این فرستنده از 3 طبقه نوسان ساز و فولاتور و تقویت کننده توان درست شده است و طرز کار آن بدین صورت است که نوسان ساز سیگنال حامل یا کریر را ایجاد میکند و منبع موزیکال ما هم سیگنال پیام را تولید میکند.
سگینال پیام ما در ابتدا دارای فرکانس بسیار کمی است برای همین در طبقه دوم موولاتور وظیفه سوار کردن سیگنال پیام بر روی سیگنال حامل تولیدی از طبقه اول و افزایش فرکانس آن را برعهده دارد که همان مدولاسیون است و سیگنال خروجی ما از طبقه دوم وارد طبقه سوم یا تقویت کننده توان ما می‌شود و در این مرحله سطح سیگنال افزایش یافته و توان آن زیاد می‌شود در این مرحله ما با استفاده از 2 خازن تریمر و تنظیم آنها یعنی چرخاندن پیچ تنظیم آنها می‌توانیم ماکزیمم توان را به خروجی بدهیم و در انتها ما در خروجی طبقه سوم یک آنتن دایپل با مقاومت (اهم) استفاده کرده‌ایم و به دلیل اینکه خروجی طبقه سوم ما R0 نیز 75 اهم است از شبکه منطبق استفاده نکردیم آنتن دایپل به صورت کروی و در همه جهات امواج و سیگنال ما را پخش میکند یعنی می‌فرستد و ما یا تنظیم گیرنده که در اینجا رادیو است بر روی فرکانس کاری یعنی 5/108-88 مگاهرتز می‌توانیم سیگنال فرستاده شده را به خوبی و وضوح تا فاصله 4km دریافت کنیم این سیگنال همان سیگنال پیام است که منبع موزیکال آن را تولید کرده بوده در واقع این فرستنده حکم یک رادیو محلی را دارد که ساکنان آن محل با تنظیم فرکانس رادیو خود می‌توانند امواج ما را دریافت کنند این امواج می‌تواند هر سیگنالی باشد در اینجا موسیقی حاصل از منبع موزیکال است و اگر از میکروفن خازنی به جای منبع موزیکال استفاده می‌کردیم ساکنان می‌توانند امواج سیگنال حاصل از صحبت کردن ما در میکروفون خازنی را دریافت کنند.
در اینجا ما یک فرستنده fm با توان 400 میلی وات داریم و نوع مدولاسیون آن WIOEBANDFM بوده و دارای فرکانس کاری 5/108-88 مگا هرتز می باشد این فرستنده تا محدوده 4km را پوشش می‌دهد.
نکته:
1.
در این فرستنده مقاومت خروجی‌ها R0 بوده و آنتن ما هم 75 اهم است در نتیجه از شبکه تطبیق استفاده نکردیم.
2.
ما از نسب سطحی استفاده کرده‌ایم تا نویز را به حداقل مقدار خود برسانیم و به دلیل حساسیت فوق العاده، این فرستنده روی برد بورد تا برد 4000 سوراخه اصلا جواب نمی‌دهد و حتما باید نسب سطحی انجام دهیم (مدل جزیره‌ای)
3.
ما می‌توانستیم به جای مواد موزیکال از میکروفن خازنی استفاده کنیم تا به جای موزیک صدای انسان پخش شود ولی به دلیل راحتی کار برای تنظیم و پخش مواوم صدا از مدار موزیکال استفاده کرده‌ایم.
4.
این فرستنده دارای منبع تغذیه یا ولتاژ 9 تا 14 ولت می‌باشد ولی به دلیل قدرت فوق العاده در 9 ولت هم به خوبی جذب می‌گیریم.
مشخصات فنی:
منبع تغذیه: 12 تا 14 ولت DC رگوله شده (100 ملیی متر)
قدرت خروجی: 400 میلی وات
امپدانس خروجی: 50 تا 75 اهم
نوع مدولاسیون: WIDE BAND FM
محدوده فرکانسی: 5/87 تا 108 هرتز
نقشه شماتیک:
نقشه شماتیک مدار در شکل زیر ضمیمه شده است.
در متن اصلی این پایان نامه طرز کار مدار توضیح داده شده است.
این نقشه را در spicc طراحی کرده‌ام که به همراه طراحی تفکیک شده طبقات اول و دوم در ادامه آورده‌ام.
ساخت مدار: در مورد فیبر مدار فرستنده ساخته شده یک نکته بسیار مهم وجود دارد: همگی قطعات مدار از سمت مسی مدار چاپی روی آن نصب می‌شوند و هیچگونه سوراخکاری در فیبر مدار چاپی انجام نمی‌شود.
به دلیل حساسیت مونتاژ، نصب قطعات بایستی دقیقا مانند نقشه جزیره‌های (Island) چاپ شده توسط نرم افزار انجام شود.
در جدول چاپ شده فهرست قطعات مدار مشاهده می‌شود.
برای ساخت و مونتاژ مدار بایستی به نکات زیر توجه کرد: - خازن‌ها غیر الکترولیک و‌از نوع(عدسی) سرامیک هستند و‌از به کار بردن خازنهای پلی استر (که در فرکانس بالا خوب عمل نمی‌کند) خودداری کرده‌ایم.
- همگی سیم پیچ‌ها از سیم مسی 7/0 میلی متر روی استوانه بقطر داخلی 6 میلی متر و به تعداد دور مشخص شده در جدول پیچیده می‌شوند.
پس از پیچیدن هر سیم پیچ می‌توان استوانه (Former) را از آن خارج نمود.
- ورودی مدار (اتصال به منبع صوتی) در محل Audio Source می‌باشد و مقاومت متغیر (پتانسیومتر ولوم دار) R2 حجم صدای ورودی را کنترل میکند.
- مقاومت متغیر R1 با تغییر دادن ولتاژ دیود واریکاپ D1 فرکانس نوسان مدار را تغییر می‌دهد.
(در طبقه اول) - خروجی مدار محل Vout در شماتیک Pspice می‌باشد که بوسیله یک کابل 75 اهمی (Coaxial) به آنتن دایپل متصل می‌شود.
تنظیم مدار: یک عدد لامپ 6 ولت (100 میلی آمپر) را به خروجی اتصال داده و با تغییر دادن R1 دستگاه را روی فرکانس مورد نظر تنظیم می‌کنیم.
ممکن است نیاز باشد حلقه‌های سلف با هسته هوایی L1 را کمی باز و بسته کنیم تا فرکانس مورد نظر بدست آید.
سپس‌بوسیله تغییر‌و تنظیم‌خازنهای تریمر C14 و(Trimmer) C15 می‌توان به بیشترین شدت روشنایی لامپ) دست پیدا کرد.
سپس آنتن و ورودی صوتی را به مدار اتصال می‌دهیم.
مقاومت متغیر R2 را برای دریافت قویترین صدا تنظیم می‌کنیم.
با آنتن مناسب (آنتن دایپل با طول زیاد و در فضای خارج) فرستنده پوشش بسیار خوبی در فاصله 500 متری می‌دهد و حداکثر فضای پوشش فرستنده بیش از 4 کیلومتر است.
این فرستنده از 3 طبقه تشکیل شده است.
- طبقه اول: تحلیل و طراحی نوسانساز کولپیتس فرستنده: نوسانساز کولپیتس بیس مشترک را به این خاطر برگزیده‌ام که غالبا به عنوان نوسانساز RF به کار می‌رود.
این نوسانساز دارای این مزایاست که می‌توان آن را تا حوالی فرکانس fa ترانزیستور به کار برد (به خاطر آرایش بیس مشترکی که دارد) و در آن نیازی به القاگر با سر وسط (به صورت به کار رفته در نوسانساز هارتلی) نیست.
در تحلیل سیگنال کوچک ترانزیستور را به صورت شکل 1 مدل می‌کنیم.
این مدار از مدل هیبرید پای گرفته شده است.
البته اعتبار آن زیر سوال است ولی نتایج حاصل از آن با نتایج به دست آمده از آزمایش اکثر نوسانسازها مطابقت خوبی دارد.
مدار کامل نوسانساز در شکل 2 به چشم می‌خورد.
در این شکل RL مقاومت بار و Cf خازن تنظیم فرکانس است.
شکل1.
مدار معادل ترانزیستور برای تحلیل نوسانساز کولپیتس.
(با اجازه از کتاب Searls, boothroyd, Angelo, Gray, and Pederson, Elementury Circuit Properties of Transistors, John Wiley g Sons, Ins., , Copyright 1964.) C1 و C2 نسبت فیدبک را مشخص میکند، Re مدار را در مقابل تغییرات امپدانس ورودی ترانزیستور پایدار میکند.
R1,Re و R2 وضعیت بایاس (نقطه کار) را تعیین می‌کنند، و Lt القا کنایی مدار تانک است.
توجه کنید که Lt با Co, Cf, RL و ترکیب سری C1 و C2 موازی است.
خفه کن (چوک) RF واقع در پایه امیتر نمی‌گذارد که توان RF در RE تلف شود.
خازن CB در فرکانس کار بیس را به زمین اتصال کوتاه میکند، و Cc یک خازن تزویج کم امپدانس است که نمی‌گذارد سیگنال dc به‌بار برسد.
مقاومت سری پیچک Lt، و rc در عملکرد مدار‌مهم است،برای در‌نظر گرفتن آن بهترین کار این است که به جای آن مقاومت معادل موازی ضریب کیفیت پیچک است، گذاشته شود.
مقاومت Re باید آنقدر بزرگ باشد (در حدود ) که اثر القا کنایی ورودی ترانزیستور را بپوشاند.
این کار تحلیل را ساده کرده، بستگی فرکانس کار به پارامترهای ترانزیستور را به قیمت تلف کردن بخشی از توان RF در Re، کم میکند.
برای سهولت تحلیل این کمیاب را تعریف می‌کنیم: (1) (2) با گذاشتن مدار معادل ترانزیستور و فرض (1) بی نهایت بودن امپدانس خفه کن RF، (2) صفر بودن راکتانسC b و Cc مدار معادل شکل 2 به دست می‌آید که در آن Is منبع فرضی پالس نویز شروع کننده نوسان را نشان می‌دهد.
که معادل آنها در فرستنده‌ها روبروی آن آمده است.
شکل 2.
مدار عملی نوسانساز کولپیتس که در آن تمامی عناصر نشان داده شده‌اند.
برحسب پارامترهای Gi= 1/Ri و gt=1/R1 و برای فرکانس مختلط S، معادلات گره‌ای مدار عبارت انداز: (3) ولتاژ خروجی برحسب دترمینان شبکه و هم عامل عبارت است از .
(4) که در آن (5) (6) شکل 3.
مدار معادل نوسانساز کولیپتس اگر شرایط نوسان فراهم شود، (4) یک زوج ریشه مزدوج مختلط در نیم صفحه راست صفحه S خواهد داشت.
شرط حدی شروع نوسان واقع بودن ریشه‌ها بر روی محور است.
این شرط با گذاشتن در (4) و حل آن به دست می‌آید.
با این جایگزینی، جملات با درجه زوج یک کمیت حقیقی و جملات با درجه فرد یک کمیت موهومی را نشان می‌دهند.
هنگامی صفر می‌شود که هر دو بخش حقیقی و موهومی صفر شوند.
بنابراین: (7) و (8) در (7) هم مجهول a و هم مجهول وجود دارد، حال آنکه در (8) تنها مجهول است.
از حل (8) فرکانس نوسان را به دست می‌آوریم.
سپس آن را در (7) گذاشته، می‌نیمم a ای که برای شروع نوسان لازم است را به دست می‌آوریم.
با این کار به دست می‌آوریم: (9) با گذاشتن مقادیر در (9) داریم: جمله اول (10) باید جمله غالب باشد تا تغییرات بار، نقطه کار ترازیستور و غیره بر فرکانس نوسان fo تاثیری نداشته باشد.
دقت کنید که القا گر با Q بالا، می‌نیمم بار ممکن Rt را افزایش و جمله دوم را کاهش می‌دهد.
با بازنویسی مخرج جمله دوم به صورت: معلوم می‌شود که برای می‌نیمم شدن اثر آن را باید داشته باشیم: پس (11) و فرکانس نوسان مدار توسط Lt و ترکیب موازی خازنهای Co,Cf و ترکیب سری C2,C1 تعیین می‌شود.
با گذاشتندر (7) به دست می‌آوریم: (12) با فرض اینکه مقدار تقریب (11) را دارد، می‌توان را به این صورت نوشت: (13) برای شروع نوسان a ترانزیستور باید از بزرگتر باشد.
این شرط محدودیت چندانی ایجاد نمی‌کند، در میان ترانزیستور جدید کمتر ترانزیستوری را می‌توان یافت که بهره کافی نداشته باشد، به شرط اینکه (1) فرکانس کار کمتر از fa/2 باشد و R1(2) از حدود بیشتر باشد.
روش علمی طراحی برای بارهای با مقاومت بالا: معمولا در طراحی نوسانسازها دو خواسته مطرح است: فرکانس نوسان fo و توان po (یا ولتاژ یا جریان) که بار مشخص شده داده می‌شود.
به این ترتیب راهنمای مناسبی برای انتخاب ترانزیستور در اختیار داریم زیرا عنصر فعال باید در فرکانس کار توانایی تقویت داشته باشد و بتواند توان مشخص شده را جذب کند.
ابتدا مسئله توان را در نظر می‌گیریم.
ترانزیستور بسته بندی شده در آرایش بیس- مشترک در نوسانساز کولپیتس مانند‌منبع جریانی‌موازی با(1) مقاومت‌معادل موازی القاگر تانکR p و (2) مقدار تبدیل یافته مقاومت موثر امیتر Ri و (3) مقاومت بار عمل میکند.
اگر مقاومت این ترکیب موازی را Ro بنامیم داریم: (14) که در آن N (نسبت دور) مقسم ولتاژ خازنی است.
مشخص‌خروجی ایده ال کل شکل 2 را ببینید.
در نقطه کار ترانزیستور دارای VCBQ, ICQ است.
خط بار دینامیک از نقطه VCBQ,ICQ می‌گذرد و شیت آن برابر است.
نقطه کار توسط مدار بایاس تعیین می‌شود و هم بر روی خط بار استاتیک و هم بر روی خط بار دینامیک قرار دارد.
اگر تغییرات VCB, ic در هنگام نوسان سینوسی باشد، نقطه کار بر روی خط بار دینامیک، با شیب ، جابجا می‌شود.
در هر تناوب، جریان کلکتور بین صفر و مقدار ماکزیمم VP تغییر میکند.
به کمک هندسه تحلیل می‌توان نشان داد که: (15) (16) اگر نقطه کار به نحوی برگزیده شود که آنگاه با فرض تغییر سینوسی ic بین مقادیر و Ip، مقدار rms مولفه سینوسی جریان کلکتور 0/7071CQ است.
تحت شرایط انتقال ماکزیمم توان یا (17) و RO=RL/2.
بنابراین توان داده شده به بار عبارت است با (18) اگر طی نوسان نقطه کار جابجا نشود، توان dc ترانزیستور تحت این شرایط برابر است با (19) شکل 4.
مشخصه خروجی ایده ال ترانزیستور، برای طراحی نوسانساز کولپیتس ماکزیمم بازده‌ای که این تحلیل پیش بینی میکند 25 درصد است.
بنابراین گام اول طراحی نوسانساز کولپیتس انتخاب ترانزیستوری است که بتواند حداقل 4 برابر توان خروجی توان مصرف کند.
این ترانزیستور همچنین باید بتواند جریان و ولتاژی با دامنه لازم ایجاد کند.
اگر fT ترانزیستور انتخاب شده حداقل دو برابر فرکانس کار باشد، بهره کافی برای شروع نوسان، به شرط برقراری (13)، تضمین می‌شود.
پس از انتخاب ترانزیستور باید مدار بایاس طراحی شود.
برای پایداری نقطه کار و حداقل تغییرات آن، RE بزرگ و جریان مقاومتهای R1, R2 نسبتا زیاد باشد.
خازنهای کنار گذران باید مناسب باشند.
در بسیاری از مدارهای علمی RE توسط خازن C2 به نحوه موثری کنار گذران شده و خفه کن RF لزومی ندارد.
سپس باید خازن کل تانک Ct انتخاب شود.
داریم: (20) که در آن (21) اگر بخواهیم Q کل مدار تانک 50 باشد، (22) از این محاسبه می‌توانیم Lt را نیز بدست آوریم: (23) طرح ممکن است به جای پیچیدن القاگری با القا کنایی فوق از القاگرهای استاندارد آماده استفاده کند در این صورت می‌توان از Lt شروع