Решение

1. Рассчитывается постоянная времени электрической цепи (рис.2.9):

мкС,

где U_m = U_п = 10 В – напряжение питания ГПИ и ИФ.

2. Принимая R_э = 0,9·R_вх = 0,9·3112 = 2801 Ом, рассчитывается емкость конденсатора:

мкФ.

Из таблицы 2.7 выбирается стандартная емкость конденсатора

0,01 мкФ, а из таблицы 6.1П [2] конденсатор типа К74-8 с рабочим напряжением 50 В, то есть К74-8-50-0,01 мкФ±10%.

3. Рассчитывается сопротивление резистора R:

Ом.

Из таблицы 2.7 выбирается стандартное номинальное сопротивление резистора R = 30 кОм.

Мощность резистора можно приближенно рассчитать:

Вт.

Выбирается резистор типа МЛТ номинальной мощностью 0,125 Вт, то есть МЛТ-0,125-30 кОм±5%.

2.2.6. Расчет и выбор элементов нуль-органа

Нуль-органы (НО) применяются в системе с фазосдвигающими устройствами вертикального принципа. Служат для сравнения напряжения пилообразной формы U_гпн с напряжением управления U_у. Получили применение НО, собранные на транзисторе и на операционном усилителе.

2.2.7. Нуль-орган на транзисторе

В простейшем нуль-органе на транзисторе VT2 (рис.2.10) разность напряжений пилообразной формы U_гпн и управления U_у, то есть U_гпн – U_у прикладывается к эмиттеру и базе транзистора.

Рис. 2.10. Принципиальная электрическая схема ФСУ вертикального принципа с транзисторным НО

Рис. 2.11. Временные диаграммы напряжений в ФСУ вертикального принципа

Напряжение U_гпн для транзистора VT2 является отпирающим, а напряжение U_у – запирающим. На интервале времени 0А напряжение U_гпн меньше напряжения управления U_у, транзистор VT2, так как положительный потенциал результирующего напряжения U_гпн - U_у прикладывается к базе транзистора, а отрицательный потенциал этого напряжения прикладывается к эмиттеру транзистора. На интервале времени АВ U_гпн больше U_у, протекает ток базы транзистора, и он переходит из режима отсечки в режим насыщения. Под действием напряжения U_п2 через резистор R₄ протекает ток коллектора VT2 и на выходе нуль-органа напряжение равно U_но ≈ U_п2. Фронт импульса напряжения U_но смещен по фазе на угол α относительно точки перехода переменным напряжением через нуль (относительно начала рабочего хода «пилы»). Если уровень напряжения управления U_у уменьшать, то точка А будет перемещаться по линии рабочего хода «пилы» к началу полупериода, а угол α будет уменьшаться до нуля. Если уровень напряжения управления увеличивать до амплитуды напряжения пилы U_m, то точка А будет перемещаться к концу полупериода, а угол α будет увеличиваться до π. Название ФСУ вертикального принципа получило из-за способа изменения угла α за счет изменения уровня напряжения U_у по вертикальной оси. В точке В и правее U_гпн < U_у, поэтому нуль орган возвращается в исходное состояние. Для согласования внутреннего сопротивления ГПН, БУ и входного сопротивления НО служит резистор R₃.

Предельная частота транзистора НО определяется промышленной частотой напряжения 50 Гц и длительностью фронта импульса t_ф. Для выбора транзистора по допустимому напряжению нужно учитывать, что величина амплитуды напряжения прямоугольной формы U_но определяется амплитудой импульса экспоненциальной формы U_m формирователя импульсов (ФИ), то есть U_но = U_m. На электровозах амплитуда импульсов принята равной U_m=10В.

На интервале времени от 0 до точки А (рис. 2.11) транзистор нуль-органа VT2 находится в режиме отсечки. На интервале времени от точки А до точки В транзистор находится в режиме насыщения. В режиме насыщения напряжение на коллекторе-эмиттере, соответствующее началу прямолинейного участка выходных статических характеристик, для транзисторов малой мощности Р_к < 150 мВт рекомендуется принимать U_кmin = =1 В. Напряжение источника питания равно

U_п = U_но + U_кmin = U_m + 1.

Тогда выбор транзистора по допустимому напряжению можно выполнить по условию

U_кБmax ≥ 2 · U_п.

По предельной частоте и по допустимому напряжению можно выбрать транзистор малой мощности.

Для контура тока коллектора транзистора, величина которого не должна превышать I_к < (0,01 – 0,25)·I_кдоп, можно записать уравнение по второму закону Кирхгофа:

,

где I_кдоп – максимальный постоянный ток коллектора выбранного транзистора.

Расчетное сопротивление резистора R₄ можно определить, используя последнее выражение:

.

С помощью таблицы 2.7 выбирается номинальное сопротивление резистора R₄.

Рассчитывается максимальная мощность, рассеиваемая в резисторе R₄, за период повторения Т. Максимальное время нахождения транзистора нуль-органа в режиме насыщения t_н = Т/2. Тогда максимальная мощность, рассеиваемая в резисторе R₄ равна

.

С помощью таблицы 5.2П [2] выбирается тип резистора и мощность.

Выполняется проверка транзистора по максимальной мощности, рассеиваемой коллектором:

,

Если условия проверки не выполняются, необходимо выбрать транзистор, параметры которого удовлетворяют условиям проверки.

С помощью входных и выходных характеристик транзистора или расчетом определяется ток базы транзистора:

.

Пример 3. Рассчитать параметры и выбрать элементы транзисторного нуль-органа, если амплитуда импульса экспоненциальной формы на выходе ФИ равна U_m = 10 В. Максимальная температура окружающей среды Т_m = +40 ^оС. Частота напряжения на входе выпрямителя f = 50 Гц.