Исследование системы регулировки выходной мощности транспортируемых передатчиков для нужд службы оповещения МЧС РФ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Исследование системы регулировки выходной мощности транспортируемых передатчиков для нужд службы оповещения МЧС РФ

Янковский Е.В., Иванюшкин Р.Ю., МТУСИ

В настоящее время, в связи с большим числом чрезвычайных происшествий в мире, и в нашей стране в частности, системы оповещения населения стали играть одну из главных ролей в обеспечении безопасности. Начиная с 2007 г., служба МЧС Российской Федерации реализует комплексную программу "ОКСИОН" по обеспечению средствами оповещения мест массового пребывания людей. Система включает в себя информационные центры, табло, терминальные комплексы и прочие средства локального оповещения [1]. Но тогда, когда требуется оповестить о возникновении чрезвычайной ситуации население на значительной территории, такая система не будет являться эффективной, поэтому обычно используется сеть массового вещания — региональные радио- и телецентры. Однако подобная практика может иметь негативные эффекты, так как может вызвать панику среди большой массы населения, в том числе и на территориях, не подверженных влиянию ЧП. Дополнением к системе оповещения через районные центры может стать использование маломощных радиопередатчиков для оповещения о чрезвычайных ситуациях на локальных объектах и на небольших территориях с малоэтажной застройкой методом забития сигнала звукового сопровождения телевидения или радиовещания. Как показывают эксперименты [2, 3], для обеспечения локального оповещения посредством радиопередачи достаточно заместить сигнал звукового сопровождения телевизионной программы в данном населённом пункте (либо его части) сигналом менее мощного передатчика, но расположенного ближе к требуемому месту оповещения.

Маломощные передатчики целесообразно делать транспортируемыми и размещать их на специально оборудованных автомобилях. Для определения типа требуемой передающей аппаратуры необходимо знать, на каких каналах ведутся передачи в данной местности. Для этого достаточно иметь сканирующий приемник или, например, современный анализатор спектра с антенной. С использованием современного оборудования и компьютера процедура сканирования диапазонов занимает несколько минут, в течение которых можно выделить несущие частоты всех принимаемых в данной местности станций теле- и радиовещания. Для быстрой настройки передатчика на заданный канал он должен быть построен на основе синтезатора частоты и широкополосного усилительного тракта.

Исходя из вышеизложенного, главными особенностями транспортируемого передатчика для нужд службы оповещения являются:

• работа в широком диапазоне частот;

• крайне желательно питание от автомобильного аккумулятора напряжением 12 или 24 вольт;

• возможность регулировки выходной мощности в широких пределах для оперативного изменения радиуса действия, что напрямую связано с площадью зоны ЧС, а также с мощностью работающей в данной местности вещательной станции;

• наличие интерфейса для подключения к компьютеру с целью

точной и быстрой настройки на вещательные частоты данного района и регулировки выходной мощности;

• наличие нескольких легко развертываемых и сменяемых передающих антенн с различной шириной главного лепестка диаграммы направленности.

Работа в широком диапазоне частот предполагает наличие у службы оповещения комплекта из нескольких передатчиков, в совокупности перекрывающих весь диапазон частот радио- и телевизионного вещания. Каждый передатчик должен иметь собственный синтезатор частоты, модуляционное устройство, усилитель мощности и выходной фильтр гармоник.

Одной из основных проблем при построении передатчиков такого типа является разработка высокоэффективного способа регулировки полезной мощности, так как при частотной модуляции целесообразно использовать нелинейный режим работы для повышения КПД наиболее энергоемкой части передатчика — его усилителя мощности [4]. Это особенно важно в случае автономного питания, поскольку позволяет существенно упростить и удешевить рабочие аккумуляторные комплекты и (или) умформеры. Возможным решением является сочетание устройства регулировки напряжения возбуждения тракта усиления мощности с одновременной регулировкой его напряжения питания посредством импульсного регулятора напряжения, обладающего высоким КПД.

На рис. 1 приведено семейство выходных характеристик полевого транзистора, применяемого в блоке усилителя мощности, и его динамические характеристики. Максимальный КПД системы достигается при работе в граничном режиме (точка I), которому соответствуют амплитуда сигнала возбуждения (напряжение на затворе) ез1 и напряжение питания Ес1. Когда требуется уменьшить выходную мощность передатчика, посредством электронно-управляемого аттенюатора уменьшается амплитуда напряжения возбуждения (т.е. пиковый потенциал затвора изменяется от ез1 до ез2). При этом рабочая точка на динамической характеристике перемещается из положения I в положение II, и режим работы усилительного каскада переходит из граничного в недонапряженный, тем самым уменьшая КПД системы. Для возвращения каскада в режим с максимальным КПД (граничный, либо слабоперенапряженный), необходимо уменьшить напряжение питания (от Ес1 до Ес2), что приведет к смещению динамической характеристики и рабочей точки в положение III.

Компьютерное моделирование позволяет получить общий вид зависимости требуемого напряжения питания от амплитуды входного сигнала при сохранении граничного режима работы усилительного элемента (рис. 2). В области больших амплитуд данная зависимость линейна, что позволяет применять известные теоретические формулы при расчете каскада.

Так как КПД усилительного тракта будет являться произведением КПД непосредственно усилителей и КПД регулировочной схемы (через которую протекает весь ток потребления каскадов), то последняя также должна быть как можно более энергетически эффективной. Этому критерию соответствует импульсный регулятор пита-

Рис. 1. Принцип регулировки питания усилителя при работе в граничном режиме

юшего напряжения усилительных каскадов, пример реализации которого, смоделированный в программе Micro-Cap 8.0, представлен на рис. 3.

Схема построена на основе понижающего импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) и работает схожим образом [5]. В рассматриваемом варианте схемы импульсного регулятора применяются программируемые микросхемы (V2 и V3) с крайне малым током потребления, так как они, выступая в роли генераторов прямоугольных импульсов изменяемой скважности, позволяют с высокой точностью задавать напряжение в определенных точках схемы. Также, в отличие от другой часто используемой схемы импульсной регулировки с ШИМ, отсутствует согласующий импульсный трансформатор, что приводит к небольшому повышению КПД, а также к удешевлению устройства. Зависимость выходного напряжения схемы от скважности импульсов V3 отображена на рис. 4 в виде семейства графиков. Наибольшему выходному напряжению соответствует наибольшая скважность управляющих импульсов, так как в тот период, когда транзистор Х2 находится в открытом состоянии, ток через М1 не протекает.

Регулировку выходной мошности необходимо производить одновременным изменением напряжения возбуждения и напряжения питания, чтобы режим работы усилителя сохранялся неизменным.

D1

V1 т

-W-' L1 4

JLC1

X1 ill

R2

М1 “IfГ

X!

D2

-ОЛРГ'-' L2 4

JLC2

R4:

V3

©

1

Ркс. 2. Регулировочная характеристика усилительного элемента

При этом изменение КПД усилительного элемента будет минимальным, и будет определяться его технологическими особенностями, а также степенью использования по мощности. Например, в документации на полевой транзистор MRF1535N фирмы Motorola приводятся следующие графики зависимости КПД от напряжения питания (рис. 5).

Оконечные каскады современных радиовещательных передатчиков чаще всего реализуются на транзисторных усилительных модулях, построенных по двухтактной схеме, работающей в режиме класса В. В качестве усилительных элементов целесообразно применение мощных полевых транзисторов, обладающих достаточно высокими коэффициентами усиления. Простые расчеты показывают, что работа усилительного элемента в граничном режиме с максимальной достижимой для этого усилительного прибора выходной мощностью имеет невысокий КПД [5]:

P=

ил = Uc (Emm - uc дв)

2 2R ’

Рис. 3. Импульсный регулятор питающего напряжения усилительных каскадов

где 11с — амплитуда переменного напряжения на стоке транзистора, !с — амплитуда первой гармоники тока стока, а! (0) — коэффициент Берга и Рнас — сопротивление транзистора в режиме насыщения. Нетрудно показать, что максимум этой функции соответствует амплитуде 11с = 0,5Епит, т.е. при граничной величине коэффициента использования по напряжению ^гр = 0,5. Выражая КПД через коэффициент использования по напряжению £, и подставляя полученное значение 11с, возможно найти его теоретическое значение:

кпд=(«аам , 0,5 аа0 , 0,25 аЖ,

" '«,(0) «,«>)£_ а,т

что для работы суглом отсечки 8 = 90° дает величину КПД равную 0,393.

Малое значение КПД при максимально возможном использовании усилительного прибора по мощности обусловлено тем, что величина полезной мощности пропорциональна квадрату амплитуды выходного напряжения, и при малых амплитудах нарастает медленнее, чем потребляемая мощность, которая линейно зависит от 11с [6].

На рис. 6 приведены расчетные графики нормированной полезной мощности, КПД и граничного значения коэффициента использования по напряжению для поле-

R3:

вого транзистора MRF1535N.

Рис. 4. Графики напряжения на резисторе ІІ3 в зависимости от скважности управляющих импульсов S

КПД <°о) 80

70

60

50

40

135 МГц

175 МГц

I во ю = Р вх = 0.25 А Вт

10

12

13

14

15

Е пит. В

Рис. 5. Зависимость КПД транзистора М1№1 535 от величины питающего напряжения

1 1 1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

О

Р норм КПД

. *'

У * * У І г'

/ в X

//

if і/

/

!

0.5

1.5

2

R экв.

2.5

Ом

І.5

Рис. 6. Зависимость параметров транзистора от эквивалентного выходного сопротивления

Здесь R — эквивалентное сопротивление нагрузки транзистора, равное отношению амплитуды напряжения на стоке к амплитуде первой гармоники тока стока. Эта величина определяет наклон динамической характеристики. Варьируя величину данного параметра, можно подобрать оптимальное соотношение между высотой импульса стокового тока и амплитудой выходного (стокового) напряжения таким образом, чтоб режим работы усилительного каскада оставался граничным (где при заданном значении обеспечивается максимум полезной мощности и близкий к максимальному КПД) при одновременном обеспечении приемлемых значений как КПД, так и полезной мощности. Ориентируясь на рис. 6, можно рекомендовать оптимальное значение Rэкв в пределах 1 -1,5 Ом. Для еще большего повышения КПД каскада часто принимают и дополнительные известные меры: переход из граничного режима в слабо-перенапряженный, а также переход из режима класса В в режим класса С с углом отсечки около 80 градусов.

Таким образом, при проектировании передатчиков системы оповещения требуется такой выбор усилительных элементов и режима их работы, который бы обеспечил высокий показатель КПД всей системы с одной стороны, а с другой — необходимую мощность для покрытия определенной зоны, на которой производится оповещение населения. Схема регулировки питания усилительных каскадов также должна обеспечивать как можно более высокий КПД.

Литература

1. Официальный сайт МЧС РФ http://www.mchs.gov.ru .

2. Шендерович АМ Включение телевизора и радиоприемника может обеспечить вашу безопасность. Новые технологии оповещения населения о ЧС//Противопожарные и аварийно-спасательные средства. — 2007. — № 2. — С. 44-45.

3. Янковский Е.В, Иванюшкин РЮ. Технические особенности транспортируемых передатчиков для нужд службы оповещения МЧС РФ//Труды Московского технического университета связи и информатики. — М.: ИД Медиа Паблишер, 2008. — Т. 1. — С. 237-239.

4. Радиопередающие устройства. Под ред. В.В.Шахгильдяна. — М.: Радио и связь, 1996. — 560 с.

5. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И. Конева. — М.: Радио и связь, 1990. — 280 с.

6. Кризе СИ. Усилительные устройства. — М.: Связь, 1968. — 336 с.