Максимальный коллекторный ток транзисторов vт1, vт2 определяется выражением

I_{K max} = I_У.

Максимальное напряжение коллектор–эмиттер выходных транзисторов при полной выходной амплитуде сигнала

U_{КЭ max(1, 2)} = U_У + Е.

Мощность и тип транзисторов VТ1 (VТ2) выбирают по справочнику по допустимому току коллектора I_{К доп}  2 I_У (с двойным запасом) и допустимому напряжению коллектор-эмиттер U_{КЭ доп}  U_{КЭ max(1, 2)}.

Ток базы транзисторов для заданной максимальной нагрузки

,

где  (h_21Э) – статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Максимальный коллекторный ток предоконечных транзисторов VТ3, VТ4:

.

По справочнику выбираем транзисторы VТ3, VТ4 из условия

I_{K доп}  I_{K max(3, 4)}, U_{КЭ доп}  U_{КЭ max(1, 2)}.

Выбирается ток покоя VТ3, VТ4 I_{KА(3, 4)} для обеспечения режима АВ

.

При задании падения напряжения на резисторе R1 равного 0.4…0.5 В,

сопротивление R1 вычисляется по формуле

.

Максимальный базовый ток VТ3, VТ4 определяется выражением

I_{Б max(3, 4)} = (I_{К max(3, 4)} + I_{KA(3, 4)}) / _{(3, 4)}

Значение тока источников тока на транзисторах VТ5, VТ6 должно быть много больше базовых токов VТ3, VТ4:

I_{K(5, 6)} = I_{Э(5, 6)}  I_{Б max(3, 4).}

Зададим, для примера, I_{Э(5, 6)} = 5 I_{Б max(3, 4)}. Ток источника на VТ6 должен быть равен току регулируемого источника на VТ5 при нулевом сигнале управления.

Выбрав и задав одинаковыми токи покоя транзистора VТ8 I_KA(8) и ток делителя (R5, R6,VD4) I_дел, получим равные падения напряжения на R3, R4, R6, R8:

I_KA(8) R6 = I_Э(5) R3 = I_делR6 =I_Э(6) R4.

Из соотношения определяются значения сопротивлений R3, R4, R6, R8.

Значения R5, R7 определяются из соотношений

Сопротивления делителя R10, R11 цепи обратной связи усилителя определяется из выражения коэффициента усиления усилителя мощности по напряжению К_U

,

где К_ос – коэффициент передачи обратной связи.

5. Транзисторный широтно-импульсный преобразователь

В маломощных следящих системах для импульсного управления двигателями постоянного тока используются широтно-импульсные преобразователи (ШИП) [7], [8], питающиеся от источника постоянного напряжения.

Основой ШИП являются силовые транзисторные ключи (ТК), представляющие собой усилители мощности, работающие в ключевом режиме. Ключевой режим работы транзистора позволяет выделять в нагрузке большую мощность по сравнению с активным режимом при той же мощности рассеяния на транзисторе.

Импульсное напряжение в нагрузке формируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Сформированный ШИМ сигнал является результатом сравнения на компараторе линейно изменяющегося опорного напряжения (“пилы”) U_оп и сигнала управления U_У. Частота “пилы” ограничена коммутационными возможностями силовых транзисторов и составляет от 2 до 5 кГц.

Функциональная схема ШИП представлена на рис. 5.1,а. Она содержит мост из четырех ключей ТК1–ТК4. В одну диагональ моста, включен якорь электродвигателя, к другой диагонали подключено напряжение питания Е = 1.1 U_я.

Транзисторные ключи ТК1 – ТК4 управляются однополярными импульсами U₁– U₂. Импульсы формирует компаратор К. Ширина импульсов Т определяется уровнем управляющего напряжения U_У, сравниваемого на компараторе с опорным пилообразным напряжением, вырабатываемым генератором пилообразного напряжения (ГПН) с частотой переключения _оп=1/T.

В схеме реализован симметричный способ управления ШИП по цепи якоря. При этом все четыре транзисторных ключа находятся в состоянии переключения. Напряжение на якоре двигателя представляет собой знакопеременные импульсы, длительность которых регулируется входным сигналом U_У. Среднее напряжение U_я на выходе ШИП равно нулю при находятся находятся U_У = 0, при этом относительная продолжительность включения транзисторов  схемы составляет ₀ = 0.5 Т / Т = 0.5; ( 0    1). Временные диаграммы работы ШИП приведены на рис. 5.1,б.

13

Реверсирование в якоре двигателя происходит при смене знака управления U_У. Знак напряжений на якоре U_я в диаграмме (рис. 5.1, б ) при реверсе двигателя изменится на противоположный.

Схема реализации реверсивного ШИП с двигателем постоянного тока показана на рис. 5.2 и 5.3.

ГПН представляет собой мультивибратор на операционном усилителе DA1 (рис. 5.2).

С инвертирующего входа DA1 снимается пилообразное опорное напряжение U_оп с частотой

_оп = [2 R₃ C₁ ln (1 + 2R₁ / R₂)] ^–1.

Уровни срабатывания триггера Шмитта схемы, которые определяют высоту “пилы,” составляют

U_{оп max} = R₁ / (R₁ + R₂) U_{вых max} ;

U_{оп min} = R₁ / (R₁ + R₂) U_{вых min} ,

где U_{вых max} , U_{вых min} – уровни насыщения операционного усилителя. Так как емкость С1 заряжается и разряжается по экспоненте, то рекомендуется выбирать начальный линейный участок кривой заряда конденсатора, что соответствует уровню (0.1…0.2) U_{вых max (min)}.

+15 В

ТК1

+E

V3

+5 В

ТК3

R12

R10

V21

V15

V19

V8

V12

V9

V16

R17

V5

R7

V7

V11

R9

V1

R13

R18

R14

V10

К249 ЛП

R11

R6

К249

ТК2

ТК4

V2

R10

R20

R12

V4

R16

V18

V22

V20

V8

V14

R8

V9

V6

V17

–15 В

R15

V7

V13

R19

R9

К249ЛП

R11

V10

К249

–5 В

–E

Рис. 5.3

Дальнейшее усиление до уровня 5…10 В следует выполнить на инвертере DA2. Выходное напряжение U_ШИМ компаратора DAЗ (рис. 5.2) гальванически развязано с силовыми транзисторными ключами ТК1–ТК4 за счет введения диодных оптопар V3–V6 (рис.5.3). Оптопары включены в коллекторные цепи усилителей на транзисторах V1 и V2.

ТК1–ТК4 – представляют собой однотипные усилители мощности импульсов. Выходные каскады ТК1, ТК3 и ТК2, ТК4 выполнены на транзисторах с разным типом проводимости. У всех ТК входные усилители импульсов реализованы на микросхеме К249ЛП с оптопарой на входе.

Импульсы управления транзисторными ключами U₁– U₄, изображенные на рис.5.1,б, соответствуют открытому состоянию выходных транзисторов V12, V14, V16, V18 ТК1–ТК4.

Благодаря обратному диодному мосту V19–V22 схемы ШИП ток нагрузки может замыкаться в двух направлениях.

Коэффициент усиления ШИП определяется как

К _ШИП = U_{я max} / U_{оп max} , U_{я max} = E – 2 U_{КЭ нас}

где, U_{КЭ нас} – напряжение насыщения транзисторов V12, V14, V16, V18.

Работа транзистора по схеме с общим эмиттером в ключевом режиме. Ключами называют схемы, назначение которых состоит в замыкании и размыкании цепи нагрузки с помощью управляющих входящих сигналов. По аналогии с механическим ключом (контактом) качество транзисторного ключа определяется минимальным падением напряжения на нем в замкнутом состоянии и минимальным током в разомкнутом состоянии, а также скоростью перехода из одного состояния в другое.

Простейшая схема транзисторного ключа изображена на рис.5.4а. На семействе выходных характеристик транзистора (рис.5.4б) в соответствии с линией нагрузки R_К показано два состояния ключа А и В.

Рис. 5.4

б

а

I_Э

I_Б

I_К

R_Б

R_К

U_вх

R_К

I_Б = 0

I_Б= – I_КО

В

U_{КЭ нас}

0

– U_КЭ

A

I_К

E

I_Б > 0

E

Минимальному току ключа соответствует режим отсечки (транзистор заперт) – точка А. Минимальному падению напряжения на ключе – режим насыщения (транзистор открыт) – точка В.

Во время перехода из запертого состояния в открытое транзистор находится в активном режиме. Время нахождения транзистора в активном режиме главным образом и определяет его разогрев.

В режиме насыщения положительно смещенными оказываются два p-n-перехода U_БЭ и U_КБ (в отличие от активного режима, где U_БЭ > 0 и U_КБ < 0).

В этом режиме появляется новая составляющая в токе базы (от тока перехода коллектор–база). Для того чтобы потенциал коллектора был близок к потенциалу эмиттера, необходимо увеличивать ток базы. Это условие и определяет повышенный ток базы транзистора.

Условие существования режима насыщения транзистора:

На практике для обеспечения режима насыщения ток базы транзистора задают, исходя из условия , где – коллекторный ток, определяемый заданной нагрузкой; N = 10.

Отношения токов , при котором транзистор находится в насыщении, определяется экспериментально. В справочнике приводится напряжение насыщения коллектор-эмиттер U_{КЭ нас} при соответствующих токах , измеренных изготовителем транзисторов. Отношение этих токов и есть величина N. Для задания режима насыщения транзистора используют формулы

,

Для получения режима отсечки транзистора (рис. 5.4,б) необходимо выполнить условие . Строгое равенство более предпочтительно. Обеспечение режима отсечки, вообще говоря, требует проверки выполнения условия

, ,

где - обратный ток коллектора.