Общие вопросы конструирования
Общие вопросы конструирования
СодержаниеРадиостанция смонтирована на четырех платах из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Монтаж выполнен на опорных точках, которые образованы кольцевыми канавками, вырезанными в фольге. Для изготовления таких канавок можно воспользоваться простейшим приспособлением, внешний вид которого показан на рис. 15.
Приспособление состоит из центральной иглы 1, миниатюрного резца 2 и крепежной детали. Игла и резец изготовлены из отслуживших свой срок зубоврачебных боров. Для заточки удобно воспользоваться небольшим абразивным камнем или алмазным надфилем. Крепежная деталь изготовлена из стальной втулки 3 диаметром 6 мм. Боры вставлены в два отверстия, просверленные во втулке, и закреплены двумя винтами МЗ. Для надежного крепления боров на их боковых поверхностях желательно снять фаску. Хвостовик иглы должен быть длиннее хвостовика резца для того, чтобы его можно было зажать в патрон сверлильного станка или дрели. Однако не представляет большого труда сделать кольцевые канавки вручную. Для этого удобно зажать приспособление в ручные ювелирные тиски. Не следует прикладывать излишнее усилие и стараться прорезать канавку за один заход, так как это ведет к появлению задиров. Резец должен быть заточен так, чтобы ширина канавки равнялась 0,5—0,8 мм. При этом диаметр опорного кружка должен составлять около 5 мм. Конечно, данное приспособление можно изготовить любым другим образом. Можно использовать специально заточенное сверло или в простейшем случае измеритель из чертежной готовальни. Одну из иголок надо перевернуть и заточить в виде резца. Для придания большей жесткости полезно стянуть ножки измерителя проволочным бандажом.
Для изготовления плат лучше всего использовать односторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 2 мм. Применение двухстороннего фольгированного стеклотекстолита увеличивает емкость опорных кружков на “землю” и поэтому допустимо только для изготовления плат для диапазонов 432 МГц и ниже. Все платы имеют одинаковый размер 165x210 мм.
На вырезанные по таким размерам и очищенные от грязи и окиси куски фольгированного стеклотекстолита накладываются чертежи плат и с помощью острого шила или керна намечаются центры всех отверстий и опорных кружков. После того, как просверлены все необходимые отверстия и прорезаны все канавки, надо окончательно зачистить платы мелкозернистой шкуркой и промыть теплой водой с мылом. Полезно также покрыть поверхность платы спиртовым раствором канифоли, что предохранит фольгу от окисления.
Пайка деталей производится “в накладку”. Необходимо следить за тем, чтобы при пайке было достаточное количество канифоли, так как в противном случае могут произойти перегрев и отслоение опорной площадки. При монтаже лучше использовать паяльник мощностью 90—100 Вт. Такой паяльник благодаря большей теплоемкости лучше сохраняет температуру, что особенно важно при пайке заземленных выводов деталей. Жало паяльника удобно загнуть под углом 45° и сделать его конец более тонким. Если паяльник перегревается, то полезно последовательно с ним включить дополнительное сопротивление 50— 100 Ом или бумажный конденсатор емкостью 5—10 мкФ. Еще лучше для регулировки мощности применить тиристорный регулятор. Пригоден также обычный регулируемый автотрансформатор — ЛАТР.
Метод монтажа на опорных точках был вначале использован для макетирования отдельных узлов, однако оказался достаточно удобным и надежным для изготовления законченных конструкций. Так, изготовленный данным способом трансвертер диапазона 432 МГц был испытан на всесоюзных соревнованиях “Полевой день” и после транспортировки в кузове грузового автомобиля на расстояние более 500 км не потребовал какой-либо подстройки.
В дальнейшем диапазон применения такого монтажа был расширен до 1296 МГц. К преимуществам подобного монтажа по сравнению с традиционным, печатным, надо отнести то, что практически вся поверхность платы покрыта фольгой, выполняющей роль “земли”. Весь монтаж выполнен на небольшой высоте над “землей”, что значительно уменьшает паразитные межкаскадные связи и позволяет отказаться от экранирующих перегородок. Увеличивающаяся при этом паразитная емкость по отношению к “земле” не играет существенной роли, так как транзисторы в отличие от ламп имеют низкие входные и выходные сопротивления.
рис. 16
Для реализации цепей согласования и фильтрации использованы отрезки воздушных полосковых линий. На рис. 16 показана зависимость волнового сопротивления такой линии от диаметра проводника и расстояния до “земли”. Видно, что, изменяя это расстояние, можно в некоторых пределах изменять волновое сопротивление линии. Если выбрать размер отрезка линии равным четверти длины волны, то мы получим четвертьволновый трансформатор с переменным коэффициентом трансформации. В случае, когда хотя бы ориентировочно известны сопротивления источника и нагрузки, волновое сопротивление трансформирующей линии можно определить по формуле WТР = (RИ*RН)1/2 Здесь WТР — волновое сопротивление линии; RИ — выходное сопротивление источника; RН — входное сопротивление нагрузки. Необходимо помнить, что четвертьволновая линия трансформирует не только активные, но и реактивные сопротивления. При этом происходит изменение знака реактивности. Так, индуктивность L трансформируется в емкость С, причем справедливо соотношение — Хс XL = W2ТР, где Хс = — 1/(2πfС); XL = 2πfL; здесь Хс и XL — реактивное сопротивление в омах; f — частота в герцах, С — емкость в фарадах; L — индуктивность в генри.На рис. 17,а показана зависимость реактивного сопротивления разомкнутой, а на рис. 17, б замкнутой линии в зависимости от ее длины.
рис. 17
Видно, что при длине разомкнутой линии менее 1/4 длины волны входное реактивное сопротивление линии отрицательно, т. е. носит емкостный характер. Такой отрезок линии можно использовать как подстроечный конденсатор. Емкость конденсатора можно регулировать изменением расстояния между линией и землей. Если размер плоской линии менее 1/8 длины волны, ее емкость с достаточной точностью описывается формулой плоского конденсатора C = 0,9 S/d, здесь С — емкость в пикофарадах; S — площадь линии в квадратных сантиметрах; d — зазор между линией и землей в миллиметрах.
Как видно из рис.17, для реализации индуктивности можно использовать замкнутый отрезок линии длиной до четверти длины волны (до 0,25l ) или разомкнутый отрезок линии длиной от 0,25l до 0,5l. При увеличении длины линии картина периодически повторяется. Так, например, разомкнутая линия длиной от 0,5l до 0,75l , снова имеет емкостное сопротивление. На практике такой режим работы применяется редко, так как из-за потерь в линии (на рис. 17 показано реактивное сопротивление идеальной линии без потерь) добротность эквивалентного конденсатора будет ниже, чем в случае линии длиной от 0 до 0,25l.
Теперь, когда рассмотрены способы реализации индуктивности и емкости, перейдем к способам реализации резонансных контуров. Как известно, резонанс электрического контура, состоящего из конденсатора С и катушки L, наступает тогда, когда емкостное сопротивление конденсатора равно индуктивному сопротивлению катушки: Хс=—ХL. Если перейти к отрезкам линий, то получится, что резонансный контур можно составить из замкнутого отрезка линии длиной менее 0,2l(индуктивность) и разомкнутого отрезка линии длиной также менее 0,25l. В частном случае, когда оба отрезка линии имеют одинаковое волновое сопротивление, суммарная длина составит четверть длины волны. Получится так называемый четвертьволновый резонатор, эквивалентный параллельному резонансному контуру. Если такой резонатор разбить на два отрезка, то в месте разреза реактивное сопротивление одного отрезка всегда будет равно и противоположно по знаку реактивному сопротивлению другого. Резонатор можно составить из линий с разными волновыми сопротивлениями. При этом если волновое сопротивление емкостного отрезка меньше волнового сопротивления индуктивного (замкнутая линия уже разомкнутой), то суммарная длина резонатора будет меньше 0,25l. Это позволяет уменьшить размеры резонатора. Для уменьшения размеров резонатора можно также заменить емкостную линию сосредоточенной емкостью, в качестве которой обычно используется подстроечный конденсатор с керамическим или воздушным диэлектриком. Однако следует иметь в виду, что на высоких частотах в чистом виде нет сосредоточенных элементов, так как размеры этих элементов и их выводов соизмеримы с длиной волны. В качестве примера рассмотрим, как зависит эквивалентная емкость конденсатора от индуктивности его выводов. Суммарное реактивное сопротивление можно записать в виде
Х = 1/(2πfCэкв) = 2πfL — 1/(2πfC) ; здесь Сэкв — результирующая емкость конденсатора; L — индуктивность выводов; С — емкость конденсатора без учета индуктивности выводов. Отсюда эквивалентная емкость конденсатора
Cэкв = 1/(1/C – 4π 2f 2L) = 1/(1 – 4π 2f 2LC)
Видно, что если рабочая частота стремится к нулю, то эквивалентная емкость не отличается от собственной емкости конденсатора. С ростом частоты, а особенно при приближении к резонансу, влияние индуктивности выводов увеличивается. Резонанс наступает на частоте, при которой знаменатель выражения обращается в нуль, т. е. 1-4π2 f 2рез LC = 0, отсюда fрез=1/(2π(LC) 1/2).
Это известная формула для определения резонансной частоты контура. Выше резонансной частоты выражение для эквивалентной емкости становится отрицательным. Это означает, что при этом реактивность меняет знак и конденсатор имеет индуктивное сопротивление, т. е. эквивалентен катушке индуктивности. Чем больше емкость конденсатора, тем ниже его собственная резонансная частота. В результате часть разделительных и подавляющее большинство блокировочных конденсаторов, применяемых в УКВ аппаратуре, работают на частотах выше собственного резонанса. Это означает, что качество блокировки при этом мало зависит от номинальной емкости конденсатора и определяется только его собственной индуктивностью. Чем меньше длина выводов и чем меньше собственные размеры конденсатора, тем выше качество блокировки. При этом радиолюбители могут уменьшать длину выводов практически до нуля.
Существенное влияние оказывает индуктивность выводов на работу транзисторов. Главную роль при этом играет индуктивность вывода, общего для входной и выходной цепи. Так, в схеме транзисторного усилителя с заземленным эмиттером большое влияние на коэффициент усиления оказывает индуктивность эмиттерного вывода. Наличие этой индуктивности приводит к появлению отрицательной обратной связи, понижающей усиление каскада. Индуктивность в большой степени определяется тонкой проволочкой, соединяющей вывод транзистора с кристаллом. Однако длина вывода также играет существенную роль, поэтому надо по возможности ее уменьшать. При этом не надо слишком опасаться возможности перегрева транзистора, так как тонкая проволочка является теплоизолятором между выводом и кристаллом транзистора. Важно только делать пайку быстро, чтобы не перегреть корпус транзистора. Индуктивности базового и коллекторного выводов не имеют столь большого значения, так как они могут быть включены в состав согласующих контуров.
Индуктивность базового вывода имеет большое значение при включении транзистора по схеме с общей базой. Наличие этой индуктивности приводит к появлению положительной обратной связи, а не отрицательной, как в случае включения транзистора с общим эмиттером. Это приводит к тому, что каскад, выполненный по схеме с общей базой, часто склонен к самовозбуждению. Тем не менее эта схема имеет свои достоинства, так, например, она более эффективна в умножителях частоты. Данная схема также применяется для усиления мощности на частотах выше 1 ГГц. Специально разработанные для этого транзисторы снабжены массивным выводом базы, имеющим минимальную индуктивность. Однако и при этом, как правило, приходится принимать специальные меры по обеспечению устойчивости усиления. Одной из таких мер является включение последовательно с эмиттерным выводом резистора сопротивлением около 10 Ом. Чем больше сопротивление резистора, тем выше устойчивость каскада и тем меньше коэффициент усиления. Считается нормальным, если коэффициент усиления таких усилителей составляет от 5 до 10 раз.
Рассмотрим теперь требования, предъявляемые к дросселям, применяемым в УКВ аппаратуре. Дроссели обычно входят в цепи питания транзисторных усилителей по постоянному току. Основную опасность при этом представляет возникновение так называемых дроссельных колебаний. Дело в том, что с понижением частоты усиление транзистора растет, и благодаря наличию в коллекторной и базовой цепи больших индуктивностей могут возникнуть условия самовозбуждения. Поэтому прежде всего надо стараться обойтись вообще без дросселей в том случае, если в этом нет большой необходимости. Например, входное и выходное сопротивления маломощного транзистора на частотах порядка нескольких сотен мегагерц составляет 50—200 Ом. Отсюда видно, что если коллекторное питание поступает через резистор 1—2 кОм, это приведет к падению коэффициента усиления не более чем на 5—10%. Ясно, что применение дросселей в таком случае не имеет большого смысла. Если же без дросселя обойтись нельзя, то надо стремиться уменьшить его индуктивность. В ламповых конструкциях обычно рекомендовалось применять четвертьволновые дроссели, т. е. дроссели, изготовленные из провода длиной около 0,25V. В транзисторных конструкциях эту длину надо уменьшить в 2—3 раза.
Далее >> (Конструкция трансвертера 144/21 МГц )