Разработка и расчет двухкаскадного усилителя с релейным выходом (стр. 1 из 2)

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	120 ÷ 220
	I =0.01 mA	≥ 30
	I =100 mA	≥50
U V.	I =100 мА. I =5 мА.	≤0.5
	I =10 мА. I =0.5 мА.	≤0.2
U V.	I =100 мА. I =5 мА.	≤1
	I =10 мА. I =0.5 мА.	≤0.8
I µA.	≤0.1
I µA.	≤0.1
U V.	50
U V.	45
U V.	5
I mA.	100
P мВт.	t=213÷298 K	300

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:

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=(Е

- U )/I =(12-0.8)/0.002=5600 Ом.

Выбираем номинальное сопротивление 5.6 кОм. ±5%

Мощность рассеиваемая на резисторе учитывая максимальное коллекторное напряжение будет: