Разработка и расчет двухкаскадного усилителя с релейным выходом
Выполнил студент группы УЭМ-4 Коротков А. Г.
Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет
Владивосток 2008
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. 1.
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 ЕК . Транзистор VT2 при этом находится в режиме отсечки, так как напряжение на его базе положительно относительно эмиттера и примерно равно напряжению смещения, которое задается диодом VD2. Появление отрицательного входного сигнала (минус на базе транзистора) не приводит к изменению состояния транзисторов усилителя.
При появлении положительного 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 отрицательного 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.
Постепенное уменьшение тока в катушке Р1 при запирании транзистора VT2 приводит к увеличению времени возврата реле, что не всегда приемлемо. Для уменьшения 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÷70 ºC
Реле:
U = 12 V
R =320 Ohm
K =0.7÷1.2 → 8.4÷14.4 V
Расчет.
Начнем с выбора элементов схемы параметрического стабилизатора. Определяем напряжение надежного срабатывания реле Р1 , которое находится 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 КС512А с номинальным напряжением стабилизации 12 V. Основные параметры этого стабилитрона приведены ниже.
I=1 мА.
I=67 мА.
Р= 1 Вт.
R ≤ 25 Ом.
Разброс напряжений стабилизации в зависимости от температур при 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 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
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=2 mA |