17 Chơng Máy phát 2.1 Định nghĩa phân loại Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu môi trờng truyền sóng nh hình 2.1 Trong máy phát thiết bị phát tín hiệu dới dạng sóng điện từ đợc biểu diễn dới hình thức Máyphá Máyphá tt Môi trờng Truyền sóng Máy Máy thu thu Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thiết bị mang thu phát Sóng điện từ gọi sóng hay tải tin làm nhiệm vụ chuyển tải thông tin cần phát tới điểm thu Thông tin đợc gắn với tải tin theo hình thức điều chế thích hợp Máy phát phải phát công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu nhiễu đủ lớn cho máy thu Máy phát phải sử dụng điều chế xác để bảo vệ thông tin đợc phát đi, không bị biến dạng mức Ngoài ra, tần số hoạt động máy phát đợc chọn vào kênh vùng phủ sóng theo qui định hiệp hội thông tin quốc tế (ITV) Các tần số trung tâm máy phát phải có độ ổn định cao Do đó, tiêu kỹ thuật máy phát là: Công suất ra, tần số làm việc, độ ổn định tần số, dải Máy Máy tần số điều chế Có nhiều cách phân loại máy phát phát phát 2.1 Theo công dụng Phát Phát Thông Thông tin tin Cố Cố định định Di Di động động Phát Phát Chg Chg trình trình Phát Phát thanh Phát Phát hình hình Phát Phát ứng ứng dụng dụng Đo Đokh kh cách cách Ra Ra đa đa Hình 2.2 Phân loại máy phát theo công dụng 18 2.1.2 Theo tần số + Phát thanh: + 3KHz ữ 30KHz (100Km ữ 10Km): đài phát sóng cực dài VLW + 30KHz ữ 300KHz (10Km ữ 1Km): đài phát sóng dài LW + 300KHz ữ 3000KHz (1Km ữ 100m): đài phát sãng trung MW + 3MHz ÷ 30MHz (100m ÷ 10m): đài phát sóng ngắn SW + Phát hình: + 30MHz ữ 300MHz (10m ữ 1m): đài phát sóng mét + 300MHz ữ 3000MHz (1m ữ 0,1m): đài phát sóng dm + Thông tin Vi ba Rađa: + 3GHz ữ 30GHz (0,1m ữ 0,01m): đài phát sóng cm + 30GHz ữ 300GHz (0,01m ữ 0,001m): đài phát sóng mm 2.1.3 Theo phơng pháp điều chế + Máy phát điều biên (AM) + Máy phát đơn biên (SSB) + Máy phát điều tần (FM) máy phát điều tần âm (FM Stereo) + Máy phát điều xung (PM) + Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM + Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK + Máy phát khoá dịch tần FSK 2.1.4 Theo công suất + Máy phát công suất nhỏ Pra 1000KW 19 Ngày nay, máy phát công suất nhỏ trung bình ngời ta sử dụng hoàn toàn BJT, FET, MOSFET công suất, máy phát có công suất lớn cực lớn ngời ta thờng sử dụng loại đèn điện tử đặc biệt 2.2 Sơ đồ khối tổng quát loại máy phát 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát máy phát điều biên (AM) Tiền TiềnKĐ KĐ âm âmtần tần KĐCSÂT KĐCSÂT KĐCSCT KĐCSCT Mạch Mạchra Tiền TiềnKĐ KĐ Cao tần Cao tần TBị an TBị an toàn toàn &làm &lµm ngi ngi Khèi Khèi chđ chđ sãng sãng Ngn Nguồn Cung Cung cấp cấp Hình 2.3 Sơ đồ khối tổng quát máy phát điều biên AM + Tiền khuếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuếch đại điện áp tín hiệu vào đến mức cần thiết để đa vào tầng khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT) Vì máy phát AM biên độ điện áp âm tần yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (m lớn) nên tầng thờng có tầng khuếch đại micro khuếch đại điện áp mức cao + Khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT): có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn để tiến hành điều chế tín hiệu cao tần + Khối chủ sóng (Dao động): có nhiệm vụ tạo dao động cao tần (sóng mang) có biên độ tần số ổn định, có tầm biến 20 đổi tần số rộng Muốn vậy, ta dùng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC) + Khối tiền khuếch đại cao tần (TKĐCT): đợc dùng để nhân tần số khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết để kích thích cho tần công suất làm việc Nó có nhiệm vụ đệm, làm giảm ảnh hởng tầng sau đến độ ổn định tần số khối chủ sóng Vì vậy, có nhiều tầng: tầng đệm, tầng nhân tần tầng tiền khuếch đại công suất cao tần (TKĐCSCT) + Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT): có nhiệm vụ tạo công suất cần thiết theo yêu cầu công suất máy phát Công suất yêu cầu lớn số tầng khuếch đại khối KĐCSCT nhiều + Mạch để phối hợp trở kháng tầng KĐCSCT cuối anten để có công suất tối u + Anten để xạ lợng cao tần máy phát thành sóng điện từ truyền không gian + Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor đèn điện tử công suẩt + Ngoài ra, máy phát phải có thiết bị an toàn thiết bị làm nguội 2.2.2 Sơ đồ khối tổng quát máy phát đơn biên (SSB) Thiết Thiết bị bị đầu đầu vào vào Bộ kích thích đơn biên Bộ Bộ điều điều chếđ chếđ ơn ơn biên biên f1 Bộ Bộ đ đ ổi ổi tần tần Suy Suy giả giả mm Bộ Bộtổng tổnghợp hợp tần số tần số Bộ Bộ lọc lọc 1 KĐại KĐại dđộn dđộn g g đchế đchế HTDD HTDD tÇng tÇng ra Bé Bé läc läc 2 f2 Nguån Nguån cung cung cÊp cÊp TB TBan an toàn toàn&& làm làmnguội nguội Hình 2.4 Sơ đồ khối tổng quát máy phát đơn biên 21 Ngoài yêu cầu kỹ thuật chung máy phát, máy phát đơn biên (SSB) phải có thêm số tiêu kỹ thuật sau đây: - Mức méo phi tuyến - 35 dB - Bề rộng kênh thoại tổng số kênh thoại - Tần số làm việc: 1MHz - 30 MHz Việc xây dựng sơ đồ khối máy phát đơn biên có số đặc điểm riêng so với máy phát điều biên (AM) điều biên cân lọc dải hẹp đợc sử dụng để tạo nên tín hiệu đơn biên, nhng công suất bị hạn chế vài mW Nếu sóng mang dải tần số cao (sóng trung sóng ngắn) thực đợc lọc với yêu cầu cần thiết (dải thông hẹp, sờn dốc đứng ) xuất nhiễu xuyên tâm kênh, làm giảm tỷ số tín hiệu nhiễu Vì vậy, máy phát đơn biên tần số sóng mang để tạo đơn biên khoảng tần số trung gian: ( f =100KHz-500KHz) Do đó, sơ đồ cấu trúc máy đơn biên gồm tạo tín hiệu đơn biên tần số trung gian (100-500)KHz sau nhờ vài đổi tần để chuyển đến phạm vi tần số làm việc ( f =1MHz-30MHz) nhờ khuếch đại tuyến tính để khuếch đại đến công suất cần thiết + Thiết bị đầu vào: thờng làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm tần tín hiệu bé hạn chế tín hiệu âm tần tín hiệu lớn + Bộ điều chế đơn biên (BĐCĐB): máy phát công suất lớn BĐCĐB thờng đợc xây dựng theo phơng pháp lọc tổng hợp Trong máy phát công suất nhỏ, yêu cầu kỹ thuật không cao nên sử dụng điều chế đơn biên theo phơng pháp lọc - quay pha Khi việc điều chế tín hiệu đơn biên 22 đợc thực tần số làm việc nên không cần có đổi tần lọc + Bộ tổng hợp tần số máy phát đơn biên: thiết bị chất lợng cao phức tạp Nó phải bảo đảm tần số sóng mang gốc ( f ) tần số khác ( f ) có độ ổn định tần số cao ( f = 10 ữ 10 ) Vì vậy, cần dùng thạch anh để tạo tần số gốc f + Bộ đổi tần: thực chất khuếch đại cộng hởng để lấy thành phần hài f = nf Chính nhờ đổi tần mà độ ổn định tần số máy phát tăng lên + Bộ lọc 1: có nhiệm vụ lọc sản phẩm trình đổi tần + Bộ khuếch đại dao động điều chế (KĐDĐĐC): phụ thuộc vào công suất mà có số tầng từ đến Để điều chỉnh đơn giản, một, hai tầng đầu khuếch đại dải rộng không điều hởng Còn tầng sau khuếch đại cộng hởng + Hệ thống dao động tầng dùng để triệt xạ hài để phối hợp trở kháng Trong máy phát đơn biên lọc đầu thờng hay hai lọc hình ghép với chúng thờng có phần tử điều chỉnh độ ghép để nhận đợc tải tốt máy phát Tầng KĐDĐĐC đơn sử dụng đơn giản so với tầng đẩy kéo Song sử dụng tầng đơn gặp khó khăn không phối hợp trở kháng với anten sóng ngắn đối xứng Đối với máy phát công suÊt Pra = (20 - 40)Kw ngêi ta dïng biến áp đối xứng có lõi Ferrite Còn máy phát công suất Pra = 100Kw ngời ta dùng biến áp đối xứng lõi + Bộ lọc 2: dùng để triệt thành phần cao tần xuất dải tần số truyền hình, nên gọi lọc tín hiệu truyền hình Đối với máy thu đơn biên ta phải đổi tín hiệu đơn biên thành điều biên để thực tách sóng trung thùc Mn vËy 23 ph¶i phơc håi sãng mang, điều yêu cầu vòng khoá pha PLL Do đó, máy phát không triệt tiêu hoàn toàn tần số sóng mang mà giữ lại sóng mang có biên độ (5-20)% Tần số đợc gọi tần số lái, đợc phát tín hiệu đơn biên Nhờ máy thu đơn biên khôi phục tín hiệu cách xác nhờ hệ thống tự động điều chỉnh tần số AFC 2.2.3 Sơ đồ khối máy phát am đa kênh ghép kênh FDM Dđộg Dđộg sóg sógmg mg phụ phụ11 Kênh Tầng Tầng K K.Đại Đại Điều Điều chế chế cân cân bằng Bộ Bộlọc lọc 11 Điều Điều chế chế cân cân b»ng b»ng Bé Béläc läc 22 D®ég D®ég sãg sãgmg mg phụ phụ22 Kênh Tầng Tầng K K.Đại Đại Dđộg Dđộg sóg sógmg mg phụ phụnn Kênh n Tầng Tầng K K.Đại Đại Điều Điều chế chế AM AM D§ D§sg sg mg mg chÝnh chÝnh §iỊu §iỊu chÕ chÕ c©n c©n b»ng b»ng M¹ch M¹ch ghÐp ghÐp t¹o t¹otÝn tÝn hiƯu hiƯu tỉng tổng hợp hợp Bộ Bộlọc lọc nn KĐCSCT KĐCSCT Mạch Mạchra TBị an TBị an toàn toàn &làm &làm nguéi nguéi Nguån Nguån Cung Cung cÊp cÊp H×nh 2.5 Sơ đồ khối máy phát đa kênh AM ghép kênh FDM 24 2.2.4 Sơ đồ khối tổng quát máy phát đIều tần Fm Tiền TiềnKĐ KĐ âm tần âm tần TĐKháng TĐKháng ++ĐC ĐCFM FM Nhân Nhân tần tần KĐCSCT KĐCSCT +mạch +mạch ra Khối Khối chủ chủsóg sóg (DĐ) (DĐ) TBị an TBị an toàn toàn &lµm &lµm nguéi nguéi Nguån Nguån Cung Cung cÊp cÊp Hình 2.6 Sơ đồ khối tổng quát máy phát điều tần FM Tầng điện kháng: sử dụng phần tử điện kháng để biến đổi tín hiệu âm tần thành điện kháng thay đổi (dung kháng cảm kháng biến thiên) để thực việc điều chế FM Phần tử điện kháng Transistor điện kháng, đèn điện kháng Varicap (điện dung biến đổi theo điện áp đặt vào Varicap) 2.2.5 Sơ đồ khối tổng quát máy phát Fm chất lợng cao fIF= 10MHz Tiền TiềnKĐ KĐ âm âmtần tần FRF= 100MHz TĐKháng TĐKháng ++ĐC ĐCFM FM Tách Táchsg sg ++KĐ DC KĐ DC Nhân Nhân tần tần (x10) (x10) 100MHz 1MHz K.K.đại đại trug trug gian gian Trén Trén sãng sãng 1MHz K§CSCT K§CSCT +mạch +mạch ra Dao Dao động động chuẩn chuẩn Nhân Nhân tần tần 9,9MHz 99MHz Hình 2.7 Sơ đồ khối tổng quát máy phát điều tần 25 2.3 Các mạch ghép máy phát Mạch ghép để ghép tầng ghép tầng máy phát với anten Yêu cầu chung mạch ghép: Phối hợp trở kháng Đối với mạch ghép tầng: yêu cầu trở kháng vào tầng phản ảnh với trở kháng cộng hởng tầng trớc tạo thành trở kháng sóng tối u, đảm bảo công suất hiệu suất tầng lớn Đối với mạch công suất: việc phối hợp trở kháng tầng khuếch đại công suất cao tần anten nhằm đạt đợc công suất lớn Đảm bảo BĂNG thông (B) Mạch lọc đầu phải đảm bảo cho biên biên độ không giảm 3dB Mặt khác dải thông tỉ lệ nghịch với hƯ sè phÈm chÊt cđa khung céng hëng ( B = fo ) Vì để đảm bảo Q dải thông hệ số phẩm chất ta phải dùng nhiều lọc ghép với Đảm bảo hệ số lọc hài cao Đối với máy phát có công suất lớn, yêu cầu thành phần hài nhỏ Do đó, mạch ghép phải bảo đảm độ suy giảm đạt yêu cầu tần số hài không mong muốn Điều chỉnh mạch ghép 26 Trong dải tần rộng thay đổi độ ghép với tải để có tải tối u Nói chung đồng thời thoả mãn yêu cầu mà tuỳ trờng hợp cụ thể để xét yêu cầu quan trọng, yêu cầu nào thứ yếu Ví dụ + Đối với tầng tiền khuếch đại, yêu cầu phối hợp trở kháng chính, không yêu cầu độ chọn lọc cao, không cần hiệu suất cao nên cần dùng mạch cộng hởng đơn + Đối với tầng ra, yêu cầu hiệu suất cao, độ lọc hài cao nên dïng m¹ch céng hëng phøc t¹p 2.3.1 tinh chØnh anten Đối với tầng trớc cuối điện trở tải điện trở vào tầng sau Còn tầng cuối điện trở tải điện trở phiđơ Thực chất phiđơ trở rA , dung kháng rA jX A , cảm kháng rA + jX A Nhng anten trở công suất anten míi lín nhÊt Mn vËy, ph¶i chØnh anten céng hëng tần số làm việc phận tinh chỉnh Nếu rA jX A chỉnh Lc rA + jX A chỉnh C C nh h×nh 2.8 H×nh minh häa tinh chØnh cđa anten Hình 2.8 Sử dụng cuộn cảm tụ để tinh chỉnh anten 27 2.3.2 Ghép biến áp (ghép hỗ cảm) Mạch ghép biến áp mạch ghép đợc sử dụng phổ biến máy phát Hình 2.9 Mạch ghép tải biến áp Từ mạch ghép biến áp trên, ta đa sơ đồ tơng đơng bên sơ cấp nh hình 2.10: C L1 r rfa Hình 2.10 Sơ đồ tơng tơng mạch đợc qui bên sơ cấp Trong đó, điện trở phản ảnh đợc xác định nh biểu thức: (M ) X gh rfa = = RL RL (2.1) 28 Với: RL điện trở tải +M M = k L1 L2 : Hỉ c¶m (2.2) + L1, L2 +k : Trị số điện cảm cuộn sơ cấp vµ thø cÊp : HƯ sè ghÐp phơ thc kÕt cấu cuộn dây: - Nếu Sóng ngắn : k = 0,01 ÷ 0,1 (ghÐp rÊt láng) Sãng trung : k = 0,5 ữ 0,9 (cuộn dây có lõi từ tính, ghép chặt) * Điện trở cộng hởng riêng mạch sơ cấp: L1 RK = = rC r víi ρ= L1 C (2.3) * §iƯn trë cộng hởng mạch có tải: Rtd = r + r fa (2.4) * HiƯu st cđa mạch ghép biến áp đợc biểu diễn biểu thức: η BA = PL P1 (2.5) Trong ®ã : PL : công suất hữu ích tải P1 : Công suất cuộn sơ cấp BA = I K r fa r fa + r − r PL r = = = 1− P1 r + r fa r + r fa I K (r + r fa ) (2.6) Tõ biÓu thức (2.6) ta nhận thấy để hiệu suất biến áp cao ( BA = 0,9 ữ 0,95) r fa = (10 − 20)r Mµ mn r fa lín từ (2.1) ta thấy RL phải nhỏ biến áp phải ghép chặt để có hỗ cảm M 29 lớn Thờng điện trở tải cho trớc không đổi, nên để tăng r fa ta phải tăng M Biểu thức (2.6) đợc viết lại dới dạng: R P ρ / RK = L = − 12 = − td P1 RK ρ1 / Rtd BA (2.7) Với : RK, Rtđ điện trở tơng đơng mạch cộng hởng RL = RL Nh vậy; để hiệu suất biến áp cao RK phải lớn, mà: R K = Qo ρ1 ; Víi Qo: hƯ sè phÈm chÊt cđa riêng khung cộng hởng , nên Qo phải lớn (Qo = 50 - 200) Mặc khác ta thay đổi độ ghép hỗ cảm M cho Rtđ = Rtđtớihạn để cã hiƯu st cao nhÊt 2.3.3 C¸c bíc thiÕt kÕ mạch ghép biến áp Khi thiết kế ta thờng đợc biết trớc điều kiện: PL , tần số góc chọn Q1 tùy theo tần số Ta tiến hành số bớc tính toán nh sau: BiÕt PL, chän (η BA = 0,9 ÷ 0,95) tùy theo công suất yêu cầu theo bảng dới đây: C«ng st HiƯu PL < 1W 1W ≤ PL < 10W suÊt 0,7 ÷ 0,8 0,75 ÷ 10W ≤ PL < 0,85 0,84 ÷ 100W 100W ≤ PL < 0,93 0,92 ÷ 1KW 1KW ≤ PL < 0,96 0,95 ÷ 30 10KW PL ≥ 10KW 0,98 0,97 P1 = Xác định Chọn Điện PL BA Vcm = (0,8 - 0,9) Vcc trë céng hëng cã Vcm2 Rtd = 2P1 t¶i Chän hƯ sè phẩm chất khung cộng hởng sơ cấp có tải: Q1 = (10 ữ 50) Tính trở kháng đặc tính mạch sơ cấp = RK Rtd = Qo Q1 Xác định L1, C': L1 = ρ1 ω vµ C ' = C1 + C KS = ωρ1 CKS = CCE cña Transistor ; nÕu C1 ≥ 10 CCE th× C'≈ C1 HƯ số phẩm chất riêng khung cộng hởng sơ cấp: Qo = RK Rtd ®ã: R K = ρ1 − η BA TÝnh ®iƯn trë tỉn hao cuộn sơ cấp không có tải: r = ρ1 ρ1 vµ r + r fa = suy Qo Q1 r = 12 r + r fa = RK Rtd 10 Tính hỗ c¶m : M = r fa R L ω 11 Tính giá trị cuộn cảm bên thứ cấp : M2 L2 = k L1 31