Задача 3
На рис.3.1 представлена схема бесконтактного полупроводникового реле, выполненного в виде двухкаскадного усилителя. Заданными являются напряжение и ток в нагрузке для состояния «включено».
Требуется:
1) дать подробное описание работы усилителя в ключевом режиме;
2) обосновать приведенные соотношения;
3) рассчитать напряжение источника , сопротивления и , выбрать тип используемых транзисторов VT1, VT2 и диода VD.
Рис.3.1.
Исходные данные: , .
Решение
1) На рис.3.1 приведена схема двух каскадного усилительного ключа реализованного на транзисторах n-p-n структуры. В ключе использована непосредственная связь между каскадами. Когда на вход транзистора VT1 поступает отпирающее напряжение транзистор открывается и переходит в состояние насыщения. Напряжение на коллекторе транзистора относительно эмиттера (или заземленного провода) становится равным порядка +0.5-1В. Данное напряжение поступает на базу транзистора VT2. В каскаде транзистора VT2 реализована схема автоматического смещения напряжения эмиттера на диоде VD1 и дополнительном резисторе . Данная схема создает положительное напряжение смещения эмиттера порядка +0.7В, при использовании кремневых полупроводниковых диодов. В результате подачи напряжения +0.5В на базу транзистора VT2 транзистор переходит в состояние отсечки и закрывается, ток через резистор не течет.
При отсутствии положительного напряжения на базе транзистора VT1 транзистор VT1 закрыт, а на базу транзистора VT2 поступает открывающее положительное напряжение через резистор .
2) Напряжение источника питания должно быть больше напряжения насыщения транзистора VT2 плюс напряжение диода VD1 в проводящем состоянии. Ориентировочно можно принять для напряжения насыщения транзистора , а для проводящего напряжения диода .
Для выбора транзистора VT2 необходимо рассчитать допустимые значения тока через коллектор и напряжения на коллекторе . Для этого вначале определяются максимальные, значения коллекторного тока и напряжения . Затем с учетом надежной работы принимают, чтобы
; .
По справочнику выбирают транзистор VТ2.
Для выбора входного транзистора VТ1 рассчитывают максимальный ток:
; ;
где - коэффициент усиления транзистора (можно принять равным 30);
- коэффициент насыщения, выбираемый обычно равным 2.
Сопротивление смещения выбирается из условия, чтобы ток через диод VD в режиме отсечки транзистора VТ2 создавал напряжение на диоде:
; .
Диод выбирается из условия, чтобы максимальный ток протекающий через него в режиме насыщения транзистора VТ2, не превышал допустимого значения тока , т. е.
,
где .
Максимальное напряжение на диоде должно быть меньше допустимого напряжения на диоде : .
3) Проводим расчеты.
Задаемся напряжением источника питания:
.
Выбираем напряжение равным . Максимальное занчение коллекторного тока транзистора VТ2 положим равным:
.
Определяем параметры транзистора VT2:
; .
По справочной литературе выбираем транзистор n-p-n структуры. Выбрали КТ940А со следующими техническими характеристиками:
– максимальный постоянный ток коллектора ;
– максимальный ток коллектора в импульсе ;
– максимальное напряжение коллекторного перехода ;
– максимальная средняя мощность на коллекторе ;
– предельная частота коэффициента передачи тока ;
– статический коэффициент передачи тока ;
– напряжение насыщения .
Для выбора входного транзистора VТ1 рассчитывают максимальный ток:
;
;
здесь - падение напряжения на диоде в проводящем напрявлении.
Из стандартного резистивного ряда выбираем .
Определяем параметры транзистора VT1:
; .
По справочной литературе выбираем транзистор n-p-n структуры. Выбрали КТ315И со следующими техническими характеристиками:
– максимальный постоянный ток коллектора ;
– максимальное напряжение коллекторного перехода ;
– максимальная средняя мощность на коллекторе ;
– предельная частота коэффициента передачи тока ;
– статический коэффициент передачи тока .
Сопротивление отсечки выбираем из условия, что через него будет течь ток равный 5мА:
.
Из стандартного резистивного ряда выбираем .
Находим максимальный ток через диод:
.
В качестве диода выберем кремневый динод Д226Е, со следующими характеристиками:
- прямое напряжение ;
- максимальное обратное напряжение ;
- максимальный постоянный прямой ток .