Разработка принципиальной схемы усилителя с релейным выходом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Процесс усиления сигналов

1.1 Основные сведения об усилителях

1.2 Структура усилителя

1.3 Классификация усилителей

1.4 Основные характеристики усилителей

2. Разработка схемы двухкаскадного усилителя с релейным выходом

2.1 Принципиальная схема и описание работы

3. Расчетная часть

3.1 Расчет усилителя

3.2 Расчет параметрического стабилизатора



Введение

Усилители с релейным выходом широко применяются в электрических схемах автоматики, управления и защиты. На базе таких усилителей строят схемы нуль-индикаторов с мощностью срабатывания нескольких десятков микроватт, схемы измерительных органов защиты, подключаемые к маломощным датчикам, и исполнительные элементы с выходной мощностью до нескольких киловатт. Релейное действие этого усилителя проявляется в том, что при определенном изменении величины входного сигнала или его знака усилитель практически мгновенно переходит из одного устойчивого состояния в другое.



1. Процесс усиления сигналов

1.1 Основные сведения об усилителях

двухкаскадный стабилизатор релейный усиление

Усилитель -- элемент системы управления (или регистрации и контроля), предназначенный для усиления входного сигнала до уровня, достаточного для срабатывания исполнительного механизма (или регистрирующих элементов), за счёт энергии вспомогательного источника, или за счёт уменьшения других характеристик входного сигнала (под термином «сигнал» здесь и далее понимается любое явление (или процесс), характеристики которого необходимо увеличить).

Термин усилитель в своём первичном (основном) значении относится к преобразованию (увеличению, усилению) одной из характеристик исходного входного сигнала (будь то механическое движение, колебания звуковых частот, давление жидкости или поток света), при этом вид сигнала остаётся неизменным (остаётся механическим движением и т. д.; из одного вида в другой сигнал преобразуют датчики и устройства управления).

Типы усилителей:

Активный усилитель -- усиление сигнала осуществляется за счёт энергии внешнего источника: в сервоприводах (как то: гидро-, электро-, пневмоусилители) усиливается исходное механическое движение (как правило, оператора), за счёт внешней энергии. В электрических усилителях увеличивается амплитуда исходного сигнала (по напряжению и силе тока), в фотоумножителях -- усиливается интенсивность исходного светового потока. В активных усилителях часто используется обратная связь: положительная -- для повышения чувствительности, и отрицательная -- для улучшения точности/стабильности.

Пассивный усилитель -- усиление одной (необходимой) характеристики сигнала осуществляется за счёт уменьшения других характеристик: например, домкрат (а также тисы, ручная таль, рычаг) является усилителем -- движения (силы) руки -- за счёт скорости (эта характеристика сигнала уменьшается). Мухобойка, теннисная ракетка -- для сравнения -- являются усилителями скорости (за счёт уменьшения силы и/или времени воздействия).

Электронный усилитель -- усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное устройство, так и блок (функциональный узел) в составе какой-либо аппаратуры -- радиоприёмника, магнитофона, измерительного прибора и т. д.

Усиление происходит с помощью активных элементов за счет потребления энергии от источника питания. Активными элементами в усилителях чаще всего являются транзисторы; такие усилители принято называть полупроводниковыми, или транзисторными. В любом усилителе входной сигнал управляет передачей энергии источника питания в нагрузку.

Активные элементы. У активного радиоэлектронного компонента вольт-амперная характеристика имеет нелинейный характер.

Вакуумные приборы:

-Электронная лампа

-Триод

-Пентод и другие.

Полупроводниковые приборы:

-Диод, стабилитрон;

-Транзистор: полевой, биполярный, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), биполярный транзистор со статической индукцией;

-Тиристор, симистор

- (микросхемы) -- цифровые и аналоговые.

Среди полупроводниковых компонентов выделяют фотоэлектрические:

-Фоторезистор

-Фотодиод

-Фототранзистор

-Оптрон (оптопара)

1.2 Структура усилителя

Усилитель представляет собой в общем случае последовательность каскадов усиления (бывают и однокаскадные усилители), соединённых между собой прямыми связями

В большинстве усилителей, кроме прямых, присутствуют и обратные связи (межкаскадные и внутрикаскадные). Отрицательные обратные связи позволяют улучшить стабильность работы усилителя и уменьшить частотные и нелинейные искажения сигнала. В некоторых случаях обратные связи включают термозависимые элементы (термисторы, позисторы) -- для температурной стабилизации усилителя или частотнозависимые элементы -- для выравнивания частотной характеристики

Некоторые усилители (обычно УВЧ радиоприёмных и радиопередающих устройств) оснащены системами автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки мощности (АРМ). Эти системы позволяют поддерживать приблизительно постоянный средний уровень выходного сигнала при изменениях уровня входного сигнала.

Между каскадами усилителя, а также в его входных и выходных цепях, могут включаться аттенюаторы или потенциометры -- для регулировки усиления, фильтры -- для формирования заданной частотной характеристики и различные функциональные устройства -- нелинейные и др.

Как и в любом активном устройстве, в усилителе также присутствует источник первичного или вторичного электропитания (если усилитель представляет собой самостоятельное устройство) или цепи, через которые питающие напряжения подаются с отдельного блока питания.

Каскад усиления -- ступень усилителя, содержащая один или несколько усилительных элементов, цепи нагрузки и связи с предыдущими или последующими ступенями.

В качестве усилительных элементов обычно используются электронные лампы или транзисторы (биполярные, полевые), иногда, в некоторых особых случаях, могут применяться и двухполюсники, например, туннельные диоды (используется свойство отрицательного сопротивления) и др. Полупроводниковые усилительные элементы (а иногда и вакуумные) могут быть не только дискретными (отдельными) но и интегральными (в составе микросхем), часто в одной микросхеме реализуется полностью законченный усилитель.

1.3 Классификация усилителей

В зависимости от способа включения усилительного элемента различаются каскады с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором (эмиттерный повторитель) (у биполярного транзистора), с общим затвором, общим истоком, общим стоком (истоковый повторитель) (у полевого транзистора) и с общей сеткой, общим катодом, общим анодом (у ламп)

Каскад с общим эмиттером (истоком, катодом) -- наиболее распространённый способ включения, позволяет усиливать сигнал по току и напряжению одновременно, сдвигает фазу на 180°, то есть является инвертирующим.

Каскад с общей базой (затвором, сеткой) -- усиливает только по напряжению, применяется редко, является наиболее высокочастотным, фазу не сдвигает.

Каскад с общим коллектором (стоком, анодом) -- называется также повторителем (эмиттерным, истоковым, катодным), усиливает ток, оставляя напряжение сигнала равным исходному. Применяется в качестве буферного усилителя. Важными свойствами повторителя являются его высокое входное и низкое выходное сопротивления, фазу не сдвигает.

Каскодный усилитель -- усилитель, содержащий два активных элемента, первый из которых включен по схеме с общим эмиттером (истоком, катодом), а второй -- по схеме с общей базой (затвором, сеткой). Каскодный усилитель обладает повышенной стабильностью работы и малой входной ёмкостью. Название усилителя произошло от словосочетания «КАСКад через катОД» (англ. CASCade to cathODE).

Каскады усиления могут быть однотактными и двухтактными:

Однотактный усилитель -- усилитель, в котором входной сигнал поступает во входную цепь одного усилительного элемента или одной группы элементов, соединённых параллельно.

Двухтактный усилитель -- усилитель, в котором входной сигнал поступает одновременно во входные цепи двух усилительных элементов или двух групп усилительных элементов, соединённых параллельно, со сдвигом по фазе на 180°.

Аналоговые усилители и цифровые усилители:

В аналоговых усилителях аналоговый входной сигнал без цифрового преобразования усиливается аналоговыми усилительными каскадами. Выходной аналоговый сигнал без цифрового преобразования подаётся на аналоговую нагрузку.

В цифровых усилителях, после аналогового усиления входного аналогового сигнала аналоговыми усилительными каскадами до величины, достаточной для аналого-цифрового преобразования аналого-цифровым преобразователем (АЦП, ADC), происходит аналого-цифровое преобразование аналоговой величины (напряжения) в цифровую величину -- число (код), соответствующий величине напряжения входного аналогового сигнала. Цифровая величина (число, код) либо непосредственно подаётся через буферные управляющие усилительные каскады на цифровое выходное исполнительное устройство, либо подаётся на мощный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, DAC), мощный аналоговый выходной сигнал которого подаётся на аналоговое выходное исполнительное устройство.

Виды усилителей по элементной базе:

Ламповый усилитель -- усилитель, усилительными элементами которого служат электронные лампы

Полупроводниковый усилитель -- усилитель, усилительными элементами которого служат полупроводниковые приборы (транзисторы, микросхемы и др.)

Гибридный усилитель -- усилитель, часть каскадов которого собрана на лампах, часть -- на полупроводниках

Квантовый усилитель -- устройство для усиления электромагнитных волн за счёт вынужденного излучения возбуждённых атомов, молекул или ионов.

Виды усилителей по диапазону частот:

Усилитель постоянного тока (УПТ) -- усилитель медленно меняющихся входных напряжений или токов, нижняя граничная частота которых равна нулю. Применяется в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

Усилитель низкой частоты (УНЧ, усилитель звуковой частоты, УЗЧ) -- усилитель, предназначенный для работы в области звукового диапазона частот (иногда также и нижней части ультразвукового, до 200 кГц). Используется преимущественно в технике звукозаписи, звуковоспроизведения, а также в автоматике, измерительной и аналоговой вычислительной технике.

Усилитель высокой частоты (УВЧ, усилитель радиочастоты, УРЧ) -- усилитель сигналов на частотах радиодиапазона. Применяется преимущественно в радиоприёмных и радиопередающих устройствах в радиосвязи, радио- и телевизионного вещания, радиолокации, радионавигации и радиоастрономии, а также в измерительной технике и автоматике

Импульсный усилитель -- усилитель, предназначенный для усиления импульсов тока или напряжения с минимальными искажениями их формы. Входной сигнал изменяется настолько быстро, что переходные процессы в усилителе являются определяющими при нахождении формы сигнала на выходе. Основной характеристикой является импульсная передаточная характеристика усилителя. Импульсные усилители имеют очень большую полосу пропускания: верхняя граничная частота нескольких сотен килогерц -- нескольких мегагерц, нижняя граничная частота обычно от нуля герц, но иногда от нескольких десятков герц, в этом случае постоянная составляющая на выходе усилителя восстанавливается искусственно. Для точной передачи формы импульсов усилители должны иметь очень малые фазовые и динамические искажения. Поскольку, как правило, входное напряжение в таких усилителях снимается с широтно-импульсных модуляторов (ШИМ), выходная мощность которых составляет десятки милливатт, то они должны иметь очень большой коэффициент усиления по мощности. Применяются в импульсных устройствах радиолокации, радионавигации, автоматики и измерительной техники.

Виды усилителей по полосе частот:

Широкополосный (апериодический) усилитель -- усилитель, дающий одинаковое усиление в широком диапазоне частот.

Полосовой усилитель -- усилитель, работающий при фиксированной средней частоте спектра сигнала и приблизительно одинаково усиливающий сигнал в заданной полосе частот.

Селективный усилитель -- усилитель, у которого коэффициент усиления максимален в узком диапазоне частот и минимален за его пределами.

Специальные виды усилителей:

Дифференциальный усилитель -- усилитель, выходной сигнал которого пропорционален разности двух входных сигналов, имеет два входа и, как правило, симметричный выход.

Операционный усилитель -- многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентом усиления и входным сопротивлением, дифференциальным входом и несимметричным выходом с малым выходным сопротивлением, предназначенный для работы в устройствах с глубокой отрицательной обратной связью.

Инструментальный усилитель -- предназначен для задач, требующих прецизионного усиления с высокой точностью передачи сигнала.

Масштабный усилитель -- усилитель, изменяющий уровень аналового сигнала в заданное число раз с высокой точностью.

Логарифмический усилитель -- усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален логарифму входного сигнала.

Квадратичный усилитель -- усилитель, выходной сигнал которого приблизительно пропорционален квадрату входного сигнала.

Интегрирующий усилитель -- усилитель, сигнал на выходе которого пропорционален интегралу от входного сигнала.

Инвертирующий усилитель -- усилитель, изменяющий фазу гармонического сигнала на 180° или полярность импульсного сигнала на противоположную (инвертор)

Парафазный (фазоинверсный) усилитель -- усилитель, применяемый для формирования двух противофазных напряжений.

Малошумящий усилитель -- усилитель, в котором приняты специальные меры для снижения уровня собственных шумов, способных вуалировать усиливаемый слабый сигнал

Изолирующий усилитель -- усилитель, в котором входные и выходные цепи гальванически изолированы. Служит для защиты от высокого напряжения, которое может быть подано на входные цепи, и для защиты от помех, распространяющихся по цепям заземления.

Некоторые функциональные виды усилителей:

Предварительный усилитель (предусилитель) -- усилитель, предназначенный для усиления сигнала до величины, необходимой для нормальной работы оконечного усилителя.

Оконечный усилитель (усилитель мощности) -- усилитель, обеспечивающий при определённой внешней нагрузке усиление мощности электромагнитных колебаний до заданного значения.

Усилитель промежуточный частоты (УПЧ) -- узкополосный усилитель сигнала определённой частоты (456 кГц, 465 кГц, 4 МГц, 5,5 МГц, 6,5 МГц, 10,7 МГц и др.), поступающего с преобразователя частоты радиоприёмника.

Резонансный усилитель -- усилитель сигналов с узким спектром частот, лежащих в полосе пропускания резонансной цепи, являющейся его нагрузкой.

Виды усилителей по типу нагрузки:

-с резистивной;

-с емкостной;

-с индуктивной;

-с резонансной

1.4 Основные характеристики усилителей

Диапазон частот -- полоса излучаемых источником частот, которой зачастую присвоено условное наименование, одно из важнейших понятий радиотехники, а также физико-технических дисциплин в целом.

Это понятие имеет общий характер, то есть можно говорить или о диапазоне частот какого-либо конкретного излучателя (природного или искусственного происхождения), или о диапазоне, выделенном какой-то радиослужбе, или, например, об обобщённой разбивке всей полосы радиочастот.

При рассмотрении частотных характеристик усилителей и искажений усиливаемого сигнала вводятся понятия граничной частоты и полосы пропускания. Граничной частотой () называется частота, при которой усиление уменьшается на заданное значение от усиления, принятого за номинальное.

Обычно принимают, что граничная частота соответствует уменьшению усиления относительно максимального значения до уровня 1/v2 = 0,707 по напряжению или току и до уровня 0,5 по мощности, т.е. в обоих случаях на 3 дБ. Граничная частота может быть верхней () = 2р и нижней ( = 2р) (рис. 1.4.1. а, б) в зависимости от того, по какую сторону от частоты щ0, соответствующей максимальному значению коэффициента усиления K0, амплитудно-частотной характеристики она расположена. Диапазон частот … (…) носит название условной полосы пропускания.

Рис.1.4.1. АЧХ усилителей: а - переменного тока избирательного; б - переменного тока широкополосного; в - постоянного тока.

По виду амплитудно-частотной характеристики и полосе частот усилители подразделяют на избирательные (см. рис. 1.4.1. а), для которых справедливо соотношение (1.4.1.) или щв ? щн, и широкополосные (см. рис.1.4.1, б), которые характеризуются большим превышением верхней граничной частоты над нижней: >> . В широкополосных усилителях различают области высших и низших частот, т. е. области, где существенны амплитудно- и фазочастотные искажения, а также область средних частот, где искажения невелики.

Особый класс составляют усилители постоянного тока, амплитудно-частотная характеристика которых представлена на рис.1.4.1, в. Эти усилители способны воспроизводить сколь угодно медленно изменяющие сигналы.

Коэффициент передачи (также коэффициент преобразования) -- отношение напряжения (тока) на выходе той или иной системы, предназначенной для передачи электрических сигналов, к напряжению (току) на входе:

. (1.4.2.)

Коэффициент передачи часто выражают в логарифмическом виде, с использованием десятичного логарифма:

20 lg (), дБ. (1.4.3.)

В частном случае, когда значения выходного и входного сигнала являются однородными, коэффициент передачи называют коэффициентом усиления.

Комплексный коэффициент передачи: При анализе частотнозависимых устройств часто возникает необходимость в векторном представлении коэффициента передачи.

Комплексный коэффициент передачи K(jщ) -- отношение комплексной амплитуды (Ка)Y выходной величины системы к комплексной амплитуде X входной величины синусоидальной формы при заданном значении её частоты щ.

Также ещё используется (в основном на практике в теории передачи сигналов по каналу связи) обратный комплексный коэффициент передачи (1/K(jщ)). Так как ККП в этом случае меньше единицы и имеет дробный вид, что усложняет расчёты, комплексную амплитуду выходного сигнала Y можно вычислить умножением КА входного сигнала X на K(jщ), если комплексный коэффициент передачи априори известен. Комплексный коэффициент передачи является комплексной величиной, а его компоненты зависят от частоты входного сигнала. Может быть представлен вектором на комплексной плоскости (построенная таким образом кривая называется годографом коэффициента передачи).

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) -- зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. А также функция выражающая (описывающая) эту зависимость. А также -- график этой функции. (Математически амплитуда -- это модуль некоторой комплекснозначной функции от частоты.) Также может рассматриваться АЧХ других комплекснозначных функций частоты, например, спектральной плотности мощности сигнала.

АЧХ в теории линейных стационарных систем означает зависимость модуля передаточной функции системы от частоты. АЧХ показывает во сколько раз амплитуда сигнала на выходе системы отличается от амплитуды входного сигнала на всём диапазоне частот.

На графике АЧХ по оси абсцисс откладывается частота, а по оси ординат отношение амплитуд выходного и входного сигналов системы. Обычно для частоты используется логарифмический масштаб, так как исследуемый диапазон частот может изменяться в достаточно широких пределах (от единиц до миллионов Гц или рад/с). В случае когда логарифмический масштаб используется и на оси ординат, АЧХ превращается в логарифмическую амплитудно-частотную характеристику. ЛАЧХ получила широкое распространение в теории автоматического управления в связи с простотой построения и наглядностью при исследовании систем управления.

Чувствительность усилителя -- чувствительность, определяемая минимальным напряжением, током или мощностью на входе электронного усилителя, при которых обеспечивается заданное превышение полезного сигнала над шумами усилителя или заданные напряжение, ток или мощность в его нагрузке.

Шум -- беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Первоначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям, однако в современной науке оно было распространено и на другие виды колебаний (радио-, электричество).

Коэффициемнт нелинемйных искажемний (КНИ или KН) -- величина для количественной оценки нелинейных искажений, равная отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала.

(1.4.4)

КНИ -- безразмерная величина и выражается обычно в процентах. Кроме КНИ, уровень нелинейных искажений часто выражают и через коэффициент гармонических искажений (КГИ или Kг) -- величину, выражающую степень нелинейных искажений устройства (усилителя и др.) и равную отношению среднеквадратичного напряжения суммы высших гармоник сигнала, кроме первой, к напряжению первой гармоники при воздействии на вход устройства синусоидального сигнала.



(1.4.5.)

Типовые значения КНИ и КГИ. Ниже приведены некоторые типовые значения для КНИ, и в скобках, для КГИ.

0 % (0%) -- форма сигнала представляет собой идеальную синусоиду.

3 % (3 %) -- форма сигнала отлична от синусоидальной, но искажения незаметны на глаз.

5 % (5 %) -- отклонение формы сигнала от синусоидальной заметной на глаз по осциллограмме.

10 % (10 %) -- стандартный уровень искажений, при котором считают реальную мощность (RMS) УМЗЧ, заметен на слух.

12 % (12 %) -- идеально симметричный треугольный сигнал.

21 % (22 %) -- «типичный» сигнал трапецеидальной или ступенчатой формы.

43 % (48 %) -- идеально симметричный прямоугольный сигнал (меандр).

63 % (80 %) -- идеальный пилообразный сигнал.

Фамзочастомтная характеристика (ФЧХ) -- зависимость разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты сигнала, функция, выражающая (описывающая) эту зависимость, также -- график этой функции.

Для линейной электрической цепи, зависимость сдвига по фазе между гармоническими колебаниями на выходе и входе этой цепи от частоты гармонических колебаний на входе.

Часто ФЧХ используют для оценки фазовых искажений формы сложного сигнала, вызываемых неодинаковой задержкой во времени его отдельных гармонических составляющих при их прохождении по цепи.



(1.4.6)

Одним из важных параметров усилителя является коэффициент усиления мощности, который в установившимся режиме определяется соотношением

(1.4.7.)

Для усилителей большой мощности важным показателем является коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение мощности, отдаваемой в нагрузку, к потребляемой мощности.

Входное сопротивление - сопротивление между входными зажимами усилителя при подключенной нагрузке.

Выходное сопротивление усилителя - сопротивление между выходными зажимами вместе с известным сопротивлением источника сигнала.

Как правило, во всех усилителях стремятся к созданию большого входного сопротивления и малого выходного сопротивления. Это позволяет не шунтировать входной сигнал со стороны генератора и уменьшать влияние нагрузки на параметры усилителя.

Номинальная выходная мощность усилителя - это наибольшая мощность на выходе усилителя при сопротивлении нагрузки равном выходному сопротивлению усилителя и заданном значении коэффициента гармоник.

Номинальное выходное напряжение усилителя - это напряжение на выходе усилителя, соответствующее номинальной выходной мощности.

Максимальное выходное напряжение - максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот параметр измеряется

Максимальная выходная мощность усилителя - это мощность на выходе усилителя при сопротивлении нагрузки равном выходному сопротивлению усилителя и коэффициенте гармоник 10 %.



2. Разработка схемы двухкаскадного усилителя с релейным выходом

2.1 Принципиальная схема и описание работы

Усилители с релейным выходом широко применяются в электрических схемах автоматики, управления и защиты. На базе таких усилителей строят схемы нуль-индикаторов с мощностью срабатывания нескольких десятков микроватт, схемы измерительных органов защиты, подключаемые к маломощным датчикам, и исполнительные элементы с выходной мощностью до нескольких киловатт. Релейное действие этого усилителя проявляется в том, что при определенном изменении величины входного сигнала или его знака усилитель практически мгновенно переходит из одного устойчивого состояния в другое. Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 2.2.

Она содержит два усилительных каскада на транзисторах VT1,VT2 работающих в ключевом режиме. В цепь коллектора транзистора VT2 включена катушка малогабаритного электромагнитного реле Р1. Усилитель питается от источника постоянного тока через параметрический стабилизатор напряжения (стабилитрон VD4 и резистор R6).

Схема работает следующим образом. При отсутствии входного сигнала транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт, реле Р1 обесточено. Открытое состояние транзистора обеспечивается током в цепи базы через резисторы R1 и R3 от источника коллекторного питания . Транзистор VT2 при этом находится в режиме отсечки, так как напряжение на его базе отрицательно относительно эмиттера и примерно равно напряжению смещения, которое задается диодом VD2. Появление положительного входного сигнала (плюс на базе транзистора) не приводит к изменению состояния транзисторов усилителя.

При появлении отрицательного входного сигнала появляется входной ток, уменьшающий ток в цепи базы открытого транзистора VT1. При некотором входном токе транзистор VT1 переходит из режима насыщения в усилительный режим. В усилительном режиме уменьшение тока в цепи базы приводит к уменьшению тока в цепи коллектора транзистора, что приводит к увеличению положительного потенциала на базе транзистора VT2 и его отпиранию.

В момент переключения транзисторов действует положительная обратная связь (резистор R3). Отпирание транзистора VT2 приводит к уменьшению напряжения на его коллекторе, следовательно, уменьшается ток через резистор R3 и ток в цепи базы транзистора VT1. Этот процесс ускоряет запирание транзистора VT1, что в свою очередь ускоряет отпирание транзистора VT2, т.е. наступает лавинообразный процесс, приводящий практически к мгновенному насыщению транзистора VT2. Положительная обратная связь обеспечивает релейный эффект. При уменьшении или исчезновении входного тока транзисторы усилителя переключаются в исходное состояние.

При запирании транзистора VT2 на катушке реле Р1, обладающей индуктивностью, наводится ЭДС самоиндукции, которая, складываясь с напряжением коллекторного питания, может привести к пробою транзистора. Для защиты от наводимых перенапряжений применяется цепочка VD3, R4. Появляющееся перенапряжение открывает диод VD3 и ток реле Р1 при запирании транзистора VT2 будет уменьшаться постепенно, замыкаясь через цепочку VD3, R4. Напряжение на транзисторе VT2 в этом случае увеличится только на величину падения напряжения в этой цепочке.

Рис. 2.1.1. Блок-схема релейного усилителя.



Рис.2.1.2. Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с релейным выходом.



3. Расчетная часть

3.1 Расчет усилителя

Дано:

=220 В ± 10% > 198…242 В

t = 473…593 K > 200…320 C

Реле:

= 12 В

=320 Ом

=0.7…1.2 > 8.4…14.4 В

Начнем с выбора элементов схемы параметрического стабилизатора. Определяем напряжение надежного срабатывания реле Р1 , которое находится в пределах 0.7…1.2 т.е. 8.4…14.4 B.

I= /=12/320=0.0375 А.

Обеспечить эти параметры можно с помощью стабилитрона КС512А с номинальным напряжением стабилизации 12 B. Основные параметры этого стабилитрона приведены ниже.

=1 мА.

=67 мА.

= 1 Вт.

R ? 25 Ом.

Разброс напряжений стабилизации в зависимости от температур при токе стабилизации 5 мА приведен в таблице.3.1.1.



Табл. 3.1.1 - Зависимость напряжения стабилизации КС512А от температуры

Температура К	Напряжение стабилизации В
303	10.8 … 13.2
213	9.9 … 13.2
273	10.8 … 14.5

Окончательный расчет параметрического стабилизатора будет проведен после расчета усилителя.

Выберем транзисторы усилителя. Для повышения надежности работы транзисторов рекомендуется выбирать рабочие напряжения и токи так, чтобы они не превышали

0.7 … 0.8 предельных значений. Учитывая максимальное коллекторное напряжение, для нашей схемы нужен транзистор, у которого постоянное напряжение, коллектор - эмиттер

> / 0.7 =14.5/0.7=20.7 В.

А постоянный ток коллектора

> / =14.5/320=0.0453 А.

Для обоих каскадов усилителя выбираем транзистор 2Т831А, параметры которого приведены ниже:

Табл. 3.1.2 - Параметры транзистора 2Т831А

	=2 мA	25 …200
	=0.01 мA	? 25
	=100 мA	? 25
В.	=100 мА. =5 мА.	? 0.15
	=10 мА. =0.5 мА.	?0.15
В.	=100 мА. =5 мА.	?0.8
	=10 мА. =0.5 мА.	?0.8
мкA.		?10
мкA.		?10
В.		35
В.		30
В.		5
мA.		2000
Вт.	t=213…298 K	5

Усилитель рассчитываем при номинальном напряжении коллекторного питания и температуре 298 К. Расчет начинаем с выходного каскада.

Для создания источника запирающего напряжения в цепи транзистора VT2 выбираем кремниевый диод VD2 КД102А.

Параметры диода:

= 250 В.

= 0.1 A.

= 0.1 мкA.

= 1 В.

Выбираем прямой ток диода VD2 2мА. И определяем прямое напряжение на диоде,

Равное =0.8 В. при температуре 298 К. Тогда сопротивление резистора R5

R5=(- )/=(12-0.8)/0.002=5600 Ом.

Выбираем номинальное сопротивление 5.6 кОм. ±5%

Мощность рассеиваемая на резисторе учитывая максимальное коллекторное напряжение будет:

=14.42/5600=0.0371 Вт.



Выбираем резистор R5 МЛТ-0,125 5,6 кОм. ±5%.

Через R5 и диод VD2 протекает ток:

=( - )/R5=(12-0.8)/5600=0.002 А.

Ток в цепи коллектора транзистора VT2 когда он находится в режиме насыщения, будет:

=( - - )/=(12-0.8-0.15)/320=0.0345 А.

Минимальное напряжение на катушке реле Р1 когда транзистор VT2 находится в режиме насыщения, с учетом неблагоприятных сочетаний параметров элементов схемы равно:

=- - =9.9-1-0.15=8.78 B.

Что находится в допустимых пределах.

Максимальный прямой ток диода VD2, когда транзистор VT2 насыщен, с учетом неблагоприятных параметров элементов схемы равен:

=+ ? / + / R5 =14.4/320+14.4/5600=0.0476 A.

Что меньше максимально допустимого тока для диода типа КД102А.

Расчетный статический коэффициент передачи тока транзисторов

= Кс Кт (3.1)

где Кс =0.7 коэффициент учитывающий старение, Кт - коэффициент учитывающий температуру Кт = 0.6 при температуре 233 К. и Кт =1.2 при температуре 323 К.

Минимальный статический коэффициент передачи тока транзистора VT2 учитывая режим работы, определим как

= 200*0.7*0.6=84

Ток в цепи базы VT2 на границе насыщения

= / =0.0345/84=0.411 мA.

Ток в цепи базы в режиме насыщения, принимая коэффициент насыщения равным 1.2

=1.2* =1.2*0.411*=0.4932 мА.

Если транзистор VT2 в режиме насыщения, то VT1 в режиме отсечки. По резистору R2 проходит ток базы VT2 и обратный ток коллектора VT1

= + =0.0004932 + 0.00001 ? 0.0005032 A.

Сопротивлением резистора R2

R2 = ( - - ) / =(12-0.8-0.8)/0.0005032=20667,72 Ом

Определим максимальную мощность на R2

= / R2 =14.4/ 20000=0.001037 Вт.

Выбираем резистор R2 МЛТ-0.125 20 кОм ± 5%

Напряжение между базой и эмиттером транзистора, необходимое для создания режима отсечки



? *ln(1+)=Т / 11600 * ln(1+ ) (3.2.)

Где - температурный потенциал, Т - максимальная температура К. Принимая статический коэффициент передачи тока максимальным, находим

=200*1.2=240

и подставляя получим

= 343/11600*ln(241)?0.162 В.

Определим максимальное напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 в режиме отсечки.

На основании второго закона Кирхгофа можно записать:

- + =0

Откуда

= - =0.8-0.15=0.0,65 В.

Следовательно транзистор VT2 будет в режиме отсечки, так как напряжение на его базе, рассчитанное при минимальном напряжении на VD2, положительно относительно эмиттера и больше, чем рассчитанное

Ток в цепи коллектора транзистора VT1 в режиме насыщения

=( - )/R2=(12-0.15)/20000=0.5925 мA.

Минимальный статический коэффициент передачи тока транзистора VT1 учитывая величину тока в цепи эмиттера и то, что

= Кс Кт



=200*0.7*0.6=84

Ток в цепи базы VT1 на границе насыщения

=/ =0.0005925/84=7.053 мкA.

Сопротивление резистора R3 в цепи обратной связи

R3 ? (- 1)* =(84*84-1)*320=2257600 Ом

Выбираем резистор R3 МЛТ-0.125 2.2 МОм ±5% (мощность выделяющаяся на резисторе меньше 0.125 Вт). Ток в цепи обратной связи (если VT1 открыт а VT2 закрыт)

==( - ) / (R3 + ) =(12-0.8) / (2200000+320)=5.09 мкA.

Определим сопротивление R1 из условия обеспечения заданного входного тока срабатывания усилителя. Усилитель срабатывает, если под воздействием входного тока транзистор VT1 из режима насыщения переходит в усилительный при котором ток в цепи базы пропорционален току в цепи коллектора. Составим для точки А выражение в соответствии с первым законом Кирхгофа:

+ = +

Отсюда ток в резисторе R1 при срабатывании усилителя

= + - = + / -

Определим величину тока в резисторе R1 при крайних значениях коэффициента передачи тока транзистора VT1:

= 0.0003 + 0.0005925/84-0.00000509=301.963 мкA.

= 0.0003 + 0.0005925/240-0.00000509=297.38 мкA.

Предельные значения сопротивлений резистора R1

= ( - ) / =(12-0.8) / 0.000000301963=37090,64 Ом.

= ( - ) / =(12-0.8) / 0.00000029738=37662,25 Ом.

Из расчета следует, что для обеспечения тока срабатывания усилителя в заданной точностью ±10% сопротивление резистора R1 подбираем при настройке схемы усилителя. Для дальнейших расчетов принимаем сопротивление резистора R1 36 кОм ±5%, при этом

= / R1 =12/36000=0.000333 A.

Мощность потребляемая усилителем от источника сигнала при срабатывании

= * =0.0003*0.162=0.0000486 Вт.

Определим величину сопротивления резистора R4 из условия, чтобы при запирании транзистора VT2 напряжение на нем не превысило максимально допустимое. При запирании VT2 на обмотке реле Р1, обладающей индуктивностью, наводится ЭДС самоиндукции, под воздействием которой открывается диод VD3. Будем считать, что ток . замыкается по цепочке VD3 R4, создавая дополнительное падение напряжения. Следовательно, напряжение на запирающемся транзисторе VT2:

= + . * R4 + < 

Отсюда, принимая прямое падение напряжения на диоде VD3 1В, получим

R4 < ( - - )/=(30-12-1)/0.0345=492.753 Ом.

Выбираем резистор R4 МЛТ-0.125 470 Ом ±5%.

Выбираем диод VD3 Д223.

Максимальное постоянное напряжение эмиттер - база транзистора VT1 =5В, поэтому для защиты от обратных напряжений включен диод VD1 . При появлении на входе усилителя обратных напряжений открывается диод VD1 , и напряжение между эмиттером и базой VT1 будет равно прямому напряжению на диоде VD1 . Для этой цели выбираем диод Д223.

Определяем мощность, потребляемую схемой усилителя от источника коллекторного питания. Если транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт, то суммарный ток IH потребляемый схемой, равен

=++ + = 0.000333+0.00000509+0.0005925+0.002=2.93мA.

Потребляемая мощность

= * = 12*0.00293 = 35.16 мВт.

Эквивалентное сопротивление нагрузки

= / = 12 / 0.00293 = 4095.56 Ом.

Если транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт, то суммарный ток потребляемый схемой, равен



= + + = 0.000493+0.0345 +0.002= 0.036993 A.

Потребляемая мощность

= * = 12*0.036993 = 0.444 Вт.

Эквивалентное сопротивление нагрузки

= / = 12 / 0.036993 = 324.38 Ом.

3.2 Расчет параметрического стабилизатора

Таким образом, сопротивление нагрузки подключаемой к источнику коллекторного питания, в процессе работы схемы изменяется от 324.38 до 4095.56 Ом. Определим крайние значения токов, потребляемых нагрузкой, с учетом изменения напряжения коллекторного питания

= / = 14.5 / 324.38 =0.0447 A.

= / = 9.9 / 4095.56 =0.00232 A.

Рассчитаем балластное сопротивление стабилитрона и изменения напряжения питания. Ток стабилитрона при неблагоприятных сочетаниях параметров должен быть больше минимального и меньше максимального тока стабилизации, указанных в справочных данных на стабилитрон. Схема рассчитываемого стабилизатора приведена на рис.



Рис.3.2.1. Эквивалентная схема параметрического стабилизатора.

Минимальный ток через стабилитроны :

= -

Принимая минимальный ток через стабилитрон = 1 мА. Определим

= + =0.001+0.0447=0.0457 А.

Определим сопротивление резистора R6 с учетом минимального напряжения питания и максимального напряжения стабилизации

R6 =(- ) / =(198-14.5)/0.0457=4105 Ом.

Выбираем номинальное сопротивление 4.3 кОм. ±5%. Определим минимальные и максимальные токи через резистор с учетом изменения напряжения питания и напряжения стабилизации

=( - ) / R6 = (242-9.9)/4300=0.05398 А.

=( - ) / R6 = (198-14.5)/4300=0.04267 А.

Проверим токи через стабилитрон

= - =0.04267 - 0.036993=0.00568 А.

= - =0.05398 - 0.002817=0.0512 A.

Расчеты подтверждают правильность выбора параметров схемы стабилизатора, так как токи стабилитронов находятся в допустимых пределах при неблагоприятных сочетаниях факторов.

Максимальная мощность, рассеиваемая резистором R6

= / R6 = / 4300 =12.53 Вт.

Выбираем резистор ПЭВ-15 4,3 кОм ±5%.

Номинальная мощность, потребляемая схемой от источника питания

= / R6 / 4300=10.061 Вт.

Определим коэффициент стабилизации выбранного параметрического стабилизатора. Будем считать, что при неизменной нагрузке на стабилизатор ток через стабилитрон изменяется только за счет изменения напряжения питания, следовательно

Д =Д / R6 = ( - ) / R6 =(242-198)/4300=0.01 A.

Изменение напряжения на нагрузке вызвано наличием дифференциального сопротивления стабилитронов, которое в соответствии со справочными данными принимаем =25 Ом.

Следовательно

Д = Д* = 0.01*25= 0.25 v.

Коэффициент стабилизации стабилизатора при неизменной нагрузке и изменении напряжения питания

=( Д/) / (Д/) = (44/220) / (0.25/12) = 9.6

Необходимо отметить, что приведенный расчет коэффициента стабилизации является приближенным, так как не учитывает влияние температуры и изменение нагрузки.

Размещено на Allbest.ru