Импульсный усилитель с рабочей частотой 1МГц

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Вариант №83.
Предметом проектирования является импульсный усилитель с рабочей
частотой 1МГц, конструктивного уровня «блок» с питанием от сети
переменного тока 110 В, 400 Гц.
Разработать конструкцию усилителя с условиями эксплуатации С:
группа РЭА - самолетная;
температура эксплуатации - минус 40…+60 о С;
относительная влажность воздуха – 100%;
пределы частот вибрации – 5-2000Гц;
ускорение вибрации – 196м/с 2 ;
атмосферное давление – 2кПа.
Необходимо обеспечить подавление кондуктивной помехи на частоте
800Гц с коэффициентом подавления - 36дБ.
Напряжение питания усилителя 40 В постоянного тока

1 АНАЛИЗ И ДОПОЛНЕНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
1.1 ВЫБОР ТИПОВ И НОМИНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ
Для выбора мощных транзисторов определим полные мощности для
каждого из транзисторов
расс.VT4
ПVT4
Р10
Р20Вт.
0.5


Рабочие токи силовых транзисторов
П.VT4
VT4
Р20
I0,5А.
Е40
На основании полученных результатов и заданной рабочей частоты
выбираем мощные транзисторы КТ903 с параметрами:
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора - 30 Вт;
Максимальная частота транзистора: не менее 120 МГц;
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер: 60 В;
Максимально допустимый постоянный ток коллектора: 3 А.
В качестве маломощных транзисторов применим транзисторы
КТ315И с параметрами:
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора – 0,1 Вт;
Максимальная частота транзистора: не менее 250 МГц;
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер: 60 В;
Максимально допустимый постоянный ток коллектора: 0,05 А.
В качестве диода выберем диод КД521А:
Предельное постоянное обратное напряжение - 75 В
Максимально допустимый постоянный прямой ток - 50 мА
Максимально допустимая частота - 100 МГц.
Электролитические конденсаторы выберем К50-35 на рабочее
напряжение 60В, ёмкостью 50 и 200мкФ соответственно.
Керамические конденсаторы К10-17б Н90 на напряжение 50В.
ёмкостью 0,33, 0,01, 0,033 и 1 мкФ соответственно.
Мощный резистор выберем С10-37 мощностью 10Вт, сопротивлением
24Ом.
Постоянные маломощные резисторы С2-33Н, подстроечный резистор
СП5-16ВА, мощностью 0,25Вт.
Разъемы для подключения входного сигнала - ST-020, для подключения
нагрузки к выходу усилителя - PS000176.

1.2 ДОПОЛНЕНИЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ
Для питания схемы используется блок питания, состоящий из
трансформатора, диодного моста и емкостного фильтра. Мощность нагрузки
блока питания равна

4

БППVT4РР20Вт.
Напряжение питания задано Е=40В. Потребляемый ток
БП
БП
Р20
I0,5А.
Е40
Примем потребляемую мощность Р потр =20Вт. В качестве
трансформатора используем трансформатор ТПП64-115-400 мощностью
23Вт для установки на печатную плату.
Для использования в блоке питания выбираем диодный мост КЦ405Е с
параметрами:
Предельное постоянное обратное напряжение - 100 В
Максимально допустимый постоянный прямой ток – 1,0 А
Расчет конденсатора фильтра проведем исходя из следующих данных:
- коэффициент остаточных пульсаций напряжения γ не более 0,1
- частота питающей сети f = 50 Гц;
- напряжение питания Е = 30 В;
- полная потребляемая мощность Рп = 20 Вт.
Находим частоту пульсаций выходного напряжения fп, которая при
двухполупериодном выпрямлении равна удвоенной частоте сети
fп = 2∙f = 2 ∙ 400 = 800 Гц.
Находим частоту среза фильтра питания fср
fср = γ fп = 0,1 ∙ 800 = 80 Гц.
Находим эквивалентное сопротивление нагрузки источника Rэкв
Rэкв = Е 2 / Pп = 40 2 / 20 = 80 Ом.
Находим внутреннее сопротивление источника Ri
Ri = (1 – η пит )R экв = (1 – 0,9)∙80 = 8 Ом.
Находим емкость фильтра Cф
Ф
срi
11
С249мкФ.
2fR2808

Примем в качестве емкостного фильтра конденсатор К50-35 емкостью
470мкФ на напряжение 60В.

1.3 ВВЕДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Для удобства эксплуатации следует в схему устройства ввести
следующие элементами:
- сетевой шнур с вилкой или разъем для подключения внешнего
питания;
- выключатель питания;
- предохранитель;
- светодиодный индикатор выпрямленного питающего напряжения.
Для самолетной аппаратуры применим разъем питания.
При выборе разъема выключателя питания необходимо учитывать
рабочий ток в первичной обмотке трансформатора и условия эксплуатации.
Ток в первичной обмотке трансформатора

5

ПОТР
1
1
P20
I0,18А.
U110
Примем для применения в конструкции кнопку PBS-11A на рабочее
напряжение 250В и номинальный ток 1А.
В качестве разъема питания примем DS1110-01-2, установленный на
корпус прибора.
Предохранитель в комплекте с держателем. Номинал предохранителя
выбирают в 2-4 раза превышающим рабочий ток в первичной обмотке
трансформатора. В качестве предохранителя примем ВП1-2, 0.5 А, 250 В.
Индикатор питания содержит светодиод и гасящий резистор. В
качестве светодиода применяется светодиод АЛ307БМ с номинальным током
15 мА и падением напряжения на диоде 1,8 В. Сопротивление гасящего
резистора
св
СВ
св
ЕU401,8
R3760Ом.
I0,015


Примем резистор сопротивлением 3900Ом. Мощность, рассеиваемая на
резисторе

22
RсвcвсвРIR0,01539000,88Вт.
Применим резистор С2-33н мощностью 1Вт сопротивлением 3,9кОм.
1.4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДАВЛЕНИЯ КОНДУКТИВНОЙ НАВОДКИ
Для подавления в требуемое число раз паразитного сигнала
кондуктивного типа в схему следует ввести фильтрующую RC-цепь, которая
подключается в разрыв шины питания, между выходным каскадом и
предварительными каскадами. Допустимое относительное снижение
напряжения питания составляет δ Е = 10 % от величины Е.
Исходные данные:
- частота наводки f н = 800 Гц;
- коэффициент подавления N = 36 дБ.
В качестве фильтрующей цепи попробуем выбрать однозвенный Г-
образный RC-фильтр.
Коэффициент подавления Кп в разах равен
N36
2020
ПК101063.
Коэффициент передачи фильтра К(ω н ) на частоте наводки ω н = 2πf н
должен быть приближенно равен обратной величине от Кп
00н
HHП
KK1
К ,
1K


где К 0 - коэффициент передачи фильтра на нулевой частоте; τ = R ф С ф -
постоянная времени цепи.
Для постоянной времени получим

6

ПП
НH
КК63
12,5мс.
2f2800

Необходимо, чтобы на сопротивлении фильтра Rф падение напряжения
было не более δ Е = 10 % от питающего напряжения, следовательно, величина
К 0 должна быть не менее
0ЕК110,10,9.
Величина К 0 связана с параметрами цепи формулой
н.экв
0
н.эквф
R
К,
RR


где Rн.экв — эквивалентное сопротивление нагрузки фильтра.
Проанализировав схему предварительных каскадов, находим
эквивалентное сопротивление Rн.экв ≈ 1 кОм. Для Rф при К 0 = 0,9 получим
Ф0н.эквR1КR10,91000100Ом.
Из ряда номиналов сопротивлений Е12 выбираем номинал 100 Ом.
Ток I н.экв , протекающий по сопротивлению Rф, равен
н.экв
н.экв
E40
I0.04A.
R1000
Мощность P ф , рассеиваемая на нем, равна
22
фн.эквфРIR0,041000,16Вт.
Выбираем резистор С2-26-0,25-100 Ом ±10 % на мощность 0,25 Вт.
Найдем необходимую емкость фильтра С ф

3

3

ф
ф
12,510

С0,12510Ф125мкФ.
R100




Выбираем номинал 200 мкФ, а также типоразмер электролитического
конденсатора К50-35-100,0-63 на напряжение 63 В, с запасом для повышения
надежности.

2 Анализ элементной базы
Сведем в таблицу применяемые электрические элементы.
Таблица 1.
Наименовани
е

Ко
л
.,
ш
т
Конструкционные
параметры

Параметры внешних
воздействий

Мас
са,
г
Устан
овоч
ная
площ
адь,
мм 2

Диам
етр
выв
ода,
мм
Диапаз
он
темпе
ратур,
С

Вибрация Удары
F B ,
Гц
n.
ед.g
n.
ед.g

Транзистор
КТ903

1 24 - 0.6 -45 -
+125

1000 7,5 15

Транзистор
КТ315И

3 0,5 21 0.6 -45 -
+85

1000 10 25

Диод КД521 1 0,5 18 0.4 -60 -
+125

600 10 25

Диодный
мост КЦ405

1 2,2 400 0.5 -50 -
+100

400 7.5 15

Светодиод
АЛ307БМ

1 0,7 28 0.5 -60 -
+80

600 10 15

Резистор
С2-33Н

8 1,4 15 0.4 -60 -
+155

1000 10 25

Резистор
С10-37

1 9 495 1.0 -60 -
+80

100 7,5 15

Резистор
подстроечный
СП2-16ВА

1 1,8 95 0.8 -60 -
+100

400 10 25

Резистор
переменный
СП1-3

1 2,5 45 1,0 -60 -
+100

600 10 25

Конденсатор
К10-17б

4 0,7 30 0.4 -55 -
+100

1000 10 25

Конденсатор
К50-35

4 5 78,5 0.8 -55 -
+105

1000 10 25

Трансформат
ор ТПП115

1 470 3721 0.8 -45 -
+95

100 15 20

8

Предохраните
ль ВП1-2

1 1 30 0,6 -60 -
+100

100 10 20

Наименее термостойким элементом является светодиод АЛ307БМ,
резистор С10-37, предельно допустимая температура этих элементов
составляет Т доп = 80 °С. По заданию максимальная температура
окружающей среды составляет Т макс = 60 °С.
Определяем допустимый перегрев θ доп
θ доп = Т доп – Т макс = 80 – 60 = 20 °С.
Так как перегрев превышает 10 °С, тепловой режим можно
обеспечить естественным воздушным охлаждением.
Наименее вибростойким элементом является трансформатор ТПП115,
для которого предельно допустимая перегрузка составляет n доп = 20 g. По
заданию максимальное виброускорение а равно 196 м/с2, значит,
максимальная перегрузка n макс ≈ 19,6 g. Так как n доп > n макс ,
дополнительной виброзащиты не требуется.

3 ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ
3.1 РАЗБИЕНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
Большинство элементов принципиальной схемы расположены на
печатной плате за исключением кнопочного выключателя с фиксацией,
светодиода, переменного резистора и разъемов для подключения питания,
входного сигнала, нагрузки.
Соединение переменного резистора, разъемов и светодиода с печатной
платой осуществляются непосредственно пайкой с использованием
монтажного провода.
3.2 ВЫБОР СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

Расчёт площади пластинчатых теплоотводов для мощного транзистора.
Определяем допустимый перегрев радиатора

о
допдопмахТТ1056045С.
Определяем тепловое сопротивление контакта корпуса элемента с
радиатором при смазке контактных поверхностей пастой КПТ-8 по
ГОСТ 19783-74
K
K
150150
C
R0.33
Вт
S450

где S K =450мм 2 – площадь контакта транзистора

с радиатором.
Определяем требуемое значение теплового сопротивления радиатора

доп
радVT4K
VT6

45

KRR0.334,17.
Вт

P10


По графику зависимостей теплового сопротивления известных
радиаторов от перегрева Rтр(θ) (рисунок Б.1 МУ) определяем для
найденного значения θ доп величину Rтр=12К/Вт.
Находим площадь рассчитываемого радиатора

трдоп2
радVT4

радVT4
RS122600
S5056мм.
R6,17


Площадь одной стороны
S = a ⋅ b = 50 ⋅ 52 = 2600 мм 2 .
Полная площадь радиатора
S рад =2S=2*2600=5200мм 2
Так как рассчитанная площадь радиатора имеет незначительные
размеры, то в качестве радиатора будем использовать заднюю стенку корпуса
с размерами 190х65=12350мм 2 .

3.3 ВЫБОР КОНСТРУКТИВНОГО ОФОРМЛЕНИЯ
Рассчитываем суммарную установочную площадь элементов на
печатной плате S уст , используя данные представленные в таблице 1. В
результате суммирования установочных площадей всех элементов
расположенных на печатной плате получаем S уст ≈5376 мм 2 . С учетом
площади резервных зон S рез , на которую выделяется 60% установочной
площади, найдем суммарную площадь платы
  253760,653768600.плустрезSSSмм
Так как на печатной плате присутствует трансформатор и мощный
резистор который подвержен нагреву примем размер печатный платы больше
расчетного, с учётом удобного монтажа, минимизации влияния элементов
друг на друга и ремонтопригодности устройства, выбираем размер платы
125х120 мм.
Высота выбранного трансформатора составляет 41 мм. Исходя из,
габаритных размеров трансформатора и печатной платы выбираем
следующие размеры корпуса высота 65 мм, ширина 190 мм, длина 155 мм.
Плату закрепим ко дну четырьмя болтами через втулки.
Площадь задней стенки разрабатываемого корпуса составляет 12350
мм 2 , что превышает необходимую площадь теплоотвода. Мощный
транзистор закрепим на задней стенке корпуса болтами (через внутренние
отверстие в корпусе транзистора)с пластинчатой шайбой, обеспечив
тепловой контакт смазкой контактных поверхностей пастой КПТ-8.
3.4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ УЗЛА НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ
В качестве материала для платы будем использовать двухсторонний
фольгированный стеклотекстолит (СФ-2). Толщину фольги τ выберем равной
50 мкм, так как более толстая фольга допускает большие токи.
Для координации отверстий и проводящего рисунка печатной платы
применим координатную сетку, шаг которой выберем равным 2,5 мм. Все
отверстия, включая крепёжные, будем располагать в узлах координатной сетки.
Диаметры монтажных отверстий под выводы элементов выберем на 0,2
мм больше диаметров выводов конкретного элемента.
Вокруг монтажных отверстий расположим контактные площадки
круглой формы. Для упрощения монтажа форма контактной площадки для
вывода номер 1 многовыводного элемента должна отличаться от выводов
остальных элементов, поэтому выберем её квадратной форму.
Ширину проводников будем выбирать исходя из допустимой
плотности тока J=25А/мм 2 . Определяем минимальную ширину проводника b
для максимального тока I = 0,6А, который протекает по шине питания
 
I0,5
b0.4мм.
J250.05

Для реализации выбираем ширину 0,8 мм.
Ширину зазора между проводниками выберем так, чтобы обеспечить
необходимую электрическую прочность. Определяем минимальную
необходимую ширину зазора z по формуле [2]

доп
E40
z0,04мм,
E1000
где E - напряжение питания;
Е доп - допустимое удельное напряжение, которое для стеклотекстолита
составляет 1000 В/мм.
Так как при малой ширине зазора трудно избежать замыканий между
проводниками при изготовлении плат, выберем минимальный зазор 0,4 мм.

11

4 РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

4.1 ОЦЕНКА КОЭФФИЦИЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

ЭЛЕМЕНТОВ
Рассчитаем коэффициент электрической

нагрузки K VT4 для мощного транзистора[3].
Коэффициент электрической нагрузки для i-го элемента определяется
по формуле
 

i
VTi
Hi
A
K,
A

Где A i - реальное значение нагрузочного параметра элемента;
A Hi - номинальное значение нагрузочного параметра элемента.
Так как мощные транзисторы имеют три нагрузочных параметра
(напряжение, ток и мощность), то необходимо рассчитать коэффициент
нагрузки для каждого параметра.
Определяем коэффициент электрической нагрузки для транзисторов:
- коэффициент электрической нагрузки по току
  I.VT4
0.5
K0.17.
3
- коэффициент электрической нагрузки по напряжению
  U.VT4
40
K0.67.
60
- коэффициент электрической нагрузки по мощности
  P.VT4
10
K0.33.
30

12
В качестве коэффициентов электрической нагрузки для мощных
транзисторов выбираем наибольшие из полученных значений. Учитывая
вышесказанное, получаем
VT4K0.67.
Коэффициент нагрузки для трансформатора
 
H
T
TP
P20
K0.87.
P23
Где Р Н = 20 Вт - мощность, которая потребляется схемой;
Р Тр = 23 Вт - номинальная мощность трансформатора.
Коэффициент нагрузки для диодного моста
 

H
VD1
VD1
I0.5
K0.5.
I1

где I H = 0,5 А— общий ток нагрузки;
I VD1 = 1 А — номинальный ток диодного моста.
Для остальных элементов примем следующие значения:
— для мощного резистора K нR11 = 0,9;
— для маломощных резисторов K нi = 0,3;
— для конденсаторов K нi = 0,8;
— для маломощных транзисторов K нi = 0,9;
4.2 ВЫБОР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАБОЧИХ ТЕМПЕРАТУР

ЭЛЕМЕНТОВ

Будем полагать, что теплонагруженные элементы (выходные
транзисторы, силовой трансформатор, резисторы с повышенной
рассеиваемой мощностью) работают при температуре на (10…20) о С ниже
своих предельно-допустимых температур. Температуры остальных
элементов будем считать равной максимальной температуре окружающей
сети.
С учетом вышесказанного, будем считать, что транзистор VT4 работает
при температуре 105 о С, трансформатор Т1 - 75 о С, мощные резисторы - 70 о С.
Все остальные элементы работают при температуре 60 о С.

4.3 РАСЧЕТ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТКАЗОВ ЭЛЕМЕНТОВ
Данные для расчета интенсивности отказов элементов приведены в
таблице 2, в которой приняты следующие обозначения:
- Обозн. - позиционное обозначение элемента;
- N i - количество элементов;
- t 0 раб - рабочая температура;
- λ i0 - средняя интенсивность отказа;
- a i - поправочный коэффициент;

13

- λ i - интенсивность отказов элементов.
Таблица 2 - Данные для расчета интенсивности отказов элементов
k 1 =1,46; k 2 =1,2; k 3 =2,5; k 4 =1,1
Наименование Обозн
.
N i 6
010i
1/ч

K нi   0,о
рабtС
a i 610
i
,
1/ч

6
010iiN
, 1/ч

резисторы
С2-33н R1-R4,
R7-R10

8 0,05 0,3 60 0,57 0,0086 0,0684
СП1-3 R5 1 0,15 0,3 60 0,57 0,0256 0,0256
СП5-16 R6 1 0,15 0,3 60 0,57 0,0855 0,0256
С10-37 R11 1 0,15 0,9 70 2,74 0,3699 0,3699
Конденсаторы
К10-17б С1,С2,
С4,С6

4 0,15 0,8 60 0,62 0,0744 0,2976

К50-35 С3-С5,
С7,С8

4 0,135 0,8 60 2,2 0,2376 0,9504

Диод
КД521А

VD1 1 0,2 0,8 60 0,85 0,136 0,136

Диодный
мост Ц405А

VD2 1 0,2 0,5 60 0,6 0,06 0,06

Транзисторы
КТ315И VT1-VT3 3 0,8 0,9 60 0,85 0,612 1,836
КТ903А VT4 1 1,2 0,67 115 1,24 0,997 0,997
Транс-р
ТПП-115

Т1 1 0,3 0,87 75 10,7 3,21 2,7927
Сумма 7,5592
Λ 36,4202
 
Рассчитаем суммарную интенсивность отказов изделия [2]
 

m

66

1234ii
i1
1kkkkN4,8187,55921036,420210,
ч








где m - число групп однотипных элементов.
  1234kkkk1,461,22,51,14,818
m

6

ii
i1
1N7,559210,
ч





 Среднее время наработки на один отказ
  cp6
11
t27457ч.
36,420210

Вероятность безотказной работы Р(t 1 ) для наработки t 1 =1000ч.
  611Рtexptexp7,55921010000.964.
Наработка до вероятности 0,9 безотказной работы
  0.9cpt0.105t0.105274572883ч.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы было проведено проектирование
усилителя на конструктивном уровне "блок". Изделие является автономным
и предназначено для питания от сети переменного тока 110 В с частотой 400
Гц. Прибор разрабатывался с тем учетом, что он будет эксплуатироваться в
самолетных условиях.
В ходе конструирования были добавлены: Г-образный фильтр (для
уменьшения влияния помехи кондуктивного типа на каскады
предварительного усиления), схема была дополнена источником питания.
Из анализа элементной базы был сделан вывод, что устройство не
требует дополнительной амортизации, а для обеспечения охлаждения
мощных транзисторов они были вынесены на заднюю стенку корпуса.
Исходя из суммарной установочной площади элементов, плату выбрал
с размерами 125х120 мм, с толщиной 1,5 мм. Ширина проводников составила
1 мм.
Среднее время наработки на отказ составило 2883ч при вероятности 0,9.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Методические указания по оформлению текстовых работ для
студентов дневной и заочной форм обучения направления 6.050901 —
«Радиотехника» /СевНТУ; сост. В.Г. Слёзкин.— Севастополь: Изд-во
СевНТУ, 2010.— 20 с.
2. Методические указания к выполнению курсового проекта по
дисциплине «Конструирование и технология производства
радиоэлектронных средств» для обучающихся очной и заочной форм
обучения направления 11.03.01 — Радиотехника и специальности
11.05.01 — Радиоэлектронные системы и комплексы [Электронный ресурс] /
Сев-ГУ; сост. В. Г. Слёзкин. — Севастополь: Изд-во СевГУ, 2017. — 49 с.—
Редакция 2021 г.
3. Горобец А.И. Справочник по конструированию радиоэлектронной
аппаратуры (печатные узлы) / А.И. Горобец, А.И. Степаненко, В.М.
Коронкевич.— К. :Техника, 1985.— 312 с.
4. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели,
коммутационные устройства РЭА: справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков,
В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренко; под ред. Акимова Н.Н. — Минск:
Беларусь, 1994.— 591 с.
5. Полупроводниковые приборы: транзисторы / Н.Н. Горюнов [и др.];
под ред. Горюнов Н.Н. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 904 с.
6. ОАО «Элеконд» [Электронный ресурс] /Элеконд.—
http://www.elecond.ru.
— 13.03.2015.
7. Чип и дип. Приборы и электронные компоненты [Электронный
ресурс] / Чип и дип.— http://www.chipdip.ru.— 13.03.2015.