Расчет цепи схемы управления

3. Расчет цепи схемы управления

 

3.1 Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения

Линейно изменяющимся (пилообразным) напряжением (ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню.

Как правило, высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. Мы будем использовать схему изображенную на рис.4

Рисунок 4 - Схема ГЛИН

Как видно из схемы на рис.4.

При исключении из данной схемы тиристора, подключенного параллельно конденсатору C, получается интегратор. Выходное напряжение определяется выражением:

Когда выходное напряжение превысит напряжение U_оп, тиристор откроется и конденсатор С разрядится через него. При этом напряжение U_C = U_вых снизится до уровня напряжения U_откр на тиристоре в открытом состоянии, после чего тиристор закроется, и процесс зарядки конденсатора постоянным током  повторится. Очевидно, для того чтобы операционный усилитель не входил в насыщение, необходимо выполнить условие [2,стр.212].

Далее выберем операционный усилитель К140УД5Б, он имеет следующие основные характеристики [3, стр.403]

Коэффициент усиления не менее К_ус = 3 × 10⁴

Входное дифференциальное сопротивление R_вх.диф=2,5 МОм

Напряжение питания U_пит = ±5..±18 В

Максимальное выходное напряжение U_{вых max} = ±11 В

Сопротивление нагрузки, не менее R_н=1 кОм

Так же подберем тиристор. Наиболее подходящим является тиристор КУ103К обладающий следующими основными характеристиками [6]

Напряжение в открытом состоянии U_откр= 1 В

Обратное напряжение U_обр =10 В

Прямой ток управляющего электрода I_пр=15 мА

Исходя из величины I_пр зададимся U_оп и R_б, при этом учтем условие

, т.е .

Тогда, если ,

то получаем .

Как известно управление ДПТ, как правило, осуществляют на частотах f = 10..1000 Гц. Тогда по формуле:

получим при C = 0.1 мкФ, f = 900 Гц , E = 15 В тогда R равно:

3.2 Расчет сравнивающего устройства

Сигнал с выхода ГЛИН (операционного усилителя) подается на один из входов компаратора напряжения. Наиболее подходящим компаратором является К554СА2, который имеет следующие основные характеристики [5, стр.158].

Коэффициент усиления К_u= 75×10³

Напряжение высокого уровня (лог. 1) U₁ = 2,5 ¸ 4 В

Напряжение низкого уровня (лог. 0) U₀ = 0¸0.3 В

Напряжение питания U_пит = +12 ; -6 В

Минимальное сопротивление нагрузки R_nmin = 2 кОм

Рисунок 5 - Схема сравнивающего устройства

Рассчитаем работу компаратора: пусть Е=19 В. Для этого необходимо рассчитать полюса подстроечного (переменного) сопротивления R. Обозначим полюс, соединяющий +Е с неинвертирующим входом компаратора, как R’, а другой (+Е - земля) – как R”. Входным током компаратора можно пренебречь ввиду большого входного сопротивления. Т.к U_вх, на входе компаратора не превосходит 10В, необходимо, чтобы U_maxR”=10 В, тогда получаем т.к.

 ,то получаем при R” = 100 кОм,

Сопротивление лучше всего взять СП-2-3б из ряда Е6, сопротивление из этого ряда наиболее распространены, имеют достаточную мощность и хорошие характеристики (точность подстройки 1%, кОм).

3.3 Расчет исполнительного устройства

Исполнительное устройство в данной схеме представляет собой электрический ключ. Построение электрического ключа на основе составного биполярного транзистора обусловлено следующими факторами:

1) Отсутствие реверса в разрабатываемой схеме.

2) Сравнительная простота реализации электрического ключа на биполярном транзисторе.

3) Управление состоянием транзисторного ключа осуществляется с помощью управляющего входного сигнала.

4) Малый выходной ток компаратора.

5)Требования к минимальному сопротивлению нагрузки компаратора.

Реализация электрического ключа на основе составного биполярного транзистора приводит к уменьшению мощности, получаемой от предыдущего звена схемы. В этом случае пара транзисторов VT1, VT2 работает как один, но с коэффициентом усиления по току, равным:

.

При этом транзистор VT1 потребляет меньшую мощность и, как правило, обладает значительным коэффициентом по току.

Рисунок 6 - Составные транзисторы.

Выберем составные n-p-n транзисторы, подключенные по схеме Дарлингтона. При работе составных транзисторов в ключевом режиме их включают обычно в цепь по схеме с общим эмиттером, как изображено на рис.6. Двигатель, которым необходимо управлять, как правило, включают в коллекторную цепь транзисторов. А для компенсации противо ЭДС якоря двигателя параллельно коллекторной цепи транзисторов включают диод VD1. Например, серии Д7Б с U_{обр max} = 100 В. Управляющий сигнал подают в цепь базы. При работе транзисторов в ключевом режиме цепь между коллектором и эмиттером может быть либо замкнута, либо разомкнута.

Рисунок 7 - Схема транзисторного ключа.

Т.к мы выбрали двигатель СЛ-525 [1], то получаем следующие входные данные для транзисторного ключа:

 

U_ном= 110 В

P_ном= 75 Вт

I_ном = 1,2 А

Отсюда можем найти

Исходя из U_номи I_номвыберем транзистор VT2. Наиболее подходящим транзистором оказался: n-p-n транзистор КТ809А, который имеет следующие характеристики [7, стр.429]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 30

Обратный ток коллектора I_{K0 max} = 3 мА

Постоянный ток коллектора I_K = 3 А

Постоянное напряжение эмиттер-база U_{БЭ max} = 4 В

Постоянный ток базы I_Б = 1,5 А

Постоянное напряжение коллектор-эмиттер U_{КЭ max} = 400 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р_{К max} = 40 Вт

Рабочая температура pn– перехода T_{n раб} = - 60 +125⁰С

Максимальная температура перехода Т_{п max} = 150⁰С

Зададимся значением Е_п, пусть Е_п= 110 В. Определим параметры схемы, необходимые для обеспечения режима насыщения транзистора.

Рисунок 8 - Выходные ВАХ транзистора КТ809А

Построим нагрузочную прямую по постоянному току. Далее имеем

При этом ток в коммутируемой цепи  не зависит от параметра транзистора, а зависит только от параметров внешней цепи ( и  ). Для обеспечения режима насыщения и крайнего верхнего положения рабочей точки необходимо в цепь базы транзистора подать соответствующий управляющий сигнал.

Минимальное значение тока базы должно быть не меньше . В общем случае:

Для реального тока базы  должно выполнятся, условие,  т.е. реальный ток базы больше или равен току насыщения базы. И, как правило, с целью повышения надежности работы транзисторного ключа при различных температурах, а также для удобства замены транзистора в случае выхода из строя, эти величины связывают через степень насыщения S. Но в нашем случае, т.к. мы используем схему на составных транзисторах, то достаточно задаться значением S, только для транзистора VT1, который будем рассчитывать далее. Значит для данного транзистора (VT2) будем иметь . Теперь из входных характеристик можно определить минимальное напряжение, которое необходимо подать на вход ключа для того, что бы перевести транзистор в режим насыщения.

Рисунок 9 - Входные ВАХ транзистора КТ809А

Как видно . Из расчетов для транзистора VT2 окончательно получаем,

, , .

В качестве транзистора VT1 используется транзистор КТ603А со следующими основными характеристиками [ 7, стр.317]:

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ = 80

Обратный ток коллектора(при Тс = -40⁰ ¸ +25⁰С) I_KOmax = 1 мкА

Постоянный ток коллектора I_Kmax = 1 А

Постоянный ток базы I_{Б max} = 0,2 А

Постоянное напряжение эмиттер-база U_{БЭ max} = 7 В

Постоянное напряжение коллектор -эмиттер U_{КЭ max} =120 В

Постоянная рассеиваемая мощность коллектора Р_{К max} = 0,8 Вт

Максимальная температура коллекторного перехода Т_{п max} = 150⁰С

Значит, общий коэффициент усиления по току базы будет: =30×80=2400

Для транзистора VT1 получаем, т.к. , то должно выполняться следующее соотношение: ==70 мА, где - ток базы транзистора VT2. Значит по уже известным формулам можно записать:

Зададимся значением степени насыщения S = 2, тогда получим мА, а затем построим выходные ВАХ для транзистора КТ603А.

Рисунок 10 - Входные ВАХ транзистора КТ603А

Получим, что . Рассчитаем необходимое сопротивление :

В режиме запирания транзистора в силу ничтожно малой величины теплового тока коллектора, на вход транзисторного ключа можно не подавать отрицательное запирающее напряжение. Для запирания транзистора будет достаточно и нулевого уровня напряжения.