Проектирование генераторного триода дециметрового диапазона

Проектирование генераторного триода дециметрового диапазона

Задание на курсовой проект Рассчитать и сконструировать генераторный триод дециметрового диапазона, работающего в непрерывном режиме по следующим данным:

генераторный триод дециметровый диапазон Таблица 1. Исходные данные

Введение

Генераторные лампы предназначены для генерирования и усиления электрических колебаний низких и высоких частот. По роду работы генераторные лампы можно разделить на следующие группы: — генераторные лампы для непрерывного режима работы; - импульсные генераторные лампы типа ГИ; - импульсные модуляторные лампы типа ГМИ. Для охлаждения анодов генераторных ламп, рассеивающих значительные мощности, применяется принудительное охлаждение воздушное (Б), водяное (А) или испарительное (П). Эти индексы указываются в конце обозначения лампы (например ГУ-5Б). Если вид принудительного охлаждения не указан, то лампа используется с естественным охлаждением. Модификации ламп, связанные с повышением надежности и улучшением эксплуатационных характеристик, имеют в конце обозначения буквы Р, В или индекс 1. Генераторные лампы для усиления низкой частоты — модуляторные лампы — применяются в модуляторах мощных передатчиков с АМ, мощных усилителях НЧ, в мощных электронных стабилизаторах напряжения и других схемах. Генераторные лампы ультракороткого и дециметрового диапазонов предназначены для генерирования и усиления колебаний СВЧ диапазона. Значительная группа этих ламп рассчитана на работу в схеме с общей сеткой, которая характерна высокой устойчивостью работы генераторов высокочастотных колебаний на триодах и устраняет необходимость нейтрализации проходной емкости. В схемах с заземленной сеткой выходной колебательный контур включен между сеткой и анодом. Выходной емкостью в этом случае является емкость между анодом и сеткой, а проходной — емкость между анодом и катодом. Т.к. генераторные лампы, предназначенные для работы в этих схемах, имеют, как правило, небольшую проницаемость, то возможно проходную емкость сделать достаточно малой, чем достигается устойчивая работа схемы на высоких частотах. Импульсные генераторные и модуляторные лампы используются в схемах импульсных СВЧ генераторов и импульсных модуляторов радиорелейных линий связи, радиолокационных станциях и других устройствах. В качестве импульсных модуляторных ламп, как правило, используются тетроды, работающие при малом напряжении анода во время разряда накопительной емкости, я также не требующие больших сеточных напряжений или запирания лампы.

1.Расчет триода

1.1 Расчет электрических параметров Задаемся КПД, который для ламп дециметрового диапазона (f = 0,3? 3 ГГц), работающих в классе «С», составляет з =0,5?07. Выбираем з = 0,7 и находим мощность, рассеиваемую анодом:

Находим постоянную составляющую анодного тока I_a0:

Задаемся углом отсечки анодного тока и = 120^°, т.к. генераторная лампа работает в классе «С». Из графика на рис. 16.6[1] находим отношение переменной составляющей анодного тока к постоянной составляющей:

Отсюда амплитуда анодного тока:

В классе «С» генераторные лампы работают с сеточными токами.

Определим амплитуду сеточного тока, которая в генераторных лампах ДМ-диапазона может составить от четверти до половины анодного тока:

Выбираем 0,3, тогда:

Определим амплитуду катодного тока:

Пользуясь графиком на рис. 16.7[1]находим коэффициент анодного тока б и коэффициент использования анодного напряжения в. При и = 120^°, б = 0,9, а т.к. КПД равен з = б*в, то:

Определим амплитуду анодного напряжения лампы:

Минимальное амплитудное анодное напряжение лампы в рабочем режиме равно:

Рассчитаем первеанс лампы Gпри минимальном анодном напряжении:

1.2 Конструктивный расчет катода В качестве катода проектируемой лампы выберем оксидный катод косвенного накала, т.к. он имеет наибольшую эффективность. При этом рабочей поверхностью катода является торцевая поверхность, покрытая оксидом. Задаемся температурой катода Т_к = 1000 К (127°С). Выберем допустимую плотность тока с катода j_k = 80 (мА/см²) и определяем активную, т. е. покрытую оксидом, площадь поверхности катода:

Рассчитаем диаметр катода d_k:

см Длину катодной трубки l_kвыбираем равной 20(мм), а оксидного слоя д_окс= 100(мкм) (1).

В качестве керна катода выбираем никелевую трубку с толщиной стенок д_Ni = 100(мкм) (1).

Внутренний диаметр катода :

1.3 Тепловой расчет катода Целью теплового расчета является нахождение мощности, необходимой для накала катода. Это позволяет определить ток накала и рассчитать подогреватель. Мощность P_нак складывается из мощности излучения Р_изли мощности потерь Р_п.

Р_нак = Р_изл + Р_п

Мощность излучения складывается из мощности излучения оксида, мощности излучения никелевой трубки, мощности излучения абсолютно черного тела:

Р_изл = Р_из.окс+ Р_излNi + Р_{изл. АЧТ}

где Р_из.окс = Р_уд окс*F_окс;

P_излNi = P_{уд Ni}*F_Ni;

P_{изл. АЧТ}= Р_удАЧТ*F_АЧТ;

где Р_уд окс, P_{уд Ni}, Р_удАЧТ — удельные мощности излучения оксида, никеля и внутренней полости катодной трубки соответственно. F_окс, F_Ni, F_АЧТ — площади оксидного покрытия, боковой поверхности Niтрубки и ее внутреннего поперечного сечения.

При Т = 1000 К удельные мощности излучения составляют:

Р_удокс = 4,1(Вт/см²);

P_удNi = 1,3(Вт/см²);

P_{уд. АЧТ} = 8,34(Вт/см²);

Р_из.окс = Р_удокс*F_окс = 4,1*0,27= 1,15 Вт

F_Ni = р*d_k*l_k = 3,14*0,58*2 =3,6 см²

P_излNi = P_удNi • F_Ni = 1,3*3,6=4,68 Вт

F_АЧТ = (р*d_k0²)/4 = см²

P_{изл. АЧТ}= Р_удАЧТ• F_АЧТ = 8,34*0,447= 3,7 Вт

Суммарная мощность будет равна:

P_изл= 1,15 + 4,68 + 3,7 ?10 Вт Мощность потерь на катоде Р_п складывается из мощности потерь за счет потерь катодного ввода, который служит для крепления катода в лампе и подаче на него потенциала и мощности потерь за счет керамики, которая крепит катод в лампе:

P_п = Р_п.кв+ Р_кер;

где Р_{кв. тепл} = потери за счет теплопроводности ;

P_кв.изл= потери за счет излучения.

где Т_кв — температура катодного ввода ;

T_кв = Т_к -500 = 500 К;

г-коэффициент излучения катодного ввода, г =0,1;

F_в — площадь сечения катодного ввода лвкоэффициент теплопроводности материала катодного ввода, лв_Ni = 0,65(Вт/см²•К);

П_в = П_кв — периметр катодного ввода ;

у — 5,67•10^-14(Вт/см²•К²) ;

Выбираем в качестве катодного ввода отрезок никелевой ленты с размерами:

1 = 0,05(см), 2 = 1(см), д = 0,03(см), получаем, что:

П_кв= 2(0,05+1) = 2,1(см) П_кер = р•д_кер•d_k = 3,14•0,3•0,58 =0,55 см Следовательно, мощность потерь на катоде будет равна :

Р_п= 0,684 + 0,1 = 0,784 Вт

Мощность накала составит :

Р_н = Р_п+ Р_изл = 0,785+ 10 =10,784 Вт;

При заданном U_н = 6,3(В), ток накала составит :

1.4 Расчет подогревателя Подогреватель представляет собой деталь из тугоплавкого материала, применяемого для нагрева катода косвенного накала. В качестве конструкции подогревателя выбираем складчатый (петлевой) подогреватель, а в качестве материала проволоку из сплава ВР — 50 — (50%W +50%Re).

Температуру подогревателя обычно выбирают такой:

T_п = Т_к + 500 = 1500 К.

Удельная мощность, рассеиваемая подогревателем, составляет

Р_уд = 8(Вт/см²).

Удельное сопротивление составляет: с_уд= 41,5*10^-6 (Ом•см).

Число петель подогревателя будет равно:

Т.к. число петель должно быть четным, принимаем n = 14. Кроме того, длина подогревателя должна быть увеличена на 3?5 мм с каждого конца, что необходимо для приваркивыводов подогревателя к выводам лампы. С учетом этого делаем перерасчет длины проволоки:

C учетом этого уточнения диаметр проволоки :

Для изоляции петель друг от друга и от катодной трубки проволока подогревателя должна быть покрыта слоем изоляции Al₂O₃(алунд). Примем толщину изоляции равной Д_из = 50(мкм).

С учетом этого диаметр подогревателя с изоляцией будет равен:

1.5 Расчет анодно-сеточного узла Как известно первеанс триода описывается следующим выражением :

;

Используя полученное в п. 1.1. значение G_minи полагая, что F_a?F_окс, находим расстояние от сетки до катода:

Задаемся шагом витков сетки p = 0,8(мм) и диаметром проволоки

2д = d_пс =0,1(мм).

Найдем расстояние от сетки до анода:

Выполним тепловой расчет сетки, целью которого является выбор материала сетки. Сетка генераторных триодов разогревается за счет двух факторов:

1)за счет теплового излучения катода P_изл.К;

2)за счет электронной бомбардировки, т. е. за счет сеточного тока, который появляется в лампе при ее работе в классе С.

Для расчета нагрева сетки за счет теплового излучения с катода определим так, называемый коэффициент Хоттеля :

=0,22 Вт Мощность, выделяемая на сетке за счет электронной бомбардировки, определяется следующим образом :

cosи_c = -E_c/U_mc=

Удельная мощность рассеяния:

где F_c = F_окс + (5?10)% ;

В качестве материала сетки выбираем цирконированныймолибден. Коэффициент интегрального излучения этого материала при Т = 400 °C (673 К) составляет e_t= 0,7.Тогда предельно допустимая мощность, рассеиваемая сеткой, будет равна:

где Р_уд.АЧТ — удельная мощность рассеяния абсолютно черного тела при t = 400 °C, Р_уд.АЧТ = 1,15(Bт).

Таким образом, Р_{С.уд.пред.} = 0,7*1,15 = 0,805(Вт).

Т.к. Р_С.уд ‹ Р_{С.уд.пред.}, то тепловой режим сетки будет допустимым и ее температура будет меньше 400 °C, что приемлемо для оксидных катодов.

Температуру сетки определим из закона Стефана-Больцмана:

Т=°С

1.6 Тепловой расчет анода Нагрев анода лампы происходит за счет двух факторов :

1)тепловое излучение с катода и управляющей сетки

2)электронная бомбардировка.

1 составляющая:

Для анода лампы выберем цилиндрическую конструкцию, при этом

Длину анодного цилиндра l_aвыбираем равной 20(мм) В качестве материала анода выбираем медь, интегральный коэффициент излучения которой равен e_t = 0,17(при Т_а? 600°С). Найдем предельную удельную мощность, рассеиваемую анодом:

Т.к. Р_аУД‹ Р_{аУД.АЧТ}, то при выборе меди в качестве материала анода его температура будет меньше 600 °C.

2.7 Тепловой расчет баллона В качестве материала баллона выбираем титановую керамику. Мощность, рассеиваемая баллоном лампы, равна сумме мощностей излучения с анода, сетки и катода:

С другой стороны, мощность, рассеиваемая поверхностью баллона равна :

где г = 0,2 — коэффициент интегрального излучения керамики;

F_б — площадь поверхности баллона.

Следовательно, F_б = р*l_б*d_б. Примем d_б = 35(мм), l_б = 50(мм). Находим:

F_б = 3,14*3,5*5 =54,95(см²);

Температура баллона будет равна:

Т.к. температура баллона металлокерамических ламп может составлять 700 °C, то размеры баллона являются удовлетворительными.

Список используемой литературы

1. Царев Б. М. Расчет и конструирование электронных ламп, — М. :" Энергия", 1967

2. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ, — М. :" Высшая школа", 1972