структурной схемы передатчика .….……………… ……… 6
2 Расчет выходной ступени передатчика .……………………… ………… 11
2.1 Расчет максимального режима генератора . …..…………………… 12
2.2 Расчет в режиме несущей и средней мощности …………………… 15
2.3 Расчет входной цепи ………………………………………………… 16
3 Расчет колебательной системы передатчика .…...………………… …… 19
3.1 Расчёт LC – контура для модуля выходной ступени ….…………… 19
3.2 Расчёт выходной фильтрующей системы …..……………………… 19
4 Расчет каскадов предварительного усиления …….……………….…… 23
5 Расчет модулятора……….………………………………………………… 24
6 Расчет цепей межкаскадной связи ……………………………………… 26
5.1 Расчет цепей согласования …. ……………………………………… 26
5.2 Расчет мостовых схем деления и сложения …..…………………… 27
7 Расчет надежности передатчика ………………………………………… 29
8 Безопасность жизнедеятельности …….………………………………… 34
8.1 Характеристика вредных факторов производственной среды …… 34
8.2 Эргономические требования к проектируемому устройству ……… 37
8.3 Электромагнитная безопасность …………………………………… 38
8.4. Пожарная безопасность ……………………………………………… 39
9 Технико-экономический анализ бортовых радиостанций гражданской авиации……………………………………………………………………… 42
Заключение…………………………………………………………………… 49
Приложение А (обязательное)
А.1 Структурная схема …………………………………………………… 50
А.2 Принципиальная схема ……………………………………………… 51
А.3 Иерархическая структура …………………………………………… 52
Приложение В (справочное)
Библиография ……. ……………………………………………………… 53


Введение. Основные особенности бортовой аппаратуры.
Методы повышения надежности транзисторных передатчиков


В гражданской авиации радиопередающие устройства используют для радиолокации, радионавигации и радиосвязи. Они работают в различных диапазонах частот и обеспечивают мощности от единиц ватт до мегаватт. Для радиосвязи используют два типа радиостанций: наземные и бортовые.
Самолетные радиостанции должны обеспечивать надежную и бесперебойную связь при различных погодных условиях и на различных широтах и высотах. Усилители на воздушном судне входят в состав радиоэлектронного оборудования, которое совместно с другими системами призвано решать задачи безопасности, регулярности и экономичности полётов. Оборудование связи позволяет обеспечивать диспетчерскую и бортовую связь на всех этапах полёта, предоставлять информацию в систему управления воздушным движением о бортовом номере, высоте полёта, остатке топлива и т.д., а также передавать сигналы бедствия при аварии на воздушном судне.
Основными бортовыми радиостанциями, применяемыми в гражданской авиации, являются: «Баклан–5», «Баклан–20», «Орлан–85СТ», работающими в УКВ диапазоне (118 ÷ 137 МГц) с амплитудной модуляцией (А3Е).
Гражданская авиационная радиопередающая аппаратура, выпускаемая ведущими мировыми производителями, строится исходя из следующих общих принципов:
- применение транзисторов в мощных выходных каскадах;
- модульный способ построения схем передатчика и суммирование мощностей отдельных модулей с помощью мостовых схем сложения;
- широкое использование интегральных микросхем в маломощных каскадах;
- применение широкополосных схем для построения выходной колебательной системы и использование широкополосных трансформаторов для согласования каскадов по сопротивлению.
Указанными принципами следует руководствоваться при выборе элементной базы и разработке структурой и принципиальной схемы передатчика.
Главными требованиями к передатчику радиостанции являются: высокий КПД и надежность, т.е. очень низкая вероятность отказов. Поскольку промышленный КПД передатчика определяется в основном КПД его оконечных устройств, то проблема во многом сводится к поиску методов энергетического совершенствования оконечных усилителей мощности (УМ), где, в свою очередь, основная часть потерь, как правило, связана с рассеянием мощности в электронных приборах (ЭП).
Радикальным способом решения задачи является применение в УМ ключевых режимов работы, когда ЭП практически находится попеременно только в двух состояниях - либо полностью открыт, либо закрыт, - что достигается увеличением амплитуды возбуждающего колебания. В идеальном случае, когда сопротивление ЭП в открытом состоянии стремится к нулю, а в закрытом - к бесконечности, и отсутствуют паразитные реактивности, мощность в нем вообще не рассеивается, поскольку в любой момент времени либо напряжение на ЭП, либо ток через него равны нулю. Таким образом, перевод УМ в ключевой режим позволяет повысить его КПД, а в отдельных случаях - и выходную мощность, так как последняя может быть ограничена в первую очередь именно рассеянием мощности в ЭП.
Ключевые УМ могут работать с колебаниями, имеющими постоянную амплитуду, например с частотной (ЧМ) или с широтно-импульсной (ШИМ) модуляцией, а также они пригодны для осуществления амплитудной модуляции (АМ) на выходном электроде ЭП. Колебания с изменяющейся во времени амплитудой в ключевых УМ усиливать невозможно, так как ЭП работает в режиме двустороннего ограничения по входу.
Сегодня технологии транзисторов позволяют строить ключевые каскады мощностью от единиц кВт в диапазонах НЧ и СЧ до сотен мВт в диапазоне СВЧ. При этом наиболее предпочтительными приборами являются МДПТ с коротким каналом, которые, хотя несколько уступают биполярным транзисторам (БТ) по частотным свойствам в силу больших межэлектродных емкостей, но зато имеют гораздо более высокое входное сопротивление и допускают работу при более существенном рассогласовании нагрузки УМ.
Главная идея перехода к ключевому режиму заключается в резком снижении мощности, рассеиваемой в ЭП, что позволяет существенно повысить КПД и надежность УМ, снизить его массу и габариты. Так как в любой момент времени мгновенное значение либо тока через ЭП, либо напряжения на выходе ЭП равно нулю, то КПД ключевого УМ теоретически может быть сколь угодно близок к 100%, тогда как, например, КПД УМ класса «В» принципиально не превосходит предела в 78,5 %.
Помимо того, ключевой режим работы УМ дает возможность уменьшить зависимость его характеристик от разброса параметров ЭП и от температуры окружающей среды.
Еще одним из факторов, влияющих на надежность УМ – это стабильный режим работы ЭП. Для устранения влияния температуры окружающей среды, детекторного эффекта и других дестабилизирующих факторов на режимы работы транзисторов проектируемых УМ используются различные схемы стабилизации этих режимов. Наиболее эффективными из них являются схемы эмиттерной и активной коллекторной стабилизации, применяемые в широкополосных усилителях, и схема стабилизации напряжения базового смещения, применяемая в полосовых усилителях.
Эмиттерная стабилизация рабочей точки транзистора применяется при разработке маломощных широкополосных каскадов. Это обусловлено необходимостью рассеивания большой мощности на резисторе стоящем в цепи эмиттера при создании мощных УМ. Кроме того, по правилам эксплуатации мощных транзисторов их эмиттеры должны быть заземлены.
Схема активной коллекторной стабилизации используется, как правило, при разработке мощных широкополосных радиопередающих устройств.
Схема стабилизации напряжения базового смещения транзисторов полосовых УМ используется для стабилизации угла отсечки при изменении уровня усиливаемого сигнала и температуры радиатора, на котором устанавливаются транзисторы усилителя. Кроме того, ее применение позволяет осуществлять линеаризацию начального участка амплитудной характеристики разрабатываемого усилителя.
Повышение надёжности передатчика можно достичь методом сложения мощностей одинаковых передающих модулей, причем при выходе из строя одного из или нескольких модулей передатчик остаётся работоспособным, повышается надежность работы, так как выход одного усилителя приводит лишь к снижению мощности в нагрузке, а не влечет за собой выход из строя всего передатчика.
Устройства сложения мощности, отдаваемой несколькими выходными каскадами, применяются при построении как широкополосных, так и полосовых радиопередающих устройств. Это широкополосные сумматоры на трансформаторах с ферритовым сердечником, сумматоры на коаксиальных отрезках линий передачи с симметричным входом и несимметричным выходом, кольцевые схемы сложения, трехдецибельные уравнительные мосты (направленные ответвители с коэффициентом ответвления мощности 0,5).
Схемные решения построения сумматоров на трансформаторах с ферритовым сердечником отличаются большим многообразием. Наибольшее распространение, как наиболее простой и удобный в использовании, получил синфазный согласованно-развязанный сумматор. Сумматор предназначен для сложения мощности в диапазоне метровых и дециметровых волн N однотипных широкополосных усилительных каскадов с выходной мощностью до нескольких сотен ватт. Достоинствами сумматора является взаимная развязка входов, широкая полоса рабочих частот, возможность независимой настройки усилительных каскадов, мощности которых складываются, без их отключения от сумматора. Наличие взаимной электрической развязки позволяет избавиться от неравномерности распределения нагрузки на отдельные усилители, вследствие чего выходная мощность всего устройства умножается в N раз в сравнении с мощностью одного усилителя.
Цель дипломной работы - разработка усилительного тракта передатчика бортовой радиостанции мощностью 50 Вт с амплитудной и частотной модуляцией при использовании рассмотренных ранее способов повышения надежности и КПД на базе типовой радиостанции ОВЧ диапазона (118 ÷ 137 МГц), применяемой в гражданской авиации.

1 Разработка структурной схемы передатчика

Значительную выходную мощность получают с помощью мостовых схем сложения мощности нескольких одинаковых каскадов – модулей. Что выполняется в виде нескольких модулей с последующим сложением мощности. Построение передатчиков по блочно-модульному принципу, помимо увеличения выходной мощности, повышает его надёжность, устойчивость работы усилительного тракта, стабильность характеристик передатчика в течение срока эксплуатации, позволяет унифицировать элементную базу передатчиков различного уровня мощности.
Мощность выходной ступени передатчика определяется величиной мощности в фидере (антенне) Ра=50Вт и коэффициентом полезного действия выходной колебательной системы ηвкс. С учетом КПД выходной колебательной системы ηвкс=(0,75…0,9) и устройства сложения мощностей ηсл.=(0,8…0,9) определим номинальную мощность выходной ступени:
(1.1)
По условиям эксплуатации обычно допускается снижение выходной мощности в два раза. Исходя из этого, можно определить необходимое число модулей N и мощность каждого из них. Если предполагается работа с понижением мощности до 50%, то:
(1.2)
Следовательно, достаточно, чтобы передатчик содержал четыре модуля N=4, проверяем:

Далее определим мощность каждого модуля (n):
(1.3)
Для увеличения КПД модуля используем коллекторную (стоковую) модуляцию в ключевом режиме. При заданном напряжении коллекторного (стокового) питания в ключевом режиме с транзистора можно снять в 2…3 раза большую мощность и при высоком КПД. Неоспоримым преимуществом биполярных транзисторов является их высокочастотность, поскольку благодаря меньшим напряжениям на коллекторе, чем на стоке, при тех же рабочих токах влияние выходной емкости в них существенно ниже. Но выбор биполярных транзисторов существенно усложнит межкаскадное согласование усилителей, т.к. выходное сопротивление предыдущего каскада значительно больше входного сопротивления следующей ступени на биполярном транзисторе. В этом отношении полевой транзистор предпочтительнее, т.к. имеет большее входное сопротивление.
В оконечных каскадах, при работе в ключевом режиме применяют только двухтактные схемы, в которых благодаря симметрии работы плеч поддерживается близкая к меандрам форма напряжения на стоках и достигается ослабление второй гармоники на минус (20…40) дБ.
Определим мощность одного транзистора двухтактного усилителя (n):
(1.4)
На частотах до 1300МГц мощность 35Вт на нагрузку при напряжении питания Ест=32В может отдать n-канальный транзистор с изолированным затвором, выполненный по D-MOS технологии BLF642 фирмы Philips [2]. Это напряжение требуется, однако, только в максимуме модуляции. Напряжение в цепи стока должно быть не более:
(1.5)
Выбираем напряжение питания Ест=12В.
Предельно допустимые электрические режимы транзистора BLF642:
Максимально допустимое постоянное
напряжение затвор-исток Uзи макс, В...….……………………………….. 11
Максимально допустимое постоянное
напряжение сток-исток Uси макс, В...….………………………………….. 65
Максимально допустимый постоянный ток стока Iс макс, А…………… 9
Верхняя частота рабочего диапазона f вд, МГц……..…………………. 1400
Диапазон рабочих температур, °С………………………………... (-65…+150)
Электрические параметры транзистора BLF642:
Начальный ток стока Iс.нач (Uси=32В, Uзи=0В), мкА……..…………… 1,4
Крутизна характеристики S (Iс=2,5A, Ucи=10В), А/В..………………… 3,3
Выходная мощность Рвых, Вт….………………………………………… 35
Коэффициент усиления по мощности КУР, дБ………………………… 18
Коэффициент полезного действия стока η, %………………………… 63
Справочные электропараметры BLF642:
Ток утечки затвора Iз.ут (Uси=0В, Uзи=±10В), мкА…..………………….. 0,05
Пороговое напряжение Uзи.отс (Iси=250мА), В..…………………… (1,5…2,5)
Сопротивление сток-исток в открытом состоянии
Rси.отк (Iс=1,75A, Uзи= Uзи.отс+3,75В), Ом….……………………………… 0,3
Входная емкость С11и (f=1МГц, Uп=32В), пФ…………………………… 39
Выходная емкость С22и (f=1МГц, Uп=32В), пФ…………………………. 15
Проходная емкость С12и (f=1МГц, Uп=32В), пФ………………………... 0,84
С учётом ключевого режима работы задаёмся коэффициентом усиления модуля по мощности Кр(n)=30.
При выборе транзистора для достижения оптимального ключевого режима, при заданной длительности τнас, должно выполняться одно из ограничений на максимальную частоту [1стр.125] fmax<(0,2…1,5)/2πfC22иRэк. Выразив Rси через Ес и Рн , получим:
(1.7)
Условие выполняется.
В качестве предоконечного каскада используем двухканальный тракт на транзисторных модулях. Это позволило существенно увеличить надёжность передатчика за счёт взаимного резервирования. Используем транзисторный модуль MAPM-020512-010C00 фирмы Tyco Electronics M/A-COM [3].
Содержащиеся в модулях оптимизированные цепи согласования по входу и выходу обеспечивают высокий КПД, низкий уровень гармоник и шума, устойчивость к самовозбуждению, стабильность и повторяемость параметров изделий. В транзисторном модуле данного типа предусмотрена возможность изменения усиления при изменении управляющего напряжения в пределах (0…10)В.
Электрические параметры MAPM-020512-010C00:
напряжение питания, В……...….………………………………………… 27
диапазон рабочей частоты, при Рвых=4Вт, МГц…….………………. (20…512)
усиление мощности, при VALC=10B , дБ…….…………………………… 22
выходная мощность, при VALC=10B, Вт………………………………… 7
коэффициент полезного действия, % ……..…..…….………………... 37
уровень четных гармоник, минус, дБ ………………………………… 15
уровень нечетных гармоник, минус, дБ ……..………………………… 25
входное и выходное сопротивление, Ом………..……………………… 50
напряжение управления усилением VALC, В……………………….…… (0…10)
неравномерность коэффициента усиления, при Рвых=4Вт, дБ.………… ±3
Предельно допустимые параметры MAPM-020512-010C00:
максимальное напряжение питания, В…….…………………………… 30
максимальный ток потребления, А………………………………………. 2,5
максимальная входная мощность, дБм…….…………………..…..…… 20
максимальная выходная мощность, Вт………………………………… 20
максимальный диапазон температур, 0С…………………………… (-40…+85)
Принимая во внимание КПД моста деления ηд=0,9, и что предполагается использовать один усилитель на два модуля, усилитель в максимальном режиме должен отдать:
(1.8)
Поскольку мощность возбудителя 0,062 Вт, требуемое усиление модуля составит Кр=1,29/0,062=21, или 13 дБм. А максимальное усиление модуля по справочным данным 20 дБм, т.е. с существенным запасом. Усиление модуля будем регулировать управляющим напряжением VALC=(0…10)В.
В качестве модулятора используем микросхему УМЗЧ класса D фирмы MPS MP7731[4]:
• выходная мощность 30Вт на нагрузку 4Ом, при питания 16В;
• малые шумы (190мкВ);
• частота переключения до 1МГц;
• КПД более 90%;
• однополярное напряжение питания (7,5…18) В;
• диапазон воспроизводимых частот 20 Гц…20 кГц.
• цепь подавления акустических щелчков включения/выключения;
• защита от перегрева и короткого замыкания;
• встроенные ключи;
• режимы Mute и Standby;
• температурный диапазон: (-40 …+85)°C;
• корпус TSSOP-20.

Он состоит из широтно-импульсного модулятора (ШИМ), включает также генератор треугольного напряжения. В каждый канал усилителя встроены по два выходных ключа на МДП-транзисторах, которые включены последовательно по питанию (полумост). УМЗЧ имеет два равноценных усилительных канала. Каналы работают в противофазе, а нагрузка подключена без разделительных конденсаторов между выходами этих каналов.
Следовательно, можно подавать раздельно модулирующие сигналы номинальной мощностью до 15Вт на каждый усилитель оконечного каскада. Пиковая выходная мощность микросхемы вдвое больше номинальной, поэтому предполагается использовать один модулятор на два оконечных модуля. Мощности модуляторов будет достаточно при питании от 12В.
На оконечный каскад, подается напряжение питания от источника DC-DC (EСТ=12B), и развязка по питанию достигается использованием активно-индуктивного сглаживающего фильтра, состоящего из дросселя Lдр, включаемого последовательно с нагрузкой. Т.к. напряжение смещения усилителей предоконечного каскада значительно ниже, чем напряжение источника DC-DC (VALC< ЕСТ) и ток потребления мал, то используем простой параметрический стабилизатор, состоящий из балластного резистора R и стабилитрона VD.
В качестве источника питания ЕСТ используем преобразователь DC-DC для монтажа на печатную плату JTM2024S12 компании XP Power [5]:
• Выходная мощность 40 Вт
• Диапазоны входных напряжений 18…36 В
• Встроенный П-образный фильтр на входе
• Выходное питающее напряжение с номинальным значением 12В
• Коэффициент полезного действия от 92%
• Частота преобразования 350 кГц
• Гальваническая развязка выходных цепей питания от шин источника входной электроэнергии – 1500 В
• Диапазон рабочих температур от -40 до +100°С
Сервисные функции: защита от короткого замыкания, перегрузки по току, защита от перегрева, внешняя обратная связь, дистанционное включение/выключение. Мощности преобразователя DC-DC JTM2024S12 достаточно на два на два выходных усилителя и один модулятор.
Структурная схема передатчика показана в приложении А1.

2 Расчет выходной ступени передатчика

Развитие нового класса твердотельных приборов – полевых транзисторов способствует все более широкому распространению их в мощных устройствах различного назначения, и в частности в ключевых генераторах.
Существуют два основных типа двухтактных резонансных ключевых генераторов (КГ), построенных по схеме генератора с переключением напряжения (ГПН) и генератора с переключением тока (ГПТ) (последовательного и параллельного инверторов). Мы будем применять тип генератора с переключением напряжения (КГПН), который обеспечивает высокую надежность работы транзисторов за счет ограничения напряжения на стоке напряжением источника питания.

Рисунок 2.1 – Принципиальная схема выходного модуля передатчика
На рисунке 2.1 приведена схема генератора с переключением напряжения с простейшей колебательной системой в виде последовательного LC – контура, на транзисторах одного типа проводимости при последовательном питании от источника напряжения Еп= 2Ес.
Двухтактный генератор с последовательным контуром на полевых транзисторах допускает реактивное рассогласование на входе колебательной системы вплоть до бесконечности. При этом на относительно низких частотах эпюры напряжений остаются близкими к меандрам, и сохраняется высокоэффективный ключевой режим работы транзисторов.
В данной схеме, за счет поочередного отпирания транзисторов, напряжение на их стоках приобретает форму близкую к прямоугольной. Этими колебаниями в нагрузочном контуре LCR, при достаточно высокой его добротности возбуждается гармонический ток iн. (рисунок 2.2). Полуволны тока iн поочередно протекают через транзисторы (iс), а остаточное напряжение на открытых транзисторах (с амплитудой еост) повторяет форму импульсов тока. Преимуществом схемы ГПН является также возможность возбуждения напряжением гармонической формы.

Рисунок 2.2 – Идеализированные временные диаграммы
последовательного резонансного инвертора

2.1 Расчет максимального режима генератора
В ключевых двухтактных генераторах с ростом частоты возрастает относительная доля коммутативных потерь.
Мощность коммутативных потерь транзистора [1(2.57)]:

(2.1)
где Есмакс – напряжение питания 24В;
Сси – значение выходной емкости определяется из паспортных данных на транзистор по формуле [1(2.58)]:
(2.2)

Коммутативные потери не превышают 10% от номинальной мощности.
Для двухтактных ключевых генераторов с последовательным резонансный контуром вспомогательные коэффициенты α, ν, χ [1(2.40)], зависят от длительности этапа насыщения, они характеризуют постоянную составляющую и первую гармонику относительно максимального значения.
Для одновременного достижения наибольших значений мощности Р1, КПД и Кр следует выбирать τнас=π. Соответствующие расчётные коэффициенты приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Расчётные коэффициенты
τнас α0=1/π α1=1/2 ν0=π/4 νm=π/2 χ0 χm χ1
1800 0,318 0,5 0,785 1,571 0 0 1

Максимальное напряжение на стоке [1(2.44а)]:
(2.3)
Условие выполняется.
Определим ограничения на номинальную мощность [1(2.42а)]:
(2.4)

(2.5)
Условие выполняется.
Электронный КПД c потерями на сопротивлении rнас [1(2.45)]:
(2.6)

Мощность, потребляемая от источника питания в номинальном режиме c потерями на сопротивлении rнас:
(2.7)
Мощность потерь на сопротивлении rнас транзистора [1(2.50)]:
(2.8)
Мощность транзистора, потребляемая от источника питания в номинальном режиме с учетом потерь на сопротивлении rнас и коммутативных потерь:
(2.9)
Электронный КПД при учете всех потерь :
(2.10)
Постоянная составляющая тока стока при номинальном сопротивлении нагрузки в максимальном режиме:
(2.11)
Значение тока стока не должно превышать предельно допустимого в максимальном режиме [1(2.49а)]:
(2.12)

Условие выполняется.
Первая гармоника тока стока:
(2.13)
Напряжение на стоке транзистора:
(2.14)
Эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи стока транзистора в номинальном режиме [1(2.61)]:
(2.15)

2.2 Расчет в режиме несущей и средней мощности

Для обеспечения высокой линейности модуляционной характеристики и получения высокого КПД, коэффициент модуляции должен быть не менее 85%. Согласно [6] проведем расчет основных параметров.
Мощность в режиме несущей частоты (режим молчания):
(2.16)
(2.17)
Мощность рассеяния:
(2.18)
В режиме несущей частоты (режим молчания) токи определяются исходя из линейности модуляционной характеристики:
(2.19)
(2.20)
Средняя мощность в режиме модуляции:
(2.21)
(2.22)
Средняя мощность рассеяния в режиме модуляции:
(2.23)
2.3 Расчет входной цепи.
Определяем параметры входной цепи в следующем порядке [1(стр.117)]:
Амплитуда напряжения на затворе (канале):
(2.24)
Напряжение смещения на затворе:
(2.25)
Максимальное напряжение на затворе:
(2.26)

Условие выполняется.
Амплитуда тока затвора [1(2.25)]:
(2.27)
(2.28)


Определим значения Lвх.ои, rвх.ои и Свх.ои в эквивалентной схеме входного сопротивления транзистора [1(2.26)]:
(2.29)
(2.30)

(2.31)
Резистивная и реактивная составляющие входного сопротивления [1(2.27)]:

(2.32)

Входная мощность:
(2.33)
Мощность, рассеиваемая на транзисторе:
(2.34)
Коэффициент усиления по мощности [1(2.20)]:
(2.35)
где Кр – требуемый коэффициент усиление
(2.36)
(2.37)
На частотах f < f* и f < f**, входное сопротивление транзистора можно считать емкостным и напряжение на затворе равно [1(2.29)]:
(2.38)

Рассчитаем балластный резистор Rдоп, в котором будет рассеиваться мощность предшествующей ступени:
(2.39)
где Рном(n-1) – мощность, которую отдаёт предшествующая ступень по структурной схеме на два модуля; ????д – КПД моста деления.

3 Расчет колебательной системы передатчика

3.1 Расчёт LC – контура для модуля выходной ступени.
При известном значении добротности нагруженного контура Qп.н.=(1,5…5) найдем волновое сопротивление контура (рисунок 2.1):
(3.1)
Найдем среднее геометрическое значение частоты:
(3.2)
Найдем значение элементов контура:
(3.3)
(3.4)
Сигнал на выходе усилителя содержит в своем спектре высшие гармонические составляющие, приводящие к внеполосным излучениям. В соответствии с требованиями ГОСТ, уровень любого побочного (внеполосного) радиоизлучения передатчиков с выходной мощностью более 25 Вт должен быть не менее чем на 60 дБ ниже максимального значения выходной мощности радиосигнала. Указанное требование достигается установкой на выходах усилителей мощности фильтрующих устройств, в качестве которых чаще всего используются фильтры Чебышева.
3.2 Расчёт выходной фильтрующей системы (ВФС)
Коэффициент перекрытия в диапазоне составляет:
(3.5)
В передатчиках с Кf =1,1…1,2 выходную фильтрующую систему можно выполнить в виде не перестраиваемого низкочастотного фильтра, состоящего из Г-, П- и Т-цепочек, которые хорошо обеспечивают фильтрацию высших гармоник.
В двухтактных ключевых генераторах с фильтровой нагрузкой наибольшей является 3-я гармоник, однако, из-за некоторой асимметрии работы транзисторов присутствует 2-я гармоника. Относительный уровень 2-й и 3-й гармоник напряжения можно оценивать как [1(3.52в)]:
(3.6)
Минимально допустимое затухание аф, которое должен обеспечивать фильтр в полосе задержания для 3-й гармоники:
(3.7)
При заданном затухании аф на частоте fг3 минимальные потери достигаются при оптимальном числе mопт L- и C-элементов [1(3.43)]:
(3.8)
Определим значение Rэк колебательной системы, равное общему выходному сопротивлению четырёх модулей:
(3.9)
Выбор первого элемента параллельного конденсатора C1 или последовательной индуктивности L1 определяется схемой генератора. Для двухтактного ключевого генератора с последовательным контуром первой должна быть индуктивность L1 (рисунок 3.1).

Рисунок 3.1 – Фильтр низкой частоты пятого порядка
Расчеты LC-элементы ВФС по методике [1§3.2]. На рисунке 3.2 показана схема ВФС из последовательно соединенных двух Т-цепочек.

Рисунок 3.2 – Схема ВФС для расчёта LC-элементов
Каждую Т-цепочку представим последовательным соединением двух Г-цепочек, трансформирующих нагрузочное сопротивление последовательно Rн в R0, а затем R0 в R*н и т.д. [1табл.3.1]:
(3.10)
(3.11)
(3.12)
(3.13)
(3.14)
(3.15)


(3.16)

При работе в узком диапазоне эффективным способом фильтрации высших гармоник является включение дополнительных LC-контуров, настроенных на ту или иную n-гармонику. Вместо одной из параллельных емкостей установим последовательный LC-контур, настроенный на 3-ю гармонику (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Схема ВФС с дополнительной LC-цепочкой
Рассчитаем дополнительный контур [1(3.48б)]:
(3.17)
(3.18)
Определение КПД выходной фильтрующей системы
Найдем КПД для каждой из двух Т-цепочек, приняв добротность катушек QL равной 30 [1табл.3.1]:
(3.19)
(3.20)


4 Расчет каскадов предварительного усиления

Каскад предварительного усиления построен на высокочастотном монолитном транзисторном модуле MAPM-020512-010C00 фирмы Tyco Electronics M/A-COM [3]. В модуле оптимизированные цепи согласования по входу и выходу. Микросхема представляет собой законченное и отлаженное устройство.
Рассчитаем мощность потребляемую каскадом в максимальном режиме (передачи) от бортовой сети UБС=27В.
(4.1)
где ????тм – КПД транзисторного модуля.
В транзисторном модуле данного типа предусмотрена возможность изменения усиления при изменении управляющего напряжения UGG в пределах (0…10)В. Напряжение смещения усилителей предоконечного каскада значительно ниже, чем напряжение источника DC-DC UDC=12В и ток потребления мал, то используем простой параметрический стабилизатор, состоящий из балластного резистора Rст и стабилитрона VD. Примем UGG=(0…6,2)В и используем построечный резистор Rд=20кОм. При использовании маломощных стабилитронов ток нагрузки не должен превышать (20÷30) мА. Выбираем отечественный стабилитрон 2С162А: UСТ.НОМ.=6,2В; IСТ.НОМ.=10 мА; РМАКС=150мВт.

Рисунок 4.1 – Схема управления питанием смещения
Найдем значение резистора Rст:
(4.2)
(4.3)

5 Расчет модулятора

Номинальная мощность УМЗЧ на микросхеме MP7731 составляет 30 Вт. Диапазон воспроизводимых частот 20 Гц….20 кГц. Напряжение питания 12В. В микросхему встроены четыре выходных ключа на МДП-транзисторах, которые включены мостом. Особенностью монофонических мостовых УМЗЧ является то, что они имеют два, как правило, равноценных усилительных канала с выходными ключами, которые включены полумостом. То есть микросхема MP7731 содержит два канала. Каналы работают в противофазе, а постоянное напряжение на каждом из выводов выхода равно половине напряжения питания. Для противофазного управления обычно используется включение каналов методом «ведущий – ведомый», т.е. оба усилителя включены по входному сигналу последовательно. Для такого включения оба канала должны быть инвертирующими усилителями. Сигнал на второй канал поступает с выхода первого через делитель или ограничивающий резистор. Типовая принципиальная схема УМЗЧ класса D на микросхеме MP7731 изображена на рисунок 5.1.

Рисунок 5.1 – Типовая схема включения MP7731
Разберёмся в назначении деталей УМЗЧ на микросхеме MP7731 по схеме. Напряжение смещения на неивертирующих входах обоих каналов, равное половине напряжения питания, формируется делителем R22, R21. Конденсатор C38 шунтирует эти выводы по переменному напряжению, а конденсаторы C37 и C46 задают частоты ШИМ преобразования 1-го и 2-го каналов соответственно. Эти конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к выводам, возле которых они нарисованы на схеме. С40 – конденсатор фильтра питания, а C41 и C42 –развязывающие конденсаторы, которые также надо располагать как можно ближе к выводам, возле которых они нарисованы.
Входной сигнал поступает на инвертирующий вход канала 1 через разделительный конденсатор C44 и ограничивающий резистор R23. Коэффициент усиления по напряжению канала 1 микросхемы определяется соотношением сопротивлений резисторов цепи ООС R20 и R23, а канала 2 – соотношением R24 и R25. Конденсатор C43 – это конденсатор вольтодобавки канала 1, а C39 – конденсатор вольтодобавки канала 2. Они повышают КПД усилителя. Параллельно этим конденсаторам подключены стабилитроны D8 и D7 с напряжением стабилизации 6,2В.
Усиленный выходной сигнал звука выделяется в ФНЧ на выходах каналов 1 (L6, C49) и 2 (L5, C48). ФНЧ подавляют высокочастотные импульсные составляющие ШИМ-сигнала на выходах микросхемы и не пропускают их в нагрузку. Диоды Шоттки D9, D10 гасят индукционные токи и выбросы ЭДС, возникающие в катушках L5 и L6 в моменты переключения выходных ключей, когда все они запираются. Эти катушки должны быть рассчитаны на номинальный ток 2,6А.
Каждый из каналов имеет свой вход разрешения EN1 и EN2. При низком уровне напряжения на этих выводах микросхема будет находиться в дежурном режиме, а при высоком – в рабочем.
Микросхема представляет собой законченное и отлаженное устройство.

6 Расчет цепей межкаскадной связи

6.1 Расчет цепей согласования.
Для оптимальной работы передатчика выходное сопротивление предыдущего каскада должно быть согласовано с входным сопротивлением последующего каскада.
В качестве возбудителя предполагается использовать блок возбуждения радиостанции Орлан-85СТ, его выходное сопротивление Rвозб=50 Ом. Для согласования блока возбуждения радиостанции с мостом деления мощности применим трансформатора Т1.

Рисунок 6.1 – Трансформатор согласования
Коэффициент трансформации N определяем при Rвх=50 и Rвых=100:
(6.1)
Согласуем второй моста деления с каскадом оконечного усилителя. Т.к. коэффициент перекрытия в диапазоне Kf < 1,2, то входную цепь каскада можно выполнить как цепь согласования на средней частоте. Для этого используем Г-цепочку (рисунок 5.2).

Рисунок 6.2 – Цепь согласования
Выходное сопротивление второго моста деления равно:

Входное сопротивление каскада состоит из выходного сопротивления транзистора rвх и шунтирующего дополнительного сопротивления Rдоп. Тогда входное сопротивление узла равно:
(6.2)
Найдем значения ёмкости и индуктивности [1табл.3.1]:
(6.3)
(6.4)


Найдем КПД для Г-цепочки, приняв добротность катушки QL=30:
(6.5)
6.2 Расчет мостовых схем деления и сложения.
Используем мостовые схемы на трансформаторах с магнитной связью между обмотками и коэффициентом трансформации 1:1 (рисунок 6.3).
Рассчитаем сопротивление балластной нагрузки моста первого моста деления (рисунок 6.3б):

Рассчитаем сопротивление балластной нагрузки моста второго моста деления:

Рассчитаем сопротивление балластной нагрузки моста сложения (рисунок 6.3а). Входные сопротивления R и балластные сопротивления Rб, равны эквивалентному сопротивлению в цепи стока транзистора Rэк1=11,3 Ом.


Рисунок 6.3 – Трансформаторные мосты сложения а)
и деления б) мощностей
В номинальном режиме на Rб мощность не рассеивается. При отклонениях от него на Rб начинает рассеиваться часть мощности генераторов, причем наихудший режим, когда не работают три генератора из четырех и на Rб выделяется наибольшая мощность.
Принципиальная схема передатчика показана в приложении А2.

7 Расчет надежности передатчика

Для расчёта надёжности передатчика воспользуемся составленной принципиальной схемой передатчика (приложение А1).
Надежность передатчика определяется надежностью его элементов и их числом m [1(1.4)]:
(7.1)
где λэлi – интенсивность отказа элемента i с учётом условий его работы в передатчике;
То – время наработки на отказ.
(7.2)
где λо – интенсивность отказов элементов выходного каскада;
λпредв – интенсивность отказов элементов предвыходного каскада;
λц.с. – интенсивность отказов элементов цепей согласования;
λм.д. – интенсивность отказов элементов мостов деления;
λм.с. – интенсивность отказов элементов мостов сложения;
λм – интенсивность отказов элементов модулятора;
λк – интенсивность отказов элементов конвертора напряжения;
λвфс – интенсивность отказов элементов ВФС.
Все расчёты проводим согласно данным таблицы 1.19 [1].
Расчет интенсивности отказов предвыходного каскада.
В предвыходном каскаде содержится:
микросхем – 1 λмикр = 0,1∙10-6 1/ч;
резисторов – 2 λр = 0,01∙10-6 1/ч;
дросселей – 1 λдр = 0,2∙10-6 1/ч;
конденсаторов – 1 λконд = 0,01∙10-6 1/ч;
диодов – 1 λд = 0,05∙10-6 1/ч.
λ1предв = λмикр + 2∙λр + λдр + λд =
= 0,1∙10-6 + 2∙0,01∙10-6 + 0,01∙10-6 + 0,2∙10-6 + 0,05∙10-6 = 0,38∙10-6 1/ч.
Расчет интенсивности отказов цепи согласования.
В цепи согласования содержится:
трансформаторов – 1 λтр = 0,05∙10-6 1/ч.
λц.с. = λтр = 0,05∙10-6 1/ч.
Расчет интенсивности отказов моста деления.
В мосту деления содержится:
трансформаторов – 2 λтр = 0,05∙10-6 1/ч;
резисторов – 1 λр = 0,01∙10-6 1/ч.
λм.д. = 2∙λтр + λр = 2∙0,05∙10-6 + 0,01∙10-6 = 0,11∙10-6 1/ч.
Расчет интенсивности отказов моста сложения.
В мосту сложения содержится:
трансформаторов – 5 λтр = 0,05∙10-6 1/ч;
резисторов – 4 λр = 0,01∙10-6 1/ч.
λм.с. = 5∙λтр +4∙λр = 5∙0,05∙10-6 + 4∙0,01∙10-6 = 0,29∙10-6 1/ч.
Расчет интенсивности отказов модулятора.
В модуляторе содержится:
резисторов – 6 λр = 0,01∙10-6 1/ч;
микросхем – 1 λмикр = 0,1∙10-6 1/ч;
диодов – 4 λд = 0,05∙10-6 1/ч;
конденсаторов – 16 λконд = 0,01∙10-6 1/ч;
катушек – 2 λкат = 0,1∙10-6 1/ч.
λ1м. = 6∙λр + λмикр + 4∙λд + 16∙λконд + 2∙λкат =
= 6∙0,01∙10-6 + 0,1∙10-6 + 4∙0,05∙10-6 +16∙0,01∙10-6 + 2∙0,1∙10-6 = 0,72∙10-6 1/ч.
Расчет интенсивности отказов конвертора напряжения.
В конверторе напряжения содержится:
микросхем – 1 λмикр = 0,1∙10-6 1/ч;
дросселей – 1 λдр = 0,2∙10-6 1/ч;
резисторов – 2 λр = 0,01∙10-6 1/ч.
λ1к = λмикр +2∙ λр = 0,1∙10-6 + 0,2∙10-6 + 2∙0,01∙10-6 = 0,32∙10-6 1/ч.
Расчет интенсивности отказов ВФС.
В ВФС содержится:
конденсаторов – 2 λконд = 0,01∙10-6 1/ч;
катушек – 4 λкат = 0,1∙10-6 1/ч.
λвфс = 2∙ λконд + 4∙λконд = 2∙0,01∙10-6 + 4∙0,1∙10-6 = 0,42∙10-6 1/ч.
Расчет интенсивности отказов оконечного модуля.
В оконечном модуле содержится:
транзисторов – 2 λтр = 0,35∙10-6 1/ч;
резисторов – 2 λр = 0,01∙10-6 1/ч;
дросселей – 1 λдр = 0,2∙10-6 1/ч;
конденсаторов – 4 λконд = 0,01∙10-6 1/ч;
катушек – 3 λкат = 0,1∙10-6 1/ч.
λ1о = 2∙λтр + 2∙λр + λдр + 4∙λконд + 3∙λкат =
= 2∙0,35∙10-6 + 2∙0,01∙10-6 + 0,2∙10-6 + 4∙0,01∙10-6 + 3∙0,1∙10-6 = 1,26∙10-6 1/ч.
Расчёт надёжности выходного каскада (4 модуля).
Вероятность безотказной работы модуля [6(11.4)]:
(7.3)
Вероятностью отказа работы выходного каскада будем считать отказ двух и более модулей. Вероятность безотказной работы выходного каскада равна [6(11.21)]:
(7.4)
Вероятность безотказной работы за время, равное его среднему времени безотказной работы равна:


Решая данное уравнение с учётом того, что рг не может быть больше единицы, получаем:

Найдём интенсивности отказов выходного каскада:



По аналогии рассчитаем интенсивности отказов модуляторов:


Рассчитаем интенсивности отказов предвыходных каскадов:


Рассчитаем интенсивности отказов конверторов:


Рассчитаем наработку передатчика на отказ (7.1) с учётом коэффициента эксплуатации для авиационной аппаратуры kэ = 60… 80 [6].


8 Безопасность жизнедеятельности

8.1 Характеристика вредных факторов производственной среды
8.1.1 Биологическое воздействие опасных и вредных веществ находящихся в воздухе рабочей зоны
В связи с незначительным объемом производства, а также учитывая форму и размеры печатного узла, количество радиоэлементов на печатной плате устройства, при изготовлении данного блока целесообразно применять ручную пайку. А для обеспечения электробезопасности необходимо применить электропаяльник мощностью 20-40Вт при напряжении питания 36В. Пайку печатных плат нужно производить припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Химический состав этого припоя приведён в таблице 8.1.
Таблица 8.1 – Химический состав низкотемпературных припоев

Марка припоя Олово Свинец Висмут Примеси
ПОС-61 60-62% 37,7 –39,7% нет 0,29%

Пайка в атмосфере обычными припоями производится, обычно, с применением флюсов. В качестве флюсов применяются канифоль, стеарин, их спиртовые растворы, а также флюсы, содержащие солянокислый гидразин. Для пайки выше вышеперечисленными низкотемпературными припоями применим наиболее распространённый и дешёвый смолосодержащий флюс марки ФКСП по ОСТ4.ГО.033.000.
Состав флюса:
- 70-60% сосновой канифоли.
- 30-40% спирта этилового.
В качестве моющего средства для удаления остатков флюса применим смесь бензина и этилового спирта в соотношении 1:1. Потенциально опасные и вредные производственные факторы при пайке:
- запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны;
- наличие инфракрасных излучений;
- неудовлетворительная освещенность рабочих мест или повышенная яркость;
- неудовлетворительные метеорологические условия в рабочей зоне;
- воздействия брызг и капель расплавленного припоя;
- возможное поражение электрическим током;
- психофизиологические перегрузки.
Процессы пайки сопровождаются загрязнением воздушной среды аэрозолями припоя, флюса, парами различных жидкостей, применяемых для флюса, смывки и растворения лаков. Находясь в запыленной атмосфере, рабочие подвергаются воздействию пыли и паров. Вредные вещества оседают на кожном покрове, попадают на слизистые оболочки полости рта, глаз, верхних дыхательных путей, заглатываются в пищеварительный тракт, вдыхаются в лёгкие.
Особенно вредны при пайке оловянно-свинцовыми припоями пары свинца. Свинец и его соединения ядовиты. Часть поступившего в организм свинца выводится из него через кишечник и почки, а часть задерживается в костном веществе, мышцах, печени. При неблагоприятных условиях свинец начинает циркулировать в крови, вызывая явления свинцового отравления. Для предотвращения острых заболеваний и профессиональных заболеваний содержание свинца не должно превышать предельно допустимых концентраций. Биологическое действие и предельно допустимые концентрации компонентов входящих в состав используемых припоев приведены в таблицы 8.2. Применение флюсов при пайке также оказывает вредное влияние на организм человека. Компоненты, входящие в состав флюса, обладают раздражающим, наркотическим действием.
Таблица 8.2 – Биологическое действие, класс опасности и ПКД в воздухе рабочей зоны исходных компонентов входящих в состав припоев

Компонент Характер токсичности и действие Класс опасности ПКД в воздухе рабочей зоны
Олово Поражение бронхов, вызывает профилактивно-креточную реакцию в легких. При длительном воздействии возможен пневмокониоз. 3 10 мг/м3
Свинец При отравлении наблюдается поражение нервной системы, крови, желудочно-кишечного тракта, сердечнососудистой системы, половой системы, нарушение течения беременности. 1 0,01 мг/м3

Достаточно высокую токсичность имеют компоненты, входящие в состав флюса и моющих средств. Токсические действия и предельно допустимые концентрации для компонентов входящих в состав флюсов и моющего средства приведены в таблицах 8.3 и 8.4 соответственно.
Таблица 8.3 – Токсичное действие компонентов, входящих в состав флюса марки ФКСП

Компонент Токсичность и характер действия Класс опасности ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3
Канифоль сосновая Обладает раздражающим действием. При длительном воздействии на кожу вызывает дерматит. __ __
Спирт этиловый Обладает наркотическим и раздражающим действием. Вызывает изменения печени, сердечнососудистой и нервной системы, сухость кожи при длительном контакте. 4 1000

Таблица 8.4 – Токсические свойства моющих средств, класс опасности и ПДК в воздухе рабочей зоны

Компонент Токсичность и характер действия Класс опасности ПДК в воздухе рабочей зоны, мг/м3
Бензин Обладает раздражающим действием и как наркотик… Функциональные нервные расстройства, сопровождаемые мышечной слабостью, вялостью, сонливостью или бессонницей. Расстройства пищеварительного тракта, печени, дрожание пальцев и языка, поражение кожи. Характерно развитие судорог, понижается кровяное давление, пульс замедляется. 4 300
(в пересчёте на углерод)


8.1.2 Биологическое воздействие электромагнитного излучения радиочастоты
Интенсивность электромагнитного излучения радиочастоты (ЭМИ РЧ) на рабочих местах зависит от мощности генератора, расстояния рабочего место от источника излучения и отражений от различных металлических поверхностей. В нашем случаи передающее устройство, рассчитанное на работу с длиной волны 2,47…2,54 м, которая относится к УКВ диапазону излучения.
Вокруг источника излучения волн схематически можно выделить три зоны: ближнюю - зону индукции, промежуточную - зону интерференции и дальнюю - зону излучения. Соотношения электрической и магнитной составляющих в этих зонах не одинаковы.
В зоне индукции работающие подвергаются воздействию различных по величине электрических и магнитных полей, поэтому их интенсивность оценивается раздельно, величинами напряженности электрической Е и магнитной Н составляющей в вольтах на метр (В/м) для электрического и в амперах на метр (А/м) для магнитного поля.
Люди работающие с высокочастотной аппаратурой практически находятся в волновой зоне. Биологический эффект электромагнитных полей зависит от диапазона частот, интенсивности воздействующего фактора, продолжительности, характера и режима облучения (постоянное, апериодическое, интермиттирующее).
Общим в характере биологического воздействия электромагнитных полей радиочастот большой интенсивности является тепловой эффект, который может быть выражен либо в интегральном повышении температуры тела, либо в избирательном нагреве отдельных тканей или органов. Причем органы и ткани недостаточно, хорошо снабжены кровеносными сосудами (хрусталик глаза, желчный пузырь, мочевой пузырь) более чувствительны к такому локальному нагреву. Наиболее чувствительной к воздействию радиоволн является центральная нервная и сердечнососудистая системы.
8.2 Эргономические требования к проектируемому устройству
В данном дипломном проекте модернизируется, в части увеличения КПД выходного каскада, бортовая радиостанция «Орлан–85СТ», работающая в УКВ диапазоне (118 ÷ 137 МГц) и применяемая в гражданской авиации. Радиостанция «Орлан–85СТ» полностью соответствует ГОСТ 22614-77 «Система "Человек-машина". Выключатели и переключатели клавишные и кнопочные. Общие эргономические требования» и не требует дополнительных доработок.
8.3 Электромагнитная безопасность
В России действует санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.4.1191-03. Интенсивность воздействия ЭМИ РЧ на человека в диапазоне частот 30 кГц ...300МГц оценивается значениями напряженности электрического поля (Е, В/м) и напряженности магнитного поля (Н, А/м). Энергетическая экспозиция (ЭЭ) ЭМИ РЧ в диапазоне частот 30кГц...300МГц определяется как произведение квадрата напряженности электрического или магнитного поля на время воздействия на человека.
Энергетическая экспозиция, создаваемая электрическим полем, равна:
(8.1)
Энергетическая экспозиция, создаваемая магнитным полем, равна:
(8.2)
Предельно допустимые значения интенсивности ЭМИ РЧ (Нпду) в зависимости от времени воздействия в течение рабочего дня:
(8.3)
Предельно допустимое значение энергетической экспозиции по электрической составляющей в диапазоне частот 30 кГц ...300МГц:

Предельно допустимые значения интенсивности ЭМИ РЧ (Епду) в зависимости от времени воздействия в течение рабочего дня:
(8.4)
При разработке средств защиты от воздействия электромагнитных излучений учитывается следующее:
• уменьшение излучения непосредственно в самом источнике;
• экранирование источника излучения;
• экранирование рабочего места у источника излучения или удаление рабочего места от него;
• применение индивидуальных средств защиты.
В зависимости от диапазона частот, типа источника излучения, его мощности и характера технологического процесса может быть применен один из указанных методов защиты или любая их комбинация. Средства защиты должны обеспечивать выполнение следующих основных требований:
• не вызывать существенных искажений электромагнитного поля применяемыми защитными средствами;
• не ухудшать работу обслуживающего персонала;
• не снижать производительность их труда.
8.4. Пожарная безопасность
Некоторые вещества и материалы, применяемые на участке монтажа пожаровзрывоопасны. Эти вещества, некоторые их характеристики и средства пожаротушения приведены в таблице 8.1.
Для того чтобы определить категорию помещения по взрывопожарной и пожарной опасности, в соответствии с правилами пожарной безопасности в РФ ППБ-01-93, необходимо рассчитать избыточное давление взрыва в помещении.
Таблица 8.5 – Пожаровзрывоопасные вещества, применяемые при производстве печатного узла

Наименование вещества Температура воспламенения Температура самовоспла-
менения Пределы взрываемости Средства пожаротушения
Нижний Верхний
Канифоль - 8500C 12,6 г/м3 - Химическая и воздушно-механическая пена, распыленная вода
Спирт этиловый бензино-вый 180C 1040C 3,6%;
68 г/м3 19%;
340 г/м3 Химическая пена, вода, инертные газы
бензины 17-440C 255-4740C 0,76-1,1% 5,16-8,12% Пена, водяной пар, инертные газы

Избыточное давление взрыва определим по формуле:
(8.5)
где Рmax – максимальное давление взрыва стехиометрической газовоздушной или паровоздушной смеси в замкнутом объёме (Рmax =750 кПА);
P0 – начальное давление, P0 =101кПа;
m – масса горючего вещества, кг;
Z – площадь испарения, m2;
Vсв – свободный объём помещения;
ρгл – плотность газа и пара этилового спирта по воздуху 1,6 кг/м3;
Сст – стехиометрическая концентрация горючего газа или паров ЛВЖ, %;
Ки – коэффициент учитывающий негерметичность помещения и недиабатность процесса горения, Ки =3.
Свободный объём помещения определяем по формуле:
(8.6)
Стехиометрическая концентрация попределяется по формуле:
, (8.7)
где β – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения.
, (8.8)
где ne , nn , nk , n0 – число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего;
Расчитываем ΔP по вышеуказанной методике принимая Vполн=75 м3.
Ежедневно на участке монтажа расходуется 0,3л спирта; расчёт произведён для самого неблагоприятного случая; все содержимое поступает в помещение (для 0,3 л легко воспламеняющейся жидкости площадь разлива 0,3 м2);
Массу паров жидкости определим по формуле:
, (8.9)
где W – интенсивность испарения, для С2Н5ОН W=1,38∙10-6 кг∙с-1∙м-2;
S – площадь испареня, м2;
T – длительность испарения (T=3600 с).
Тогда:




В результате расчёта делаем вывод о принадлежности помещения к категории «В» пожароопасное. В помещении взрывчатые смеси горючих газов и паров с воздухом не образуется, а образуются они только в результате аварии или неисправности. Основными причинами возникновения пожара являются:
• нарушение установленных правил пожарной безопасности и неосторожное обращение с огнём;
• неисправность и перегрузка электрических устройств (короткое замыкание);
• неисправность вентиляционной системы, вызывающая самовозгорания или взрыв пыли;
• халатное и неосторожное обращение с огнём;
• самовоспламенение хлопчатобумажной ткани пропитанной маслом, бензином или спиртом;
• статическое электричество, образующееся от трения пыли или газов в вентиляционных установках;
• грозовые разряды при отсутствии или неисправности молниеотводов.
В помещениях, где производится монтаж печатных плат, предусматриваем электрическую пожарную сигнализацию, которая служит для быстрого извещения службы пожаротушения о возникновении пожара.
Вход в помещение, проходы между столами и коридоры не разрешается загромождать различными предметами и оборудованием. Для хранения всех веществ и материалов предусматриваем специальные шкафы и ёмкости. С рабочими и обслуживающим персоналом предусматриваем проведение противопожарного инструктажа, занятий и бесед.

9 Технико-экономический анализ бортовых радиостанций гражданской авиации

Важным этапом технико-экономического расчёта является сопоставление основных показателей проектируемого передатчика с показателями аналогичных передатчиков.
Основными бортовыми радиостанциями, работающими в УКВ диапазоне (118 ÷ 137 МГц), применяемыми в гражданской авиации, являются: «Баклан-5», «Баклан-20», «Орлан-85СТ».
Проектируемый передатчик создан на основе радиостанции «Орлан-85СТ». Обозначим его, как модернизированный «Орлан-85СТ (М)».
К основным показателям передатчика, относятся:
• эксплуатационные;
• технические;
• экономические.
К основным эксплуатационным показателям на борту подвижного объекта относятся:
• температура окружающего воздуха;
• вибрация;
• удары и другие внешние условия.
К основным техническим показателям можно отнести:
• выходная (полезная) мощность;
• диапазон рабочих частот;
• основные виды работ (А3Е, А1А, F3Е);
• число каналов связи.
Одними из основных показателей, характеризующих его экономичность, являются:
• выходная (полезная) мощность;
• полный коэффициент полезного действия;
• наработка передатчика на отказ.
Полный КПД передатчика в основном определяется потреблением мощности от двух последних ступеней высокочастотного тракта, а также модулятора.
Полный КПД проектируемого передатчика, исходя из структурной схемы (приложение А1), равен:
(9.1)
где P~ – полезная мощность;
ηмод, ηк – КПД модулятора и конвертора;
P0 – мощность потребления транзистора (оконечного каскада);
Pном(n-1) – выходная мощность транзисторного модуля (предварительного каскада);
ηтм – КПД транзисторного модуля.
Определяем полный КПД:

Сравним проектируемый передатчик с аналогами по методу анализа иерархий (МАИ).
Метод анализа иерархий является системной процедурой для иерархического представления проблем и последующего структурирования многокритериальных альтернатив [7,8] путем поэтапного установления приоритетов. В основе методов лежит пять основных этапов, включающих: структуризацию задач, расстановку приоритетов оценивания и попарное сравнение по шкале относительной важности; формирование набора (вектора) локальных приоритетов (весов), а также проверку их согласованности.
Первый этап – структуризация задачи посредством построения иерархических структур с несколькими уровнями: цели – критерии – альтернативы,
Общая цель решения задачи – выбор наилучшей альтернативы с точки зрения рассматриваемых критериев.

Критерии: Альтернативы:
К1 – диапазон рабочих частот;
К2 – число каналов связи;
К3 – выходная мощность передатчика;
К4 – диапазон рабочих температур;
К5 – наработка на отказ;
К6 – КПД выходного каскада. А1 – радиостанция Баклан-20;
А2 – радиостанция Орлан-85СТ;
А3 – радиостанция Орлан-85СТ (М)
Значения критериев приведены в таблице 9.1.
Таблица 9.1 – Значение критериев при сравнении альтернатив

Наименование
критерия Альтернативы
Баклан-20 Орлан-85СТ Орлан-85СТ(М)
Диапазон рабочих частот, МГц 118,000-137,975 118,000-137,9917 118-137
Общее число каналов связи 760 2400 2400
Полезная мощность передатчика, Вт, в пределах 16 25-40 25-50
Диапазон рабочих температур от -54°С до +55°С от -55°С до +55°С от -40°С до +55°С
Наработка на отказ, ч, не менее 2000 4000 4900
КПД выходного каскада передатчика, %, не менее 18 31 49

Второй этап МАИ заключается в том, что производим попарное сравнение критериев с использованием шкалы относительной важности [8] (табл. 9.2).
Таблица 9.2 – Шкала относительной важности

Уровень важности Количественное значение
Равная важность 1
Небольшое превосходство 2
Умеренное превосходство 3
Среднее превосходство 4
Существенное превосходство 5
Сильное превосходство 6
Значительное превосходство 7
Большое превосходство 8
Очень большое превосходство 9

Результаты таких сравнений заносятся в таблицу сравнения критериев (табл.9.3). В этой же таблице значение собственного вектора (ri) вычисляется по формуле:
(9.2)
где i – номер критерия; n – количество критериев; Кi – значение критерия при попарном сравнении.
Нормированное значение собственного вектора критерия:
(9.3)
Таблица 9.3 – Матрица сравнения критериев
Кi К1 К2 К3 К4 К5 К6 ri wi
К1 1 1/5 1/6 1 1/2 1/7 0,3654 0,0457
К2 2 1/2 1/2 3 1 1/3 0,8909 0,1114
К3 6 2 1 4 2 1 2,1398 0,2675
К4 1 1/3 1/4 1 1/3 1/7 0,3979 0,0497
К5 5 1 1/2 3 2 1/5 1,2009 0,1501
К6 7 5 1 7 3 1 3,0041 0,3756
Σi 22,000 9,033 3,417 19,000 8,833 2,819 7,999 1,000
Σiwi 1,01 1,36 0,91 0,95 0,98 1,06

Из таблицы 9.3, где приведены значения собственных векторов критериев wi видно, что по шкале относительной важности рассматриваемых критериев приоритетными являются: КПД выходного каскада (К6); выходная мощность передатчика (К3); наработка на отказ (К5). Это одни из основных показателей, характеризующих его экономичность. Остальные из рассматриваемых критериев менее значимы, т.к. не относятся к показателям экономичности передатчика.
Проверяем условие нормирования:
(9.4)
Оценить степень согласованности позволяет и индекс согласованности (ИС). Он определяется следующим образом: суммируется каждый столбец суждений. Затем сумма первого столбца умножается на величину первой компоненты вектора приоритетов матрицы и т.д.
Полученные числа суммируются, получая наибольшее собственное значение матрицы суждений λmax:
(9.5)

Тогда индекс согласованности равен (n – число элементов):
(9.6)
Отношение согласованности можно найти из формулы:
(9.7)
где СС – случайная согласованность с размером матрицы n=6.
Третий этап МАИ заключается в сравнении заданных альтернатив Аj по каждому критерию отдельно. Для этого составляются таблицы попарного сравнения альтернатив по каждому из рассматриваемых критериев с использованием шкалы относительной важности (табл. 9.4), и определяется весовой коэффициент альтернативы для каждого критерия (vij) с помощью программы «prmen» [9].
Таблица 9.4 – Сравнение альтернатив по выбранным критериям
К1 А1 А2 А3 К2 А1 А2 А3 К3 А1 А2 А3
А1 1 1/2 2 А1 1 1/7 1/7 А1 1 1/5 1/7
А2 2 1 3 А2 7 1 1 А2 5 1 1/3
А3 1/2 1/3 1 А3 7 1 1 А3 7 3 1
К4 А1 А2 А3 К5 А1 А2 А3 К6 А1 А2 А3
А1 1 1 2 А1 1 1/7 1/7 А1 1 1/3 1/5
А2 1 1 2 А2 7 1 1/3 А2 3 1 1/3
А3 1/2 1/2 1 А3 7 3 1 А3 5 3 1

Далее приведена только итоговая таблицы 9.5, где указаны весовые коэффициенты альтернатив (vij), отношение согласованности (ОС), индекс согласованности (ИС) и наибольшее собственное значение матрицы суждений (λmax) для каждого критерия.

Таблица 9.5 – Расчетные значения vij, λmax, ИС, ОС
Кi vij λmax ИС ОС
А1 А2 А3
К1 0,297 0,5396 0,1634 3,0092 0,0046 0,0079
К2 0,0667 0,4667 0,4667 3,0 0 0
К3 0,0719 0,279 0,6491 3,0649 0,0324 0,0559
К4 0,4 0,4 0,2 3,0 0 0
К5 0,0627 0,3043 0,633 3,1356 0,0678 0,1169
К6 0,1047 0,2583 0,637 3,0385 0,0193 0,0332

Четвертый этап включает в себя расчет количественного показателя качества каждой из альтернатив и определение наилучшей. Для выбора предпочтительного варианта используем целевую функцию
(9.8)
где j – номер оцениваемой альтернативной конструкции; Sj – совокупная оценка альтернативы по всем рассматриваемым критериям, определяемая зависимостью:
(9.9)
где i – номер критерия оценки, vij – вес j-й альтернативы для i-го критерия.
Произведем расчет:
А1 – радиостанция «Баклан-20»


А2 – радиостанция «Орлан-85СТ»


А3 – радиостанция «Орлан-85СТ (М)»


Таким образом, по предварительным расчетам наилучшей альтернативой с точки зрения рассматриваемых критериев является вариант 3 – радиостанция «Орлан-85СТ (М)». Окончательно решение по альтернативе А3 может быть принято после проверок степени отклонения от согласованности в матрице парных сравнений и наличия транзитивности в значениях Sj.
Пятый этап МАИ – проверка степени отклонения от согласованности в матрице парных сравнений, детально методика изложена в [8]. Найдем согласованность всей иерархии. Для чего перемножим каждый индекс согласованности на приоритет соответствующего критерия и просуммируем полученные числа.
(9.10)


Результат разделим на выражение такого же типа, но со случайным индексом согласованности:
(9.11)
где СС – случайная согласованность с размером матрицы n=3.
Согласно рекомендациям [8], величина СИ не должна превышать 10…20%, для рассматриваемого случая она составила 4,08%. Делаем вывод, что условие выполняется.
Требование на транзитивность альтернатив (основное правило логического ввода) также выполняется.
Теперь можно сделать окончательный вывод, что наилучшей альтернативой с точки зрения рассматриваемых критериев является радиостанция «Орлан-85СТ (М)».
Иерархическая структура показана в приложении А3 проекта.

Заключение

В настоящем дипломном проекте разработан передатчик подвижной связи. Диапазон рабочих частот 118 ÷ 137 МГц. В процессе проектирования были выполнены энергетический, электрический и экономический расчёты. Были составлены структурная и принципиальная схемы, а также иерархическая структура по методу анализа иерархий.
Передающая часть в основном выполнена на микросхемах. Применение микросхем позволяет улучшить габаритно-весовые показатели, уменьшить количество применяемых деталей, а также упростить сборку и настройку передающего тракта.
Оконечный каскад передатчика построен по блочно-модульному варианту. Как показал расчет, блочно-модульное построение выходного каскада позволяет получить высокую надежность работы всего передатчика в целом. Построение оконечного каскада по такому принципу повышает ремонтопригодность передатчика, снижает время восстановления за счет унификации модулей.
Использование ключевого режима в оконечном каскаде и модуляторе позволило получить достаточно высокий промышленный КПД и снизить потребление электроэнергии по отношению к выходной мощности. Разработанный передатчик превосходит аналогичные промышленные образцы по надежности и КПД.
В настоящем дипломном проекте нашли отражение вопросы безопасности жизнедеятельности и выполнены необходимые расчеты экономического обоснования, которые подтвердили эффективность принятых решений.
Возможным направлением дальнейшего совершенствования разработанного проекта, является увеличение КПД предварительных ступеней передатчика.

Приложение А1
(обязательное)
Структурная схема



Приложение А2
(обязательное)
Принципиальная схема

Приложение А3
(обязательное)
Иерархическая структура

 


Критерии: Альтернативы:
К1 – диапазон рабочих частот;
К2 – число каналов связи;
К3 – выходная мощность передатчика;
К4 – диапазон рабочих температур;
К5 – наработка на отказ;
К6 – КПД выходного каскада. А1 – радиостанция «Баклан-20»;
А2 – радиостанция «Орлан-85СТ»;
А3 – радиостанция «Орлан-85СТ (М)»

Приложение В
(справочное)
Библиография

1. В.В.Шахгильдян. Проектирование радиопередатчиков. 2000г.
2. http: www.semiconductors.philips.com – Продукция фирмы Philips.
3. http: www.macom.com – Продукция фирмы Tyco Electronics M/A-COM.
4. http: www.monolithicpower.com – Продукция фирмы MPS.
5. http: www.xppower.com – Продукция фирмы XP Power.
6. В.В.Шахгильдян. Радиопередающие устройства. 2003г.
7. О.И.Ларичев Наука и искусство принятия решений. – М.: Наука, 1979г.
8. И.И.Коваленко, С.В.Драган, М.А.Рыхальский. Экспертные оценки в управлении инновационными проектами: Учебное пособие. Николаев, 2007г.
9. Программа «prmen» – разработана на кафедре ПММ "СибГУТИ".

 




Комментарий:

Разработка передатчика бортовой авиационной радиостанции диапазона 118-137 МГц


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы