Фазоимпульсный
модулятор на тиристорах
Курсовая работа
по курсу: “Электроника”
Московский
Авиационный Институт имени Серго Орджоникидзе
Кафедра 301
Москва 2000 год.
Схема
устройства:
R1
Uп
Uвх
-
- VT1 R2 RH C2 R4
R7
VT2
VT3
T1 T2
C1 R3 R6 C3
Технические
данные:
Напряжение
питания схемы: Eп = ± 27В
Условия
эксплуатации: температура, °С (-50 ÷ +60)
Частота работы
схемы: f = Гц
Временные
диаграммы.
Введение.
Данное
устройство предназначено для фазоимпульсной модуляции.
Генератор
пилообразного напряжения выполнен на транзисторе VT1 и двухбазовом диоде (или
однопереходном транзисторе) VT2, конденсаторе С1 и резисторе R3.
Угол отсечки
регулируется с помощью второго однопереходного транзистора VT3, на котором
также построен генератор импульсов.
Схема довольно
проста, легко настраивается и перестраивается, обладает высокой надежностью.
Применяется для
регулирования тока (напряжения) накала в печах.
Краткое
описание работы.
Схему можно
разбить на три основных функциональных блока.
2.1.Описание работы устройства.
Генератор
пилообразного напряжения, построенный на транзисторе VT1, конденсаторе С1 и
резисторе R1, вырабатывает импульсы, подаваемые на однопереходный транзистор
ОПТ, который в свою очередь открывает на время транзистор VT4, обеспечивающий подачу импульсов продолжительности t на нагрузку
RH. Для фазовой модуляции импульсов используется схема на ОПТ VT3.
2.2.Описание
работы генератора пилообразного напряжения.
При подключении
напряжения UBX на транзистор VT1
конденсатор С1 начинает заряжаться через транзистор и резистор R1 до напряжения
U(t1),определяемого величиной напряжения включения ОПТ.
Зарядившись до
указанной величины конденсатор С1 начнет разряжаться через ОПТ VT2 и резистор
R3.
2.3.Описание
работы генератора импульсов.
При подаче
напряжения на транзистор VT1 тиристор VT4 и двухбазовый диод (ОПТ) VT2 остаются
запертыми, а конденсатор С1 начнет заряжаться через открытый транзистор VT1 и
резистор R1. При достижении величины напряжение UЭ ВКЛ , при котором эммиттер -
база 1 ОПТ VT2 окажется открытым. В этот момент включается VT2 и конденсатор С1 разряжается через цепь
эмиттер-база1 VT2 и резистор R3.
Импульс,
снимаемый с этого резистора, отопрет тиристор VT4 и напряжение источника
питания окажется приложенным к нагрузке. Пока ток нагрузки IH>IУД
тиристор остается открытым. Длительность задержки:
.
Когда открыт
VT4, ток через нагрузку RH заряжает конденсатор С2 по цепи R4-C2-VT4. После
заряда конденсатора С2 и отпирания VT5 от генератора модулирующего сигнала,
конденсаторС2 подключается параллельно тиристору. Продолжительность заряда.При этом положительная обкладка конденсатора С2 окажется
подключенной к катоду, а отрицательная – к аноду. Т.о. к прибору прикладывается
обратное напряжение . В цепи, образованной конденсатором VT5 и тиристором VT4
возникает обратный ток, который проходит через прибор в обратном направлении.
Когда результирующий ток прибора становится меньше IУД, последний запирается.
Должно быть
Емкость
,
где IПР А -
прямой ток нагрузки τВЫКЛ, мкс.
При этом заряд
одного импульса тока, где Е=UП
tТС мин для
VT4, мкс 0,707С2R4
Если
варьировать моментом отпирания тиристора, то ток через прибор и нагрузку будет
протекать только в течение какой-то определенной части импульса. Так при
небольшой задержке тиристор может быть отперт в начале импульса, при больших
задержках – в любой точке импульса, либо в его конце. Тем самым можно
регулировать средний за период ток, проходящий в нагрузке, от максимального
почти до нуля. Такой способ управления называется фазовым регулированием или
фазовым управлением, фазовым модулированием поскольку при этом изменяется сдвиг
фаз между импульсом и началом протекания прямого тока.
Математическая
модель устройства.
Генератор
первообразного напряжения.
Рассмотрим
процесс заряда – разряда емкости С1 в импульсном режиме.
(1)
(2)
Уравнение
заряда конденсатора С1
(3)
Уравнение
разряда конденсатора С1
(4)
Решая
дифференциальные уравнения, получим:
, где время заряда емкости С1
- время разряда емкости С1
Решая эту
систему получим выражение для амплитуды длительности импульса и периода через
параметры схемы.
Выражение для
амплитуды примет вид
Длительность
импульса.
В таком случае
период
Математическое
описание блока формирующего импульсное напряжение на нагрузке.
Уравнение
заряда емкости С2
(5)
Уравнение
разряда емкости С2
(6)
Экспоненту
заряда емкости С2 запишем в виде
, где (7)
Экспонента
разряда
, где (8)
Время заряда
емкости С2
Время разряда
Период
(9)
(9)
Математическая
модель всего устройства.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
где
(8)
где
(9)
(9)
4. Синтез
схемы.
4.1.Последовательный
расчет фазоимпульсного модулятора.
Выбираем
транзистор VT1, исходя из его способностей пропустить ток заряда конденсатора
С1 за время q2 и выбираем двухбазовый диод Uc1 и пропускаем ток падение
напряжения которого на резисторе R3
открывает тиристор VT4. Выбираем тиристор VT4, напряжение VБ12 которого меньше
30B и время отпертого состояния которого соответствует времени q1.
Рассчитаем
величину емкости С1
Задаемся
временем заряда
Из формулы (3)
время заряда
, откуда
Выбираем
транзистор задаваясь временем заряда и током ,
Где t3-время
заряда емкости С1,tnVT1-время переключения транзистора VT1 можно не учитывать в
виду его малости по сравнению c tЗ (tnVT»)
Задаемся q2=tp –
временем разряда емкости С1.
Из уравнения
(3) получаем
Из уравнения
(4) находим R4
(9а)
Решая совместно
уравнение (1) и (2) получим
(10)
(11)
Таким образом,
получили все номиналы элементов, образующих требуемый модулируемый импульс.
Численный
расчет схемы.
Выбираем
транзистор МП42Б служащий для устройств переключения и с небольшим
сопротивлением RКЭ, которые в основном определяется сопротивлением коллектора
rk
Выбираем
тиристор К4104Б со следующими характеристиками:
Постоянный ток
в закрытом состояние Iзс = 0,5мВ
Отпирающий
постоянный ток управления IY от=20мА
Отпирающее
постоянное напряжение управления UУ от=2В
Напряжение в
открытом состояние UОС=2В
Неотпирающее
постоянное напряжение управления
UУНОТ=0,1В
Время
включения
tвкл=0,29мkс
Время
выключения
tвыкл=2,5мkс
Предельно
допустимые параметры:
Постоянное
напряжение в закрытом состояние UЗ с max=30B
Постоянное
обратное напряжение UОБР max=6B
Постоянный ток
в открытом состоянии IОС min=0,1A
Постоянный
прямой ток управления IУ min0=0,03B
Средняя
рассеиваемая мощность PСР РАС=0,2В
Выбираем
двухбазовый или управляемый диод, или однопереходной транзистор ОПТ: К117А со
следующими предельно допустимыми параметрами:
Ток
эмиттера
IЭ max=50мА
Ток
эмиттер-база
IЭБО max=1мкА
Ток
включения
IВКЛ max=20мкА
Ток
выключения IВЫКЛ min=1мА
Напряжение на
базах
UБ12 max=30B
Напряжения
насыщения эмиттер-база
Umax ЭБ нас=5В при IЭ=50мА
Коэффициент
К К=0,6
Сопротивление
между базами RБ12=6кОм UЭК=0,6·27=16,2
Резистор
берем 1,1Ом.
Напряжение
питания схемы берем UП=27В
Емкость
конденсатора
берем 0,016мкФ.
Время разряда
Подставляем
значения в формулу (10) и определяем R3
Подставляя
значения в формулу 11, определяем R2.
По формуле (9а)
считаем:
берем 62Ом.
Совершенно
аналогично для тех же времен заряда и разряда, то есть для аналогичной
модуляции фазой определим:
R6=51Ом,
R5=20Oм, , С3=0,016мкФ
ПЭС
R1
VT1 R2 RH C2 R4
R7
VT2
VT3
T1 T2
C1 R3 R6 C3
X1
5
+Еп
-Еп
-Uвх
2
1
Выводы по
работе.
Разработано
устройство – фазоимпульсный модулятор. Данное устройство соответствует заданным
требованиям. Рассчитаны параметры, позволяющие получить заданные выходные
сигналы. Устройство имеет высокую степень надёжности.
Список
литературы
С.П.
Миклашевский., Промышленная электроника. Вш.,1986.
Л.А. Бессонов.,
ТОЭ. Вш.,1996.
К.Я. Стародуб.,
Н.Н. Михайлов., Промышленная электроника. «Машиностроение».,1971.
Расчёт
импульсных устройств на полупроводниковых приборах. Под ред. Т.М. Агаханяна.,
«Советское радио».
Справочное
пособие по электротехнике и основам электроники. Под ред. А.В. Нетушина. Вш. 1986.