2.1 Методика расчета транзисторного ключа

Последовательность расчета

1. Выбор транзистора по параметрам: I_к.max; ; U_ост; U_кэ.max.

2. Выбор тока эмиттера I_э.

3. Расчет сопротивления вывода эмиттера r_э (Рисунок 2.3):

r_э=_т/I_э,

где _т=К*Т/е=R*Т/F – температурный потенциал; К – постоянная Больцмана; F – число Фарадея; е – элементарный заряд электрона; R – универсальная газовая постоянная; Т – абсолютная температура. При нормальной температуре Т=293 К _т26,7мВ.

4. Расчет параметра 

=/(1+);

5. Расчет тока коллектора I_к

I_к=* I_э.

6. Расчет тока базы I_б

I_б= I_к/.

7. Расчет сопротивления в цепи коллектора R_к (нагрузка):

R_к=(Е_п-U_ост)/I_к,

где U_ост=(0,1..1,0) В (у идеального электронного ключа U_ост=0).

8. Расчет мощности резистора R_к:

Р_RK=I_к²* R_к.

9. Расчет входного сопротивления транзисторного ключа h_11оэ

h_11оэ=r_э*(+1).

10. Расчет ограничивающего резистора R_б.

Резистор R_б ограничивает ток базы насыщения. При R_б=0 напряжение U_вх определяется по закону Ома и по второму закону Кирхгофа.

При R_б=0: U_вх=_д+_т – второй закон Кирхгофа.

I_б=U_вх/h₁₁=(_д+_т)/ h₁₁=(_д+_т)/(r_э*(+1)).

При R_б0: U_вх/( h₁₁+R_б)=(_д+_т)/(h₁₁+R_б)=I_б=*I_э/.

Получаем тождество:

(_д+_т)/(h₁₁+R_б)=*I_э/; *(_д+_т)=*I_э*(h₁₁+R_б);

R_б=[*(_д+_т)-* h₁₁* I_э]/(*I_э)

11. Проверочный расчет напряжения питания Е_пр:

Е_пр=_т+U_ост+I_к*R_к.

Напряжение источника питания выбирается из условия:

Е_п>Е­_пр; Е_п(1,5..3)*Е­_пр.

3. Расчет системы гальванической развязки Теоретические сведения Структурная схема блока оптронной развязки

Структурная схема блока оптронной развязки (БОР) на основе оптоэлектронного преобразователя (ОЭП) представлена на рисунке 3.1

Рисунок 3.1- Структурная схема бор

Блок управления фотоизлучателем вырабатывает электрический сигнал, обеспечивающий излучение светового потока в определенном диапазоне электромагнитных волн. Этот поток воспринимается фотоприемником, а на выходе последнего возникает электрический сигнал в виде тока или напряжения. Выходной сигнал оптопары поступает на буферное устройство, которое обеспечивает энергетическое согласование по мощности выходной цепи фотоприемника с нагрузкой. В качестве нагрузки БОР могут использоваться исполнительные устройства различного назначения: обмотка реле, электропневмо- и гиддроклапанов (распределителей энергии), электродвигатели и т.п. Блок управления фотоизлучателем БОР строятся на базе усилителей тока и напряжения, логических элементов, триггерных устройств и т.п.

На рисунке 3.2 представлена схема блока управления излучателем диодной оптопары на основе транзисторного ключа.

Рисунок 3.2 – Схема блока управления излучателем оптопары на базе транзисторного ключа

Ограничивающий резистор R1 обеспечивает номиналь­ный ток питания излучателя , а резистор R2 увеличивает входное сопротивление транзисторного ключа. При необходимости, излучатель включается в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора VT1.

генераторный режим диодной оптопары реализуется при холостом ходе выходной цепи фотодиода, на выводах которого образуется разность потенциалов E_Ф (фото-ЭДС), пропорциональная входному току излучателя I_вх. При номинальном входном токе оптопары I_вх.=(2-5)мА генерируется фото-ЭДС Е_Ф=0,7 0,8 В.

Принципиальная электрическая схема буферного устройства БОР на основе диодной оптопары в генераторном режиме представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Принципиальная схема буферного устройства

на основе диодной оптопары в генераторном режиме

Нагрузкой БОР является обмотка управления электропневмоклапана (ЭПК). Усилитель мощности реализован на базе неинвертирующего операционного усилителя (ОУ). Обмотка управления ЭПК включена в коллекторную цепь составного транзистора VT1, VT2 (схема Дарлингтона). Выводы фотодиода оптопары подключены к неинвертирующему входу ОУ относительно заземленного общего провода. Величина ко­эффициента усиления К_оу может изменяться с помощью переменного резистора R2.

При наличии светового потока излучателя (ток управления I_вх не равен нулю) на выхо­де ОУ образуется напряжение U_вых=Е_ф(1+ R2/R1), приложенное между базой и эмиттером составного транзистора на элементах VT1 и VT2. Этим напряжением транзисторы VT1 и VT2 открываются, входя в режим насыщения. Потенциал объединенного коллектора становится близким потенциалу земли (в режиме насыщения напряжение между кол­лектором и эмиттером VT2 не превышает величины 0,3В, что соответ­ствует логическому нулю). В результате прохождения по обмотке управления коллекторного тока I_к составного транзистора VT1, VT2 на ней образуется напряжение Е и электромагнит ЭПК «включается», обеспечивая направленную подачу сжатого воздуха в пневмомагистраль. При отсутствии светового потока излучателя (ток управления I_вх равен нулю) транзисторы VT1, VT2 закрываются, обмотка управления обесточивается, а электромагнит ЭПК переходит в исходное «выключенное», что изменяет направление сжатого воздуха в пневмомагистрали.

На рисунке 3.4 представлены электрические схемы БОР с ТТЛ-входом и ТТЛ-выходом.

Блок управления излучателем оптопары ре­ализован на логическом элементе DD1.1 (структура ТТЛ), выполняющем функцию инверсии. При наличии сигнала «логической единицы» на входе элемента DD1.1 катод фотоизлучателя имеет потенциал земли. Поскольку по отно­шению к напряжению +EI излучатель находится в прямом включении, через pn-переход протекает ток управления , ве­личина которого определяется ограничивающим резистором R1 и нап­ряжением питания . Если на входе элемента DD1.1 присутствует сигнал «логического нуля», на его выходе образуется сигнал «логической единицы» (уровень напряжения, близкий к напряжению питания ). В этом случае разность потенциалов между анодом и катодом излучателя стремится к нулю, что обусловливает прекращение тока управления .

Рисунок 3.4 Электрические схемы БОР с ТТЛ-входом и выходом:

а - входной и выходной сигналы синфазные;

б - входной и выходной сигналы взаимно инверсные

Фотоприемник оптопары (фотодиод) работает в параметрическом режиме. Фотодиод включен в обратном направлении в цепь источника постоянного напряжения +Е через ограничивающий резистор R, предотвращающий пробой фотодиода обратным напряжением U_обр. Световой поток, возбужденный входным током излучателя I_вх, обусловливает увеличение обратного тока I_обр фотоприемника, величина которого практически линейно возрастает с увеличением светового потока.

В качестве буферного устройства БОР используется логический элемент DD1.2 (структура ТТЛ), формирующий выходной сигнал необходимой мощности. Резистор R2 ограничивает обратное напряжение на фотодиоде при отсутствии тока управления (Рисунок 3.4, а), либо является нагрузкой фотоприемника, работающего в параметрическом режиме (Рисунок 3.4, б).

На рисунке 3.5 представлена схема БОР для сопряжения информационных сигналов ТТЛ и КМОП.

Рисунок 3.5 Электрическая схема БОР для сопряжения информационных

сигналов ТТЛ и КМОП

Транзистор VT1 обеспечивает усиление мощности сигнала на выходе логического элемента DD1.1 (структура КМОП). Характер выходного сигнала БОР определяется внутренней структурой буферного элемента DD1.2 (структура КМОП или ТТЛ).

На рисунке 3.6 представлена электрическая схема буферного устройства БОР на основе транзисторной оптопары. Фототранзистор оптопары и транзистор VT1 образуют комплементарную пару, а выходной транзистор VT2 коммутирует обмотку управления электропневмоклапана (ЭПК).

Рисунок 3.6- Принципиальная схема буферного устройства БОР на основе

транзисторной оптопары