Федеральное агентство по рыболовству
Дальневосточный государственныйтехнический
Рыбохозяйственный университет
Кафедра электрооборудование и автоматика судов.
Курсовой проект на тему:
«Разработка и расчет двухкаскадногоусилителя с релейным выходом.»
Выполнил: Студент группы УЭМ-4
Коротков А. Г.
Проверил: _______________
Владивосток
2008
Принципиальная схема и описание работы.
Усилители с релейным выходом широко применяются вэлектрических схемах автоматики, управления и защиты. На базе таких усилителейстроят схемы нуль-индикаторов с мощностью срабатывания нескольких десятковмикроватт, схемы измерительных органов защиты, подключаемые к маломощнымдатчикам, и исполнительные элементы с выходной мощностью до несколькихкиловатт. Релейное действие этого усилителя проявляется в том, что приопределенном изменении величины входного сигнала или его знака усилительпрактически мгновенно переходит из одного устойчивого состояния в другое.Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 1.
Она содержит два усилительных каскада на транзисторах VT1,VT2 работающих в ключевом режиме. В цепьколлектора транзистора VT2включена катушка малогабаритного электромагнитного реле Р1. Усилитель питаетсяот источника постоянного тока через параметрический стабилизатор напряжения(стабилитрон VD4 ирезистор R6).
Схема работает следующим образом. При отсутствии входного сигнала транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт, реле Р1обесточено. Открытое состояние транзистора обеспечивается током в цепи базычерез резисторы R1 и R3 от источника коллекторногопитания ЕК. Транзистор VT2 при этом находится в режиме отсечки, так как напряжение наего базе положительно относительно эмиттера и примерно равно напряжениюсмещения, которое задается диодом VD2. Появление отрицательного входного сигнала (минус на базетранзистора) не приводит к изменению состояния транзисторов усилителя.
При появлении положительного входного сигнала появляетсявходной ток, уменьшающий ток в цепи базыоткрытого транзистора VT1.При некотором входном токе транзистор VT1 переходит из режима насыщения в усилительный режим. Вусилительном режиме уменьшение тока в цепи базы приводит к уменьшению тока вцепи коллектора транзистора, что приводит к увеличению отрицательногопотенциала на базе транзистора VT2и его отпиранию.
В момент переключения транзисторов действует положительнаяобратная связь (резистор R3).Отпирание транзистора VT2приводит к уменьшению напряжения на его коллекторе, следовательно, уменьшаетсяток через резистор R3 иток в цепи базы транзистора VT1.Этот процесс ускоряет запирание транзистора VT1, что в свою очередь ускоряет отпирание транзистора VT2, т.е. наступаетлавинообразный процесс, приводящий практически к мгновенному насыщениютранзистора VT2.Положительная обратная связь обеспечивает релейный эффект. При уменьшении илиисчезновении входного тока транзисторы усилителя переключаются в исходноесостояние.
При запирании транзистора VT2 на катушке реле Р1, обладающей индуктивностью, наводится ЭДСсамоиндукции, которая, складываясь с напряжением коллекторного питания, можетпривести к пробою транзистора. Для защиты от наводимых перенапряженийприменяется цепочка VD3,R4. Появляющеесяперенапряжение открывает диод VD3и ток реле Р1 при запирании транзистора VT2 будет уменьшаться постепенно, замыкаясь через цепочку VD3, R4. Напряжение на транзисторе VT2 в этом случае увеличитсятолько на величину падения напряжения в этой цепочке.
Постепенное уменьшение тока в катушке Р1 при запираниитранзистора VT2приводит к увеличению времени возврата реле, что не всегда приемлемо. Дляуменьшения времени возврата реле увеличивают сопротивление резистора R4.
Исходные данные, вариант №17:
I=300 µA± 10 % → 0.0003 A → 0.00027÷0.00033 А
U=220 V± 10% → 198÷242 V
tº =203÷343 K → -70÷70ºC
Реле:
U
R
K →8.4÷14.4V
Расчет.
Начнем с выбора элементов схемы параметрическогостабилизатора. Определяем напряжение надежного срабатывания реле Р1, котороенаходится в пределах 0.7÷1.2 U т.е.8.4÷14.4 V.
I= U/R=12/320=0.0375 А.
Обеспечить эти параметры можно с помощью стабилитрона КС512Ас номинальным напряжением стабилизации 12 V. Основные параметрыэтого стабилитрона приведены ниже.
IмА.
IмА.
Р= 1 Вт.
R ≤25 Ом.
Разброс напряжений стабилизации в зависимости от температурпри токе стабилизации
5 мА приведен в таблице.
Температура К
Напряжение стабилизации В
303
10.8 ÷ 13.2
213
9.9 ÷ 13.2
273
10.8 ÷ 14.5
Окончательный расчет параметрического стабилизатора будетпроведен после расчета усилителя.
Выберем транзисторы усилителя. Для повышения надежностиработы транзисторов рекомендуется выбирать рабочие напряжения и токи так, чтобыони не превышали
0.7 ÷ 0.8 предельных значений. Учитывая максимальноеколлекторное напряжение, для нашей схемы нужен транзистор, у которогопостоянное напряжение, коллектор – эмиттер
U› Е / 0.7 =14.5/0.7=20.7 V.
А постоянный ток коллектора
I› E/ R=14.5/320=0.0453 А.
Для обоих каскадов усилителя выбираем транзистор КТ3107Б,параметры которого приведены ниже
h
I=2mA
120 ÷ 220
I=0.01 mA
≥ 30
I=100 mA
≥50
U V.
IмА. IмА.
≤0.5
IмА. I0.5 мА.
≤0.2
U V.
IмА. IмА.
≤1
IмА. I0.5 мА.
≤0.8
I µA.
≤0.1
I µA.
≤0.1
U
50
U
45
U
5
I
100
P мВт.
t=213÷298 K
300
Усилитель рассчитываем при номинальном напряженииколлекторного питания и температуре 298 К. Расчет начинаем с выходного каскада.
Для создания источника запирающего напряжения в цепитранзистора VT2 выбираем кремниевый диод VD2 КД102А.
Параметры диода:
U= 250 V.
I= 0.1 A.
I= 0.1 µA.
U= 1 V.
Выбираем прямой ток диода VD2 2мА. И определяем прямое напряжение на диоде,
Равное U=0.8 V.при температуре 298 К. Тогда сопротивление резистора R5
R5=(ЕU)/I=(12-0.8)/0.002=5600 Ом.
Выбираем номинальное сопротивление 5.6 кОм. ±5%
Мощность рассеиваемая на резисторе учитывая максимальноеколлекторное напряжение будет:
P≈ Е2 / R5 =14.42/5600=0.037 Вт.
Выбираем резистор R5 МЛТ-0,125 5,6 кОм. ±5%.
Через R5и диод VD2 протекаетток:
I(12-0.8)/5600=0.002 А.
Ток в цепи коллектора транзистора VT2 когда он находится в режименасыщения, будет:
IЕU(12-0.8-0.5)/320=0.0334 А.
Минимальное напряжение на катушке реле Р1 когда транзистор VT2 находится в режименасыщения, с учетом неблагоприятных сочетаний параметров элементов схемы равно:
U
Что находится в допустимых пределах.
Максимальный прямой ток диода VD2, когда транзистор VT2 насыщен, с учетом неблагоприятныхпараметров элементов схемы равен:
IVD2.max.=IK.нас.+ IR5 ≈EK.max. / RP1 + EK.max. / R5 =14.4/320+14.4/5600=0.0476 A.
Что меньше максимально допустимого тока для диода типаКД102А.
Расчетный статический коэффициент передачи тока транзисторов
h21Э.расч.=h21Э КсКТ
где Кс =0.7 коэффициент учитывающий старение, КТ– коэффициент учитывающий температуру КТ = 0.6 при температуре233 К. и КТ =1.2 при температуре 323 К.
Минимальный статический коэффициент передачи токатранзистора VT2учитывая режим работы, определим как
h21E.min2= 50*0.7*0.6=21
Ток в цепи базы VT2 на границе насыщения
IB2= IK.нас./ h21E.min2=0.0334/21=0.0016 A.
Ток в цепи базы в режиме насыщения, принимая коэффициентнасыщения равным 1.2
IB.нас2.=1.2*IB2 =1.2*0.0016=0.0019 А.
Если транзистор VT2 в режиме насыщения, то VT1 в режиме отсечки. По резистору R2 проходит ток базы VT2 и обратный ток коллектора VT1
IR2=IB.нас2. + IKB0.1=0.0016+ 0.00000001 ≈ 0.0016 A.
Сопротивление резистора R2
R2= (EK – UBE.нас2.– UVD2)/ IR2=(12-1-0.8)/0.0016=6375 Ом
Определим максимальную мощность на R2
PR2= R.max. / R2 =14.4Вт.
Выбираем резистор R2 МЛТ-0.125 6.2 кОм ± 5%
Напряжение между базой и эмиттером транзистора, необходимоедля создания режима отсечки
UBE0≥ φθln(1+h21E)=θ / 11600 * ln(1+ h21E)
Где φθ– температурный потенциал, θ – максимальная температура К. Принимая статическийкоэффициент передачи тока максимальным, находим
h21E.max=220*1.2=264
и подставляя получим
UBE0= 343/11600*ln265≈0.1649V.
Определим максимальное напряжение между базой и эмиттеромтранзистора VT2 врежиме отсечки.
На основании второго закона Кирхгофа можно записать:
UBE0– UVD2+ UKEнас1=1
Откуда
UBE2= UVD2 — UKEнас1=0.5-0.2=0.3 V.
Следовательно транзистор VT2 будет в режиме отсечки, так как напряжение на его базе,рассчитанное при минимальном напряжении на VD2, положительно относительно эмиттера и больше, чемрассчитанное UBE0.
Ток в цепи коллектора транзистора VT1 в режиме насыщения
IK.нас1=(EK – UKЕ.нас1)/R2=(12-0.2)/6300=0.0019 A.
Минимальный статический коэффициент передачи токатранзистора VT1учитывая величину тока в цепи эмиттера и то, что
h21E.рас. = h21ЭКсКТ
h21E.min1=120*0.7*0.6=50
Ток в цепи базы VT1 на границе насыщения
IB1=IK.нас1/ h21E.min1 =0.0019/50=0.000038 A.
Сопротивление резистора R3 в цепи обратной связи
R3≤ (h21E.min1 h21E.min2 – 1)*RP =(50*21-1)*320=335680 Ом
Выбираем резистор R3 МЛТ-0.125 330 кОм ±5% (мощность выделяющаяся на резисторе меньше0.125 Вт). Ток в цепи обратной связи (если VT1 открыт а VT2закрыт)
Ioc=IR3=(EK — UBE.нас1)/ (R3 + RP)=(12-0.8) / (330000+320)=0.000034 A.
Определим сопротивление R1 из условия обеспечения заданного входного тока срабатыванияусилителя. Усилитель срабатывает, если под воздействием входного токатранзистор VT1 изрежима насыщения переходит в усилительный при котором ток в цепи базыпропорционален току в цепи коллектора. Составим для точки А выражение всоответствии с первым законом Кирхгофа
Iвх.ср.+IB1 = IR1+ Ioc
Отсюда ток в резисторе R1 при срабатывании усилителя
IR1= Iвх.ср.+ IB1 – Ioc = Iвх.ср.+ IKE.нас.1/ h21E.1 — Ioc
Определим величину тока в резисторе R1 при крайних значенияхкоэффициента передачи тока транзистора VT1:
IR1.max= 0.0003 + 0.0019/50-0.000034=0.000304 A.
IR1.min= 0.0003 + 0.0019/264-0.000034=0.000273 A.
Предельные значения сопротивлений резистора R1
R1min =(EK – UBЕ.нас1.)/ IR1.max =(12-0.8) /0.000304=36842 Ом.
R1max =(EK – UBЕ.нас1.)/ IR1.min =(12-0.8) /0.000273=41025 Ом.
Из расчета следует, что для обеспечения тока срабатыванияусилителя в заданной точностью ±10% сопротивление резистора R1 подбираем при настройке схемыусилителя. Для дальнейших расчетов принимаем сопротивление резистора R1 39 кОм ±5%, при этом
IR1= EK / R1 =12/39000=0.000308A.
Мощность потребляемая усилителем от источника сигнала присрабатывании
Pср= Iвх.ср.* UBE0=0.0003*0.1649=0.000049 Вт.
Определим величину сопротивления резистора R4 из условия, чтобы призапирании транзистора VT2напряжение на нем не превысило максимально допустимое. При запирании VT2 на обмотке реле Р1,обладающей индуктивностью, наводится ЭДС самоиндукции, под воздействием которойоткрывается диод VD3.Будем считать, что ток IК.нас.2.замыкается по цепочке VD3R4, создаваядополнительное падение напряжения. Следовательно, напряжение на запирающемсятранзисторе VT2
UEK2.=EK + IК.нас.2.* R4 +UVD3
Отсюда, принимая прямое падение напряжения на диоде VD3 1v, получим
R4
Выбираем резистор R4 МЛТ-0.125 910 Ом ±5%.
Выбираем диод VD3 Д223.
Максимальное постоянное напряжение эмиттер – базатранзистора VT1 U=5v.,поэтому для защиты от обратных напряжений включен диод VD1. При появлении на входеусилителя обратных напряжений открывается диод VD1, и напряжение междуэмиттером и базой VT1будет равно прямому напряжению на диоде VD1. Для этой цели выбираем диод Д223.
Определяем мощность, потребляемую схемой усилителя отисточника коллекторного питания. Если транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт, тосуммарный ток IHпотребляемый схемой, равен
IH= IR1 + Ioc + IK.нас1+ IR5 = 0.000308+0.000034+0.0019+0.002=0.004242A.
Потребляемая мощность
PH= EK * IH = 12*0.004242 =0,050904 Вт.
Эквивалентное сопротивление нагрузки
RH.max = EK / IH = 12 / 0.004242 = 2836 Ом.
Если транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт, то суммарный ток IH потребляемый схемой, равен
IH= IВ.нас2. +IК.нас2. + IR5 = 0.0019+0.0334+0.002= 0.0373 A.
Потребляемая мощность
PH= EK * IH = 12*0.0373 =0.4476 Вт.
Эквивалентное сопротивление нагрузки
RH.min= EK / IH = 12 / 0.0373 = 322 Ом.
Таким образом, сопротивление нагрузки подключаемой кисточнику коллекторного питания, в процессе работы схемы изменяется от 322 до2836 Ом. Определим крайние значения токов, потребляемых нагрузкой, с учетомизменения напряжения коллекторного питания
IH.max. = EK.max. / RH.min = 14.5 / 322 =0.045A.
IH.min.= EK.min. / RH.max = 9.9 / 2836 =0.0035 A.
Рассчитаем балластное сопротивление стабилитрона и изменениянапряжения питания. Ток стабилитрона при неблагоприятных сочетаниях параметровдолжен быть больше минимального и меньше максимального тока стабилизации,указанных в справочных данных на стабилитрон. Схема рассчитываемогостабилизатора приведена на рис.
Минимальный ток через стабилитроны
Ict.min.= IR6.min. – IH.max.
Принимая минимальный ток через стабилитрон Ict.min. = 1 мА. Определим
IR6.min= Ict.min. + IH.max. =0.001+0.045=0.046 А.
Определим сопротивление резистора R6 с учетом минимальногонапряжения питания и максимального напряжения стабилизации
R6=(Uпит.min.– EK.max.) / IR6.min=(198-14.5)/0.046=3989 Ом.
Выбираем номинальное сопротивление 3.9 кОм. ±5%. Определимминимальные и максимальные токи через резистор с учетом изменения напряженияпитания и напряжения стабилизации
IR6.max.=(Uпит.max.– EK.min.) / R6= (242-9.9)/3900=0.059 А.
IR6.min.=(Uпит.min.– EK.max.) / R6= (198-14.5)/3900=0.047 А.
Проверим токи через стабилитрон
IСТ.min.= IR6.min. — IH.max. =0.047– 0.045=0.002 А.
IСТ.max.= IR6.max. — IH.min. =0.059– 0.0035=0.056A.
Расчеты подтверждают правильность выбора параметров схемыстабилизатора, так как токи стабилитронов находятся в допустимых пределах принеблагоприятных сочетаниях факторов.
Максимальная мощность, рассеиваемая резистором R6
PR6.max. =( Uпит.max. – EK.min.)2 / R6 = (242-9,9)2/ 3900 =13.81 Вт.
Выбираем резистор ПЭВ-15 3,9 кОм ±5%.
Номинальная мощность, потребляемая схемой от источникапитания
Pnom.=(Uпит.nom.– EK.nom.)2 /R6 =(220-12)2 / 3900=11.09 Вт.
Определим коэффициент стабилизации выбранногопараметрического стабилизатора. Будем считать, что при неизменной нагрузке настабилизатор ток через стабилитрон изменяется только за счет изменениянапряжения питания, следовательно
ΔICT=ΔUпит./ R6 = (Uпит.max. – Uпит.min.) / R6=(242-198)/3900=0.0113 A.
Изменение напряжения на нагрузке вызвано наличиемдифференциального сопротивления стабилитронов, которое в соответствии сосправочными данными принимаем RVD=25Ом.
Следовательно
ΔUH= ΔIct*RVD =0.0113*25= 0.28 v.
Коэффициент стабилизации стабилизатора при неизменнойнагрузке и изменении напряжения питания
Кст.=(ΔUпит./Uпит.nom.) / (ΔUH/UH.ном.)= (44/220) / (0.28/12) = 8.6
Необходимо отметить, что приведенный расчет коэффициентастабилизации является приближенным, так как не учитывает влияние температуры иизменение нагрузки.
Элементы схемы, выбранные при расчете, сведены в таблице
Обозначение элементов
Тип
Количество
VD1,VD3
Д223
2
VD2
КД102А
1
VD4
КС512А
1
VT1,VT2
КТ3107Б
2
R1
МЛТ-0,125 – 39 кОм ±5%
1
R2
МЛТ-0,125 – 6,2 кОм ±5%
1
R3
МЛТ-0,125 – 330 кОм ±5%
1
R4
МЛТ-0,125 – 910 Ом ±5%
1
R5
МЛТ-0,125 – 5,6 кОм ±5%
1
R6
ПЭВ-15 — 3,9 кОм ±5%.
1