книги из ГПНТБ / Беленький, Я. Е. Многоточечные бесконтактные сигнализаторы температуры

- Е

затрудняющими ее использование в качестве распредели­ теля коммутатора, являются ограниченная нагрузочная способность и экспоненциальная форма вершины выход­ ного импульса, обусловленные работой транзисторов на активном участке характеристики. Устранить эти недо­ статки можно путем добавления к каждому каскаду мультивибратора буферного формирующего каскада [Л. 4], но в этом случае число активных элементов на ка­ нал увеличивается до двух.

Для построения коммутатора, работающего в шаго­ вом режиме, может быть использована схема многофаз­ ного триггера (рис. 3-16).

60

Для многофазного триггера при небольших скоростях переключения наиболее целесообразным является режим, при котором транзисторы открытого каскада насыщены, т. е. режим переключения из состояния отсечки в насы­ щение. Схема многофазного триггера в этом случае обладает значительной нагрузочной способностью и пло­ ской вершиной выходного импульса, что позволяет ис­ пользовать ее непосредственно, без промежуточных каскадов в качестве распределителя коммутатора.

Очевидно, что наиболее экономичной по числу дета­ лей является схема триггера (рис. 3-16), которая содер­ жит по одному резистору на каскад. Статическое состоя­ ние схемы иллюстрирует табл. 3-1, в которой приведены напряжения на электродах транзисторов при значениях сопротивлений Я'э—\0 ком, RK= 8,2 ком и напряжении питания 19 в.

Из таблицы видно, что если в открытом каскаде оба транзистора действительно находятся в режиме насыще­ ния и открыты практически полностью, то в закрытом ка­ скаде лишь транзистор Т' надежно закрыт. На базе транзистора Т имеется, хотя и небольшое по величине, отпирающее отрицательное напряжение. Рост тока /ко транзистора Т' увеличивает это напряжение, а отсутствие какого-либо сопротивления, фиксирующего потенциал базы транзистора Т, делает этот потенциал неопределен­ ным. При температуре свыше 50—60 °С этот процесс может привести к срыву нормальной работы схемы за счет открывания нескольких каскадов. В связи с этим в схемах, соответствующих рис. 3-16, используются глав­ ным образом кремниевые транзисторы, отобранные пред­ варительно по величине тока /ко. Однако в случае работы при температуре до 50 °С этот недостаток компенсирует­ ся исключительной простотой схемы, позволяющей ис­ пользовать ее для многих целей. Рекомендации по выбо­ ру и расчету элементов схемы приведены в [Л. 4, 6].

61

Неопределенность значений напряжения на базах транзисторов Т в закрытых каскадах рассмотренной схе­ мы молено исключить введением еще одного источника автоматического смещения — общего эмиттерного рези­ стора R0 и резисторов R'K, через которые это смещение

подается на базы транзисторов Т (рис. 3-17). Распреде­ ление напряжений на электродах этой схемы показано в табл. 3-2.

Как видно из табл. 3-2, в этой схеме на базах обоих транзисторов закрытого каскада имеется запирающее напряжение, что делает схему некритичной к изменению тока /ко и допускает ее надежную работу при высоких температурах, приближающихся к предельной темпера­ туре транзисторов.

Сопротивление Rg выбирается небольшой величины (до 1 ком), так как падение напряжения на нем вызы-

62

вает уменьшение амплитуды выходного сигнала. Сопро­ тивление R'K д о л ж н о удовлетворять условию

где /,;о и /'ко— максимальные нулевые токи транзисторов Т п Т' в диапазоне рабочих температур; 1К— заданный коллекторный ток транзистора Т. Условие (3-10) выте­ кает из требования обеспечения запирающего смещения на базе Т при любой рабочей температуре.

Наиболее экономичными, особенно при большом чис­ ле переключаемых каналов, являются матричные распре­ делители коммутаторов. В устройствах автоматики при-

Вы ходы н а нагрузку

Рис. 3-18. Блок-схема матричной сетки ключевых устройств.

меняются главным образом двумерные матричные рас­ пределители, построенные на двух линейных распредели­ телях, в частности многофазных триггерах.

В известных схемах этого типа [Л. 25] необходимым элементом служит матричная сетка (рис. 3-18), образо­ ванная пересекающимися рядами проводов (шин). Шины матричной сетки подключены к выходам линейных триг-

63

геров и соединены между собой в точках пересечения (узлах матрицы) при помощи схем совпадения — логиче­

и других элементах. В любом случае на построение схем совпадения идет значительное количество деталей, иногда соизмеримое, а иногда превышающее количество деталей триггеров. Это относится к одному из недостат­ ков таких матричных схем. Другой недостаток заключа­ ется в том, что па выходы этих схем попадает лишь не­ большая часть полной мощности, потребляемой схемой;

Рис. 3-19. Коммутато.р с матричным триггером.

остальная мощность бесполезно рассеивается в коллек­ торных резисторах распределителей и в схемах совпаде­ ния.

' Рассмотрим схему более экономичного многофазного матричного триггера (рис. 3-19), которая свободна от указанных недостатков [Л. 17]. Здесь отсутствует необ­ ходимость в схемах совпадения и коллекторных рези-

64

сторах в каждом каскаде линейных триггеров, из кото­ рых построена матрица, а вся мощность схемы расходу­ ется нагрузкой. Матричный многофазный триггер содер­ жит два линейных триггера: 1—М и 1—N. Их транзисто­ ры взаимно противоположны по типу проводимости, т. е. выходные импульсы триггеров разнополярны. Шины ма­ тричной сетки подключены к выходам линейных тригге­ ров, в которых отсутствуют коллекторные резисторы (см. Rn на рис. 3-16); нагрузочные резисторы Rn—Rmn включаются непосредственно в узлы .-матрицы без спе­ циальных схем совпадения.

Схема работает следующим образом. Открытый каскад «i-фаз- иого вертикального триггера например, I на рис. 3-19) обеспечивает подачу коллекторного питания Е для «-фазного горизонтального триггера. При этом коллекторными резисторами горизонтального триггера служат нагрузки R u , Я 21, ■■■, Rni, соединенные общей горизонтальной шиной с открытым каскадом вертикального триггера. Аналогично, питание для вертикального триггера поступает через открытый в данный момент каскад горизонтального триггера, напри­ мер второй. -Коллекторными резисторами вертикального триггера служат в этом случае нагрузки Rzi, Rzz. ■■■, Rzm. Ток протекает лишь по одной нагрузке (в рассматриваемом примере — Rzi), рас­ положенной на пересечении шин, соединенных с открытыми кас­ кадами.

При подаче на входы линейных триггеров импульсов продвиже­ ния каскады открываются поочередно и выходной ток протекает поочередно через каждую нагрузку, выполняющую в то же время роль коллекторного резистора сразу в двух открытых каскадах, принадлежащих к разным линейным триггерам.

По отношению к источнику питания открытые каскады включе­ ны последовательно. Для предотвращения шунтирования нагрузки подключены к матрице через развязывающие диоды. Ток в схеме за­

го каскада горизонтального триггера — положительный полюс источ­ ника питания.

Таким образом, в рассмотренной схеме отсутствует необходимость в схемах совпадения и коллекторных ре­ зисторах, поэтому уменьшаются количество деталей в схе­ ме и потребляемая мощность. Кроме того, экономия мощности достигается за счет того, что матричный мно­ гофазный триггер, содержащий два линейных триггера, потребляет такую же мощность, как один линейный триг­ гер. Несмотря на то, что в каждый момент открыты два каскада, мощность рассеивается лишь на одном коллек­ торном резисторе.

Уменьшение количества деталей иллюстрируется сле­ дующим примером: в случае применения простейших схем совпадения, состоящих из двух диодов, количество­ последних в схеме на рис. 3-19 было бы равно 2тп, количество коллекторных резисторов равно т + п\ в схе­ ме, изображенной на рис. 3-19, количество развязываю­ щих диодов равно тп, т. е. в 2 раза меньше; коллектор­ ные резисторы отсутствуют.

Импульсы продвижения могут подаваться на вход, горизонтального триггера и затем с выхода одного из его каскадов на вход вертикального триггера. Возможна и одновременная тактовая синхронизация обоих тригге­ ров, как это показано на рис. 3-19. При этом числа ка­ скадов в них должны быть взаимно простыми.

Для определения величин элементов матричного триг­ гера могут быть использованы те же рекомендации, что и для расчета линейных триггеров, приведенных на рис. 3-16 и 3-17. Хотя в матричной схеме в нагрузку каждого открытого каскада одного из триггеров включен дополнительно развязывающий диод и насыщенный транзистор другого триггера, наличие этих элементовпрактически не вызывает изменения режима работы каждого линейного триггера в отдельности. Это объяс­ няется тем, что падение напряжения на открытом диоде и транзисторе не превышает 0,5—0,8 в, что при обычно применяемом напряжении питания, равном 8— 15 в, бо­ лее чем на один порядок отличается от падения напря­ жения на нагрузке.

Г Л А В А Ч Е Т В Е Р Т А Я

о б щ е к а н а л ь н ы е у з л ы м б с т

4-1. ОБЩЕКАНАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

При автоматическом контроле выхода температуры за установленный интервал исключена возможность до­ стоверного обнаружения события из-за погрешности из­ мерения. При этом существует вероятность ошибок двух видов — пропуска события, состоящего в выходе темпе­ ратуры из заданного интервала, и ложной сигнализации, когда событие не произошло.

66

Статическая погрешность МБСТ является причиной ошибок обоих видов. Погрешность от переключения при условии, когда время контроля одного канала превышает длительность переходных процессов в нем, может выз­ вать лишь ложную тревогу. Однако для большинства случаев применения МБСТ ложное обнаружение события столь же нежелательно, сколь и его пропуск.

Погрешность от переключения есть следствие переход­ ных процессов, возникающих при коммутации каналов. Основными звеньями, инерционность которых определяет длительность переходных процессов и соответственно допустимое быстродействие МБСТ, являются узлы обще­ канального тракта, в частности усилитель нуль-органа.

К усилителю предъявляются противоречивые требо­ вания: с одной стороны, для увеличения быстродействия усилитель должен обладать малой постоянной времени, а с другой, эту постоянную времени желательно увели­ чивать, чтобы не вносить существенных фазовых искаже­ ний сигнала в фазочувствнтелы-юм детекторе. Удовлет­ ворить этим требованиям можно при увеличении частоты переменного тока, питающего мостовые измерительные схемы.

Однако с увеличением частоты питания измеритель­ ной схемы возрастает влияние реактивной составляющей сопротивления линии связи и растет статическая погреш­ ность. Кроме того, возможно влияние реактивного сопро­ тивления датчика и катушек измерительной системы. Эти факторы ограничивают возможность повышения ча­ стоты несущего сигнала усилителя.

Анализ процессов, происходящих в усилителе и фазо­ чувствительном каскаде, позволяет найти компромиссные решения, обеспечивающие повышение быстродействия МБСТ без увеличения погрешности от переключения.

Переходные процессы в усилителе нуль-органа возникают из-за значительного различия уровней сигна­ лов, поступающих в произвольной последовательности от разных датчиков на общеканальный вход прибора при автоматическом контроле большого числа некоррелиро­ ванных параметров.

Известно, что в автоматических устройствах, основан­ ных на дифференциальных методах измерения, линейная область характеристики нуль-органа не превышает не­ скольких процентов, а в некоторых случаях и долей про­ центов всего диапазона контролируемой величины

[Л. 28]. В предельном случае прибор может обеспечить контроль параметра с приведенной погрешностью б, если характеристика усилителя нуль-органа и отдельных его каскадов линейна для сигналов, достигающих величин AUm= U m6, где Um— максимальное значение сигнала на выходе измерительной схемы; ДUm—абсолютная по­ грешность.

В то же время в отдельных каналах, подключаемых коммутатором к усилителю нуль-органа, сигнал может достигать максимальной величины Umза счет существен­ ного отличия текущего значения параметра от задан­ ногоЭто приводит к временным перегрузкам усилителя, которые проявляются в возникновении переходных про­ цессов.

Анализ переходных процессов, вызванных перегруз­ ками, позволяет установить соотношения, связывающие время опроса канала с величиной погрешности от переключения, и определить параметры, обеспечиваю­ щие необходимое быстродействие при заданной точности контроля.

Рассмотрим работу транзисторного усилительного каскада при подаче на него различных по уровню сигналов

должно быть выбрано из условия ДСм^|ДНт|, причем каскад будет работать в наиболее экономичном режиме, если £ См= |Д£Лп|- При этом сигнал, больший чем ДUm, приводит к изменению положения рабочей точки каскада из-за возникновения базовых токов. Появление послед­ них обусловлено различием значений постоянной време­ ни разделительной цепи в положительные и отрицатель­ ные полупериоды сигнала.

68

Выражение для постоянной времени разделительной цепи, изображенной на рис. 4-1, имеет следующий вид:

(4-1)

где гэ — сопротивление эмиттерного перехода транзи­ стора.

Величина сопротивления га изменяется в зависимости

х+ = (Яп + г+э)С\

(4-2)

Т~ = {Яи -(- Ясы)С,

где т+ и тг — постоянные времени в соответствующие полупериоды.

В усилительном каскаде практически всегда выпол­ няется неравенство Я сы ^ Я п ^ г+ э, поэтому выражение (4-2) примет вид:

(4-3)

причем отношение постоянных времени S = x +/x~ в ре­ альных схемах обычно не превышает 0,1.

В результате различных по полупериодам постоянных времени на переходном конденсаторе С возникает дина­ мическое смещение UR отрицательной полярности, при­ водящее к запиранию каскада напряжением ('Нд—Е с^).

Процесс установления смещения Ед при подаче на вход каскада большого сигнала с амплитудой Um пока­ зан на рис. 4-2,а. Сигнал \Um представлен на этом ри­ сунке в виде прямоугольных колебаний с периодом по­ вторения Т (Т — период переменного тока питания изме­ рительных схем). Последующие выводы справедливы, однако, п для сигнала синусоидальной формы, так как Um на несколько порядков (в 1/6 раз) превышает номи­ нальное значение неперегружающего сигнала ДUm и

69