Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Проектирование управляющих цифровых устройств. Учебно-методическое пособие
.pdf
Отсюда формула для расчётного значения тока базы насыщения имеет
2
вид
. (13)
Следует отметить, что избыточный базовый ток в переходном режиме
приводит к некоторому уменьшению времени включения ключа, но в то же
время увеличивает время его выключения (задержку) за счёт увеличения
времени рассасывания неосновных носителей в базе транзистора, количество
которых пропорционально степени насыщения. Следовательно скорость
работы ключа снижается с увеличением степени насыщения.
6.3 Исходные данные для расчёта ключа
Исходными данными для расчёта ключа в общем случае являются:
совокупность параметров коммутируемой нагрузки:
o вид нагрузки (активная, реактивная, комплексная),
o характер нагрузки (линейная / нелинейная),
o мощность (ток, напряжение, сопротивление) нагрузки
,
совокупность параметров источника управляющего сигнала:
o выходные уровни логического нуля и логической единицы
,
o выходные токи при низком и высоком уровнях выходного
сигнала
,
o нагрузочная способность
требования к быстродействию2:
o максимальная частота переключений
o длительность переднего и заднего фронта
o длительность задержки выключения ключа
напряжение и полярность источника питания
,
.
,
общие требования к прибору или устройству, для которого
разрабатывается ключ (условия эксплуатации, устойчивость к
климатическим, механическим и иным воздействием)
В инженерной практике разработчику приходится формировать
самостоятельно, совокупность необходимых, технических требований для
разрабатываемого узла используя паспортные данные устройств, которые
являются источником сигнала и нагрузкой для него, а также опираясь на
технические требования к прибору в целом.
Рассмотрим ключ на биполярном транзисторе, предназначенный для
коммутации тока в нагрузке, включённой в цепь коллектора транзистора.
Схема транзисторного ключа для управления нелинейной нагрузкой
В настоящем курсовом проекте требования по быстродействию ключа не предъявляются.
31
(светодиодом) приведена на Рис. 34а, для коммутации тока в катушке
индуктивности (обмотке реле) – на Рис. 34б, для коммутации нагрузки с
повышенной мощностью – на Рис. 34в. Варианты двухкаскадных схем для
управления нагрузкой повышенной мощности приведены на Рис. 36.
Источником электропитания ключа является источник
, который в общем
случае может быть отличным от источника питания микросхем (источников
управляющих сигналов) .
Источником сигнала для ключа является выход ТТЛ элемента (Рис. 35а)
или выход КМОП элемента (Рис. 35б) с питанием от источника напряжением
.
Исходными данными для расчёта ключа в статике, источником сигнала
для которого используется выход ЦИМС, являются:
, - напряжение питания ключа,
или
- минимальное значение сопротивления
нагрузки или максимальный ток нагрузки,
- минимальное напряжение уровня логической 1 на
выходе ЦИМС (на входе ключа),
- максимальное напряжение уровня логического 0 на
выходе ЦИМС (на входе ключа),
- максимальный выходной (вытекающий) ток ЦИМС при
уровне логической 1 на выходе,
- максимальный выходной (втекающий) ток ЦИМС при
уровне логической 0 на выходе.
6.4 Порядок расчёта транзисторного ключа
Параметры нагрузки.
Для схемы Рис. 34а:
– рабочий прямой ток светодиода (входа оптопары).
– падение напряжения на открытом светодиоде.
Для схемы Рис. 34б:
– рабочий ток реле,
– рабочее напряжение реле,
– сопротивление обмотки реле.
Для схемы Рис. 34в:
– рабочий ток лампы,
– рабочее напряжение лампы,
– сопротивление обмотки лампы.
В справочниках на компоненты могут быть приведены не все
перечисленные параметры реле и ламп накаливания, а только пара из них,
например I, R или U, R недостающий параметр легко вычислить.
32
6.4.1 Оценочный расчёт добавочного сопротивления в коллекторной
цепи
Рассчитать оценочное значение сопротивления резистора
, (14)
где:
– напряжение питания ключа. Для низковольтных нагрузок
принимается равным напряжению питания цифровой схемы , в случае
необходимости использования для питания нагрузки напряжения с бóльшим
номинальным значением (см. предыдущий шаг), его выбирают из ряда
стандартных напряжений, приведённых в Приложении III,
– напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора,
которое принимается равным 0,4В для оценочного расчёта и
уточняется после выбора транзистора,
– ток нагрузки ключа,
– учитывается только для ключа, работающего на нелинейную
нагрузку (в настоящем курсовом проекте светодиод или вход
оптопары).
6.4.2 Расчёт необходимого коэффициента усиления по току транзистора
Выбрать величину коэффициента насыщения транзистора .
Степень насыщения S ключа, предназначенного для управления
элементами индикации или реле, можно выбрать ближе к верхнему пределу,
так как для подобных нагрузок требования по быстродействию практически
не применяются.
Минимально необходимый коэффициент усиления по току
транзистора VT находят из условия
Величина
определяется как максимально возможный ток, который
(15)
может отдать источник управляющего сигнала (Рис. 35а) или (Рис. 35б) во
внешнюю нагрузку. При работе ТТЛ или КМДП элемента на вход какого-либо
из рассматриваемых ключей следует ориентироваться на параметры
микросхем
(минимальное напряжение на выходе
логического элемента и максимальный вытекающий ток выхода логического
элемента, находящегося в состоянии логической «1»). Если выход ТТЛ
элемента в общей цифровой схеме уже нагружен на логические входы других
цифровых элементов, то доступный для управления ключом ток не должен
превышать, для ТТЛ элемента
(16)
где:
33
N – количество входов цифровых элементов, подключённых к тому
выходу ТТЛ элемента, к которому должен быть подключён вход ключа,
При расчёте произведения
– максимальный входной ток ТТЛ элемента.
необходимо руководствоваться
величинами входных токов, указанных в паспорте на ТТЛ элемент (см.
примечание к Приложению V).
Рис. 34. Варианты схем ключей с различными нагрузками,
соответствующими вариантам заданий курсового проекта: а) нелинейная
нагрузка – светодиод, б) индуктивная нагрузка - обмотка реле, в) мощная
нагрузка – лампа накаливания
В микросхемах серий КМДП входные токи подключённых входов
элементов той же серии не учитывают, так как входные токи КМДП в статике
равны нулю.
Вместе с тем, нагрузочная способность КМДП микросхем определяется
количеством входов, которые допустимо подключать к одному выходу КМДП
микросхемы, а именно эквивалентной входной ёмкостью одного входа и
предельной ёмкостью нагрузки, при которой характеристики микросхем (в
основном динамические) не выходят из заданных пределов.
Входная ёмкость большинства КМДП микросхем составляет (5…15)пФ,
а максимальная ёмкость нагрузки, при которой характеристики микросхем не
выходят из заданных пределов, обычно равна 500пФ, поэтому обычно
коэффициент разветвления
[8].
34
3
Рис. 35. Источники сигналов для электронных ключей курсового проекта
При подключении входа ключа, к элементу с симметричными выходами,
например к триггеру, нужно следовать рекомендациям производителя ЦИМС,
предписывающим соблюдать примерное равенство нагрузок на выходы
триггеров. Поэтому лучшим решением с инженерной точки зрения является
применение дополнительных вентилей в качестве буферных элементов.
6.4.3 Выбор транзистора
В результате предварительных расчётов определены основные
статические параметры, по которым следует выбрать транзистор:
– рабочий ток коллектора,
– минимально необходимый коэффициент усиления
– максимальное напряжение коллектор-эмиттер,
транзистора, включённого по схеме с ОЭ,
– обратный ток коллектора (при работе устройства в
условиях повышенной температуры в расчётах следует
использовать соответствующее значение )
При выборе транзисторов для ключей, работающих на светодиод или
реле, следует выбирать транзисторы с предельными параметрами,
превышающими необходимые рабочие минимум на 50%, а для ключа,
работающего на лампу накаливания этот запас должен быть не менее чем
трёхкратным, по причине того, что сопротивление нити накаливания в
холодном состоянии существенно меньше чем в горячем, и при включении
лампы возникает бросок тока.
Если при предварительном расчёте ключа потребуется слишком
большой коэффициент усиления по току , следует выбрать одну из схем
каскадного включения транзисторов (Рис. 36а или Рис. 36б). Применение
составного транзистора нельзя признать лучшим вариантом3, из-за слишком
Слишком большой коэффициент усиления по току составного транзистора приведёт к большому
номинальному значению резистора в цепи базы , что в свою очередь может привести к ухудшению условий
запирания транзистора из-за воздействия . Уменьшение при значительном составного транзистора
приведёт к увеличению степени насыщения S и увеличению времени выключения ключа. Увеличенное
значение
за воздействия обратного тока коллектора , особенно в применяемых схемах пассивного запирания, т.е. без
источника отрицательного смещения.
составного транзистора также приводит к ухудшению условий запирания транзистора из-
35
большого результирующего коэффициента усиления
и
удвоенного результирующего напряжения насыщения база-эмиттер
.
После выбора транзистора следует выписать из справочника
необходимые для дальнейших расчётов параметры
– макс. допустимый постоянный ток коллектора,
– макс. допустимое постоянное напряжение
коллектор-эмиттер,
– макс. допустимая постоянная рассеиваемая
мощность коллектора,
– статический коэффициент передачи тока ,
– напряжение насыщения коллектор-эмиттер,
– напряжение насыщения база-эмиттер.
6.4.4 Выбор защитного диода
Защитный диод VD (Рис. 11б) служит для разряда электромагнитной
энергии, накапливающейся в обмотке реле при протекании в ней тока. После
закрывания электронного ключа этот ток ответвляется в диод, рассеивая
энергию на нем и обмотке за счёт их нагревания. В противном случае на
обмотке возникала бы э. д. с. самоиндукции значительной величины, что
могло бы выводить транзистор из строя.
Амплитуду импульса напряжения
, приложенного к транзистору
VT в момент коммутации, можно оценить как произведение напряжения
источника питания на отношение рабочего тока реле к остаточному току
разомкнутой цепи, в данном случае закрытого транзистора
(17)
При типовом значении тока для транзисторов средней
мощности (см. Приложение IV), рабочем токе реле и напряжении
питания ключа в напряжение коллектор-эмиттер в импульсе может
составить величину порядка
.
Диод VD должен быть рассчитан на прямой ток (), превышающий
рабочий ток реле не менее чем на 50% и на предельно допустимое обратное
напряжение, превышающее напряжение питания ключа также не менее чем на
50%.
Следует отметить, что диодная защита транзисторного ключа
увеличивает время отпускания электромагнитного реле за счёт увеличения
постоянной времени цепи рассеивания энергии, накопленной в обмотке реле
. (18)
36
6.4.5 Расчёт номинального значения добавочного сопротивления в
коллекторной цепи
Выбрать номинальное значение сопротивление резистора из ряда
номинальных значений (Приложение II) ближайшее меньшее к рассчитанному
. Используя соотношение (14) и с учётом найденной по справочнику
величины напряжения коллектор-эмиттер насыщения (
) выбранного
транзистора проверить номинальное значение рабочего тока нагрузки.
Проверить значение тока нагрузки при отклонениях питающего напряжения
в большую и в меньшую стороны (. При выходе рассчитанного
значения рабочего тока нагрузки за допустимые пределы повторить расчёты
по пункту (6.4.1) при большем значении
, номинальное значение которого
выбрать из ряда напряжений (Приложение III).
6.4.6 Расчёт элементов схемы однокаскадного ключа
Расчёт элементов схемы однокаскадного ключа (Рис. 34) начинают с
расчёта тока базы транзистора VT1, необходимого для его насыщения
(19)
Рассчитывают сопротивление в базовой цепи VT1
(20)
Выбрать номинальное значение сопротивление резистора из ряда
номинальных значений (Приложение II) ближайшее меньшее к рассчитанному
.
Рассчитать действительное значение тока
, принимая во внимание,
что максимальное напряжение логической 1 на выходе ИС равно
.
Поверить соответствие обратного тока коллектора выбранного
транзистора предельному значению , рассчитанному по формуле (8).
Для повышения помехоустойчивости ключа, а также уменьшения риска
его самопроизвольного включения обратным током коллектора при случайной
или аварийной потере контакта с цепью управления, например в разъёмном
соединении рекомендуется включение в базовую цепь резистора ,
сопротивление которого выбирают равным приблизительно
. (21)
6.4.7 Расчёт мощности резисторов
Рассчитать мощности резисторов по формуле
(22)
37
Для построения схемы устройства следует выбирать резисторы с
рассеиваемой мощностью из ряда мощностей резисторов (II), превышающей
рассчитанную по формуле (22) не менее чем на (30…50)%.
6.5 Расчёт двухкаскадного транзисторного ключа с инверсией входного
сигнала
Схема ключа представлена на Рис. 36 а. В схему добавлен транзистор
VT1, выполняющий роль усилителя тока. Особенностью данной схемы
является инверсия входного сигнала, что необходимо учитывать при
проектировании функциональных схем. Инверсия входного сигнала приводит
к срабатыванию ключа в отсутствии сигнала на входе, это свойство особенно
полезно для выявления аварийных ситуаций, связанных с пропаданием
питания источника управляющего сигнала, например микрокомпьютера.
Рассчитать добавочное сопротивление R3 и выбрать транзистор VT2 по
изложенной выше методике.
Рассчитать ток базы транзистора VT2, необходимый для его насыщения
(23)
Резистор R2 выполняет две функции: обеспечивает подачу тока в базу
VT2, когда закрыт VT1 и является нагрузочным сопротивлением для VT1,
когда он открыт.
Рассчитывают сопротивление резистора R3 из условия насыщения VT2
(24)
Выбрать номинальное значение сопротивление резистора из ряда
номинальных значений (Приложение II) ближайшее меньшее к рассчитанному
.
Рис. 36. Схемы ключей коммутации тока в нагрузке повышенной мощности:
а) двухкаскадный ключ с инверсией входного сигнала, б) двухкаскадный
ключ без инверсии входного сигнала.
38
Рассчитать ток коллектора VT1, принимая во внимание, что R2 является
нагрузкой VT1
. (25)
Определить минимально необходимый коэффициент усиления по току
VT1
где
– определить по формуле (16)
, (26)
Первый транзистор в VT1 двухкаскадном ключе можно выбрать менее
мощным, чем VT2. выбрать транзистор VT1 и выписать его параметры также
как в пункте 6.4.3.
С учётом коэффициента усиления по току
выбранного
транзистора рассчитать минимально необходимый базовый ток насыщения
VT1
. (27)
Рассчитать сопротивление резистора R1
. (28)
Выбрать номинальное значение сопротивление резистора R1 из ряда
номинальных значений (Приложение II) ближайшее меньшее к рассчитанному
.
Рассчитать мощности резисторов R1, R2, R3 по формуле (22).
6.6 Расчёт двухкаскадного транзисторного ключа без инверсии входного
сигнала
Рассмотрим схему (Рис. 36 б) [4].
Питание схемы осуществляется от источника питания с положительной
полярностью . Транзистор VT4 p-n-p типа, включённый по схеме с ОЭ
выполняет функции ключа. Нагрузка НЛ через добавочное сопротивление R7
включена в цепь коллектора, а один из выводов нагрузки НЛ подсоединён к
общему проводу схемы. Такое включение нагрузки особенно полезно при
длинных связях между источником сигнала и нагрузкой, имеющей отдельное
питание, так как в этом случае отсутствует необходимость закладывать в
линию связи цепь источника питания, находящуюся под постоянным
напряжением.
Транзистор VT4 закрыт если закрыт транзистор VT3, ток в цепи его
коллектора отсутствует и открыт если открыт VT3 и имеются условия для
протекания базового тока . Сумма токов в узле «А» по 1-му закону
Кирхгофа равна нулю.
. (29)
39
Токи в сопротивлениях R5 и R6 равны
(30)
(31)
Рассчитать добавочное сопротивление R7 и выбрать транзистор VT4 по
методике, описанной в пунктах 6.4.1-6.4.3 включительно.
Рассчитать ток базы транзистора VT4, необходимый для его насыщения
(32)
Найти из (30) в первом приближении, без учёта тока
, максимальное
сопротивление резистора R5
(33)
Резистор R6 выполняет функцию «подвязывания» потенциала базы к
потенциалу эмиттера для обеспечения надёжного запирания транзистора VT4
при закрытом транзисторе VT3, в формировании открывающего тока VT4 R6
практически не участвует, поэтому его можно выбрать значительно большим
чем R5.
(34)
Ток в резисторе R6 при открытом транзисторе VT3 составит
(35)
Применяя соотношение (29) находят минимально необходимый ток
коллектора насыщения VT3
(36)
Завершая расчёт, необходимо рассчитать мощности резисторов R4, R5,
R6, R7 схемы ключа по формуле (22).
7 ОФОРМЛЕНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ
Пояснительная записка оформляется на листах формата A4 в
соответствии с ЕСКД.
Весь материал делится на разделы и подразделы, которым
присваиваются порядковые номера. Все страницы, включая рисунки и
таблицы, также нумеруются. Номер страницы проставляется вверху
посередине страницы. Формулы, расчётные соотношения нумеруются;
номер проставляется с правой стороны в круглых скобках. Ссылки на
используемую литературу указываются в прямоугольных скобках.
Символы и числовые коэффициенты, входящие в формулы и расчётные
соотношения, расшифровывают, начиная с новой строки после слова «где».
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]