Зміст

Завдання. 2
Зміст. 3
1. Принцип дії пристрою. 4
1.1. Принцип дії схеми формувача. 4
1.2. Принцип роботи таймера 555 в схемі одиночного запуску. 5
2. Ескізний розрахунок. 7
2.1. Ескізний розрахунок схеми формувача. 7
2.2. Ескізний розрахунок схеми з таймером. 9
3. Вибір елементів і компонентів схеми .. 11
4. Детальний розрахунок. 13
4.1. Каскад Дарлінгтона. 13
4.2. Операційний підсилювач і схема з транзистором VT1. 13
5. Принципова схема пристрою. 14
6. Аналіз якості роботи пристрою. 15
7. Ескіз розміщення елементів і компонентів. 16
8. Визначення основних масогабаритних показників. 17
9. Список використаної літератури .. 18

Принцип дії пристрою

Uвх = 0 .. 10В Iн = 20 .. 50 A Rн = 5 Ом t імпульсу = 10 мс Запуск від ТТЛ

Рис 1. Схема формувача імпульсу струму для запуску лазером і необхідні параметри його роботи

1.1. Принцип дії схеми формувача

Пристрій складається з операційного підсилювача, каскаду Дарлінгтона і транзистора VT1, зміною режимів якого управляє таймер 555. Транзистор VT1 більшу частину часу перебуває в режимі насичення, коли з таймера в його базу втікає струм певної величини. У цьому стані VT1 працює як низькоомний резистор, знижується потенціал бази VT2, і відключається негативний зворотний зв'язок, утворена каскадом Дарлінгтона (VT2, VT3) і резистором R1.
При запуску таймера 555, на деякий час (а точніше на 10 мс, за умовою завдання) потенціал його виходу знижується. При цьому транзистор VT1 переходить у режим відсічки. Опір переходу колектор-еммітер зростає до кількох мегаом. Слідом за цим підвищується потенціал бази VT2, відкривається негативний зворотний зв'язок.
При роботі операційного підсилювача в цьому режимі дотримується принцип віртуального нуля. Отже, на резисторі R1 буде падати напруга Uвх. Задавши певний номінал цього резистора, отримуємо необхідний струм навантаження.
Транзистори, що входять в каскад Дарлінгтона, працюють в лінійному режимі. Резистор R2 замикає по ланцюгу негативного зворотного зв'язку VT2. Це необхідно для стабілізації робочої точки всього каскаду. R3 обмежує вихідний струм підсилювача, коли VT1 ​​працює в режимі насичення і практично весь цей струм тече через нього.
Таким чином, схема являє собою генератор стабільного струму: величина струму навантаження залежить тільки від номіналу R1 і напруги живлення Eп і практично не залежить від Rн.

1.2. Принцип роботи таймера 555 в схемі одиночного запуску

Тривалість імпульсу залежить від параметрів елементів, що входять у схему одиночного запуску таймера 555. Розглянемо цю схему.

Рис. 1.1 схема вкюченія таймера 555

Усередині мікросхеми таймера розташований резистивний дільник, до якого підключено два компаратора. Ці компаратори керують роботою самого таймера. При подачі низького рівня сигналу (меншого 1 / 3 * E _п2) на вхід запуск, компаратор, підключений до входу S RS-тригера, на виході утворює значення напруги логічної одиниці.
Вважаємо, що в перший момент часу конденсатор Ct розряджений. Тоді другий компаратор утворює на вході R логічний нуль. Тригер переходить в одиничний стан. На його інверсному виході напруга падає до логічного рівня нуля. Транзистор замикається і відбувається зарядка конденсатора Ct через резистор Rt.
Конденсатор заряджається до тих пір, поки потенціал верхньої обкладки не досягне величини 2 / 3 E _п2. Далі - верхній компаратор сформує сигнал і RS тригер перейде в стан нуля. Транзистор, керуючий роботою конденсатора, буде працювати в режимі насичення, і, по суті справи, відбудеться розрядка Ct через перехід колектор-еммітер 20-25 Ом.
Опір Rt вибираємо кілька кОм, щоб опору переходу коллектор-еммітер насиченого транзистора було пренебрежимо меншим.
На виході таймера поставлений логічний інвертор ТТЛ - серії. Він формує низький рівень сигналу для закриття транзистора VT1 в період дії імпульсу таймера.

2. Ескізний розрахунок

2.1. Ескізний розрахунок схеми формувача

Рис. 2. схема пристрою з зазначенням струмів і падінь напруг

Для початку розглянемо роботу пристрою в період формування імпульсу, коли транзистор VT1 працює в режимі відсічення, включаючи зворотний зв'язок.
Принцип віртуального нуля, який виконується, оскільки операційний підсилювач охоплений зворотним зв'язком, створює на резисторі R1 падіння напруги, рівне вхідного Uвх. Знаючи максимальне значення струму навантаження Iн = 50 A при Uвх = 10 В, отримуємо точне значення резистора R1:
R1 = Uвх _max / Iн _max = 10 В / 50 А = 0.2 Ом
При роботі пристрою, транзистори VT3 і VT2, що входять в каскад Дарлінгтона, працюють в активному режимі. При цьому на базі транзистора VT3 створюється напруга, більша Uвх на величину лижі відкритого діода база-еммітер. Аналогічно, на базі транзистора VT2 створюється напруга, більша Uвх на величину двох лиж. Отже:
Uб _VT3 = Uвх + 0.7
Uб _VT2 = Uвх + 1.4

Підбираємо тепер значення резистора R2. Через базу транзистора VT3 протікає струм в (b _I »50 .. 100) разів менший, ніж струм навантаження. При максимальному струмі навантаження до бази втікає струм порядку 0.5 А. У той же самий час, падіння напруга на переході база-еммітер залишається близько 0.7 В. Отже, опір переходу база-еммітер при максимальному струмі навантаження становить величину до півтора Ом.
Нехай тепер вхідний напруга становить величину порядку 1В. У цьому випадку протікає струм навантаження знизиться до значення 5 A . У базу буде втікати струм близько 50 мА. Опір переходу база-еммітер збільшитися до величини 14 Ом. При номіналі R2 близько 50 Ом практично у всіх випадках буде забезпечуватися необхідний струм бази VT3, як правило, на порядок більший струму, що протікає через R2.
Тепер підберемо параметри для транзистора VT3. Схема споживає більшу частину енергії при протіканні максимального струму навантаження (50A). У цьому режимі на переході база-колектор падає порядку 2.5 В. (на базі VT2 на 1.4 У більше, ніж на еммітере VT3, на зміщеному у зворотному напрямку переході колектор-еммітер падає також близько вольта) Отже, необхідний транзистор, здатний споживати потужність порядку 120-150 Вт Крім того, харчування Eп буде становити порядку 300 В (щоб забезпечити струм в 50 A у 5-омной навантаженні). Тому потрібен транзистор з максимальним значенням зміщення колектор-еммітер 350-400 В.
Підберемо параметри для VT2. Максимальний струм I _б3 порядку 0.5-1A (залежно від коефіцієнта посилення VT3 по струму). На переході колектор-еммітер падає напруга порядку 1.5-2 В. Отже потрібний 2-3 ватний транзистор, також здатне забезпечити падіння напругу до 300 В (оскільки в режимі відсічення потенціал бази VT3 опускається до нуля)
Максимальне значення струму I _б2 порядку 5-10 мА. Вхідна напруга операційного підсилювача до 10 В, тому вибираємо для нього типове напруга живлення ± 15 В. При роботі в колі зворотного зв'язку, максимальна вихідна напруга, яку він може дати при даному харчуванні складає порядку 13 В. Звідси знаходимо опір R3:

R3 = (U вих _{ОУ max} - Uвх _{ОУ max} - 1.4) / I _{б 2;}
R3 = 160 Ом;

Нехай тепер VT1 працює в режимі насичення. У цьому випадку через нього потече практично весь струм з операційного підсилювача. При максимальному значенні вихідної напруги (коли ОУ знаходиться в режимі насичення), рівного в нашому випадку біля 13.5 В, одержуємо струм, що протікає через перехід колектор-еммітер VT1:

Iке _{VT 3} = U вих _{ОУмах, нас} / (R3 + 20 Ом);
Iке _{VT 3} = 75 ма.
20 Ом - опір переходу колектор-еммітер в режимі насичення для малопотужних транзисторів.
Знайдемо основні параметри транзистора VT3. Максимальна споживана потужність:
P _VT3 = Iке _VT3 ² * R3 = 141 мВт.
Вибираємо транзистор з потужністю близько 200 мВт. Максимальне падіння колектор-еммітер - близько 15 .. 17 В.
За умовою завдання, запуск таймера відбувається від ТТЛ-мікросхеми.
Доцільно вибрати напруга його живлення близько 5 В, а також зробити вихідна напруга одиниці порядку 2.4 - 3.0 В. (наблизити вихідні значення до вхідних). Щоб ввести транзистор VT1 в стан насичення, достатньо на його базу подати струм, при якому він вже не зможе працювати в активному режимі, пропускаючи струм колектора в b _I разів більший. Для значення коефіцієнта посилення близько 200 .. 250 нам достатній струм у 0.3-0.4 мА. З цих міркувань підбираємо номінал резистора R4:
R4 = 6 .. 7 кОм;
На виході таймера нам буде потрібно інвертор, оскільки схема запускається за низьким рівнем сигналу. Доцільно для цієї мети також використовувати ТТЛ-мікросхему (U ¹ _min = 2.4 В, I ¹ _max = 0.4 мА)
Тепер розглянемо будову і схему підключення таймера 555:

2.2. Ескізний розрахунок схеми з таймером

Рис. 2.1 RC-ланцюг у схемі одиночного запуску таймера

Щоб сформувати необхідну тривалість імпульсу, слід підібрати параметри Rt і Ct у схемі з таймером (див. рис. 1.1). У момент запуску таймера тригер переходить в стан логічної одиниці. У результаті чого, транзистор починає працювати в режимі відсічення, його перехід колектор-еммітер підвищується до декількох мОм. Вважаємо, що у нас в цьому місці розрив і розглядаємо просту RC-ланцюг, конденсатор якої повинен зарядиться до напруги 2 / 3 * E _п2.
Виведемо співвідношення для цього випадку:
Uct = E _{п 2} * (1-exp (t / RtCt));
Uct = 2 / 3 E _п2; (тому що при більшій напрузі включається компаратор)
2 / 3 = (1-exp (t / RtCt));
t = ln3 * RtCt »1.1 * RtCt;
Візьмемо Rt »1.5 кОм (на два порядки більше ніж опір колектор-еммітер малопотужного транзистора в режимі насичення.) Тоді для t = 10 мс значення ємності конденсатора буде:
Ct = 10 ^-2 / (1.1 * 1500) »6 мкф;
Для запуску схеми від ТТЛ-мікросхем, слід взяти E _п2 = 5В. У цьому випадку дільник напруги, що складається з трьох рівних за величиною резисторів R5 (зазвичай кілька кОм для типових мікросхем таймерів 555) забезпечить пороговий рівень спрацьовування схеми 5 / 3 В. Граничні напруги одиниці (2.4В) і нуля (0.4В) для серій ТТЛ допускають таку роботу.

t

t

t

t

U запуск

1 / 3 * E п2

2 / 3 * E п2

ln3 * R t C t

ln3 * R t C t

Uc t

Uq

U вих

Рис. 2.1 Тимчасова діаграма роботи таймера 555

Тимчасова діаграма роботи таймера в цьому випадку буде виглядати наступним чином.:

3. Вибір елементів і компонентів схеми

Операційний підсилювач: К140УД9

Напруга живлення	± 5 .. ± 15 В
Напруга зсуву, U см	5 мВ
Вхідний струм, I вх	350 нА
Частота одиничного посилення, f пр (f 1)	1 МГц
Vu вих	0.2 В / мкс
Коефіцієнт посилення	68 Дб
Споживана потужність	240 мВт

· Транзистор VT1: A747C

Матеріал	Si
Максимальний струм колектора	100 мА
Максимальна напруга колектор-еммітер в режимі відсічення	50 В
Потужність транзистора	220 мВт
Коефіцієнт передачі по струму	600

· Транзистор VT2: 2 SD 1373

Матеріал	Si
Максимальний струм колектора	3 А
Максимальна напруга колектор-еммітер в режимі відсічення	300 В
Максимальна напруга переходу колектор-база, зміщеного в зворотному напрямку	300 В
Потужність транзистора	2.5 Вт
Коефіцієнт передачі по струму	200

· Транзистор VT3: 2 SC 3991 N

Матеріал	Si
Максимальний струм колектора	50 А
Максимальний струм колектора в імпульсному режимі	95 А
Максимальна напруга колектор-еммітер в режимі відсічення	500 В
Максимальна напруга переходу колектор-база, зміщеного в зворотному напрямку	800 В
Потужність транзистора	300 Вт
Коефіцієнт передачі по струму	50

· Резистор R1: 0.2 Ом; 500-1500 Вт
· Резистор R2: 50 Ом
· Резистор R3: 220 Ом
· Резистор R4: 4.5 кОм
· Резистор Rб:
· Резистор Rt: 1.5 кОм
· Конденсатор Ct: 6 мкф
· Мікросхема таймера 555: КР1006ВІ1

Напруга живлення	від +5 до +15 В
Струм навантаження	не більше 100 мА
Потужність, що розсіюється	не більше 50 мВт
Мінімальна тривалість імпульсу, що генерується таймером	20 мкс
Додаткові зауваження	при харчуванні +5 В таймер сумісний з мікросхемами серії ТТЛ

· Інвертор на виході таймера: КМ555ЛА3

Функціональне призначення	4 елементи 2І-НЕ
Максимальна напруга живлення	5.5 У
Вихідний струм низького рівня	не більше 4 мА
Вихідний струм високого рівня	не більше -0.4 мА
Вихідна напруга низького рівня	не більше 0.4 В
Вихідна напруга високого рівня	не менше 2.5 В

4. Детальний розрахунок

4.1. Каскад Дарлінгтона

Нехай транзистор VT1 працює в режимі відсічення, Uвх = 10 В. Тоді, на R1 буде також падати Uвх і потече струм Iн = 50 А.
Транзистор VT3 працює в лінійному режимі і в базу втікає струм:
Iб _VT3 = 50 A / 50 = 1 A ;
На R3 падає напруга лижі, для кремнієвого діода воно становить 0.75 В. При R2 = 50 A на резистор відгалужується струм:

I _{R 3} = 0.75 В / 50 Ом = 15 мА;
Це дуже малий, порівняно з 1А. При коефіцієнті передачі 200, у базу транзистора VT2 втікає струм, що дорівнює 5 мА.
Розглянемо ситуацію, коли вхідна напруга дорівнює 1 В. Через транзистор VT3 потече струм, що дорівнює 5 А, до бази VT3 втікає струм 100 мА, на резистор R3 відгалужується також струм 15 мА. У цьому випадку в базу VT2 втікає струм:
Iб _{VT 2} = 85 мА / 200 = 0.4 мА

4.2. Операційний підсилювач і схема з транзистором VT1

При максимальному вхідному напрузі в базу транзистора втікає струм
Iб _{VT 2} = 5 мА

Оскільки операційний підсилювач живиться від напруги ± 15 В, більше 13 В в силу конструктивних особливостей у лінійному режимі он забезпечити не може. Тому, вважаємо, що при максимальній напрузі живлення, вихідний потенціал дорівнює 13 В. Потенціал бази VT2 дорівнює 11.5 В. Тоді номінал R3:
R3 = (13 В - 11.5 У) / 5 мА = 220 Ом
Нехай тепер транзистор VT1 працює в режимі насичення, відключаючи зворотний зв'язок операційного підсилювача. Потенціал бази VT2 падає практично до нуля: утворюється резистивний дільник R3 - перехід колектор-еммітер насиченого транзистора VT1. Через цей перехід тече струм, порядку:
Iке = 13.5 / 245 Ом = 55 мА.

Коефіцієнт посилення по струму VT1 дорівнює 600, тому навіть ток в 0.4 мА, що надходить зі схеми одиночного запуску з таймером 555, здатний перевести VT1 ​​в режим насичення. Вибираємо номінал резистора, враховуючи вихідні параметри мікросхеми ТТЛ:
R4 = (2.5 В - 0.75 В) / 0.4 мА = 4.37 кОм.

Вибираємо R4 порядку 4.7 кОм.

5. Принципова схема пристрою

Рис. 5. Принципова схема пристрою із зазначенням обраних елементів

9. Список використаної літератури

1. М.Х. Джонс Електроніка - практичний курс. Москва: Постмаркет, 1999 р .
2. Кауфман М., Сідман А. Г. Практичний посібник з розрахунками схем в електроніці: Довідник. - М: Вища школа, 1991 р .
3. Зарубіжні інтегральні мікросхеми: Довідник / А.Ф. Нефьодов та ін - М.: кубки-а, 1995 р .
4. Шило В. Л. Лінійні інтегральні схеми в радіоелектронній апаратурі. - М.: Сов. Радіо, 1979.