Решение

1. Рассчитывается напряжение источника питания НО на транзисторе по формуле

U_п = U_m + U_кэmin = 10 + 1 = 11 В,

где U_кэmin = 1 В – рекомендуемое минимальное напряжение на коллекторе-эмиттере транзистора в режиме насыщения.

С помощью таблицы 10П выбирается стандартное напряжение U_п = 12 В.

2. Рассчитывается максимальное напряжение коллектор-база транзистора:

.

3. Выбирается транзистор низкой частоты, малой мощности типа p-n-p из таблицы 2П [2,12], у которого U_кбдоп > U_кбmax , то есть U_кбдоп > 24 В. Данному условию удовлетворяет транзистор типа МП41А, у которого U_кбдоп = 30 В, U_кэдоп = 30 В, U_эбmax = 5 В, I_кдоп = 40 мА, Р_кдоп = 150 мВт, f = 1 МГц, h_21Э = 50 – 100, R_б = 100 – 220 Ом, Т_пmax = +60 ^оС.

4. Рассчитывается сопротивление резистора R₄ и выбирается номинальное сопротивление:

.

По таблице 2.7 выбирается стандартное номинальное сопротивление R₄ = 1,1 кОм.

5. Рассчитывается максимальная мощность, рассеиваемая в резисторе R₄, выбирается тип резистора:

.

Выбирается резистор типа МЛТ мощностью 0,125 Вт, то есть МЛТ-0,125-1,1 кОм±5%.

6. Рассчитывается ток коллектора и мощность, рассеиваемая коллектором транзистора:

, I_к < I_кдоп , 10 мА < 40 мА;

, ,

5 мВт < 112,5 мВт,

где Т_о = +25 ^оС – температура окружающей среды, при которой нормируется Р_кдоп.

Ток коллектора и мощность, рассеиваемая коллектором транзистора, не превышают допустимые предельные значения.

7. Рассчитывается ток базы транзистора, обеспечивающий режим насыщения:

.

2.2.8. Нуль-орган на операционном усилителе

Функцию вычитания напряжения управления из напряжения пилообразной формы может выполнять операционный усилитель (ОУ), работающий в режиме компаратора (рис.2.12). Параметры микросхем даны в таблице 9П [2, 9]. Выходное напряжение ОУ может принимать два значения, одно из которых условно относят к значению логической единицы, а другое – к значению логического нуля. Выбор микросхемы выполняют по выходному напряжению U_выхmax, которое необходимо для обеспечения амплитуды напряжения экспоненциальной формы ФИ. Амплитуду напряжения на выходе ОУ можно ограничить до нужного уровня с помощью встречно-параллельных стабилитронов VD1, VD2 в цепи обратной связи (рис.2.12).

Рис. 2.12. ФСУ вертикального принципа с нуль-органом на операционном усилителе

Параметры выбранной микросхемы выписываются из данных таблицы 9П [2, 9] и выбираются внешние элементы ОУ. Блокировочные конденсаторы С1 и С2 емкостью 0,01 – 0,05 мкФ подключаются непосредственно в месте соединения выводов микросхемы с проводниками печатной платы для защиты от помех со стороны источника питания. Для защиты микросхемы от коротких замыканий в выходной цепи включается резистор R₃ сопротивлением 100 – 150 Ом. Параметры делителя напряжения R1, R2 выбирают по амплитуде напряжения пилообразной формы и по максимальному напряжению на входе ОУ.

2.2.9. Генератор пилообразного напряжения

Генератор пилообразного напряжения служит для формирования напряжения, форма которого похожа на зуб пилы.

Действие генераторов пилообразного напряжения (ГПН) обычно основано на использовании явления заряда или разряда конденсатора. ГПН может быть разработан на основе транзистора, диодного коммутатора или микросхемы. ГПН на основе транзистора представляют собой транзисторные ключи, к выходу которых подключен конденсатор С2 (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Принципиальная электрическая схема ГПН на транзисторе

На вход ГПН поступает напряжение U_гпи прямоугольной формы. Когда напряжение на входе ГПН равно нулю, то на базу транзистора VT прикладывается отрицательный потенциал напряжения питания U_п. Протекает ток базы транзистора, величина которого ограничивается резистором R₁. Транзистор находится в режиме насыщения и напряжение на выходе ГПН U_гпн = 0. Когда на вход ГПН прикладывается амплитуда напряжения прямоугольной формы положительным потенциалом на базу VT, то транзистор находится в режиме отсечки. Конденсатор С2 начинает заряжаться через резистор R2, формируется рабочий ход «пилы». Продолжительность рабочего хода «пилы» задают равной половине периода переменного напряжения . Постоянную времени цепи заряда конденсатора принимают больше, чем , то есть для того, чтобы получить линейное изменение напряжения на конденсаторе во время рабочего хода. Сопротивление резистора R2 выбирают таким, чтобы ток коллектора в режиме насыщения был меньше предельного тока коллектора. Продолжительность подачи амплитуды напряжения прямоугольной формы на вход ГПН равна . С прекращением подачи амплитуды напряжения U_гпи транзистор VT снова переходит в режим насыщения, и конденсатор С2 разряжается через переход эмиттер-коллектор транзистора. Формируется обратный ход «пилы».

Основными параметрами ГПН являются длительность рабочего хода Т_р, обратного хода Т_о, период следования импульсов Т, амплитуда импульсов U_m, коэффициент нелинейности ε и коэффициент использования напряжения источника питания К_п. Во время рабочего хода Т_р напряжение должно изменяться по зависимости, близкой к прямой линии, то есть изменяться практически с постоянной скоростью. Отклонение U_гпн от прямолинейной зависимости оценивается коэффициентом нелинейности ε, который характеризует относительное изменение скорости du/dt за время Т_р:

,

где - максимальное значение тока заряда конденсатора С₂ в начале рабочего хода, то есть в точке О;

- минимальное значение тока заряда конденсатора С₂ в конце рабочего хода.

Для уменьшения нелинейности во время рабочего хода в ГПН принимают меры к обеспечению постоянства тока заряда конденсатора. Приблизительное постоянство тока заряда конденсатора во время рабочего хода достигается применением токостабилизирующих элементов или использованием схем с компенсирующей ЭДС. Токостабилизирующие элементы изготавливаются на основе транзисторных источников тока. Для получения компенсирующей ЭДС применяется отрицательная или положительная обратная связь.

Коэффициент использования напряжения источника питания равен

и характеризует эффективность использования напряжения источника питания.

Для ГПН всегда желательно иметь длительность обратного хода Т_о значительно меньше длительности рабочего хода Т_р. Задача по ограничению длительности обратного хода приобретает особую актуальность при разработке ГПН для одноканальных систем управления преобразователями, так как из-за Т_о сокращается интервал управления.

Период следования импульсов пилообразной формы в системах управления выпрямителями напряжения промышленной частоты f = 50 Гц:

с.

Длительность рабочего хода Т_р = 0,5·Т = 0,5·0,02 = 0,01 С.

Амплитуда импульсов напряжения пилообразной формы U_m может определяться либо максимальной величиной напряжения управления U_уmax = U_m, либо может быть получена в зависимости от напряжения питания U_п.

Полагая, что приемлимую линейность напряжения во время рабочего хода можно получить, если принять Т_р равной постоянной времени цепи заряда конденсатора, то есть Т_р = R₂·C₂.

Мгновенное значение напряжения на конденсаторе С₂ в процессе его заряда изменяется по зависимости

,

если принять t = T_p = R₂·C₂, то амплитуда напряжения пилообразной формы равна

.

Выбирается транзистор малой мощности и низкой частоты для ГПН с допустимым напряжением U_кбдоп > U_п .

Определяется сопротивление резистора R₂:

.

Выбирается стандартное номинальное сопротивление резистора и рассчитывается емкость конденсатора С₂:

.

Рассчитывается сопротивление резистора R₁:

,

где К_нас= 1,5 – коэффициент насыщения.

Токоограничивающий резистор R_о в цепи базы транзистора позволяет также увеличить постоянную времени дифференцирующей цепи С₁·R_б и снизить напряжение на зажимах база-эмиттер транзистора до допустимого уровня. Соотношение сопротивлений делителя напряжений можно принять равным

.

Рассчитывается емкость разделительного конденсатора С₁:

,

где R_гпи ≈ 1 кОм – выходное сопротивление генератора прямоугольных импульсов.

Рассчитывается амплитуда напряжения генератора прямоугольных импульсов:

.

Пример 4. Рассчитать параметры и выбрать элементы ГПН для двухканальной системы вертикального принципа управления тиристорами однофазного выпрямителя переменного напряжения частотой f = 50 Гц. Напряжение питания ГПН U_п = 16 В, максимальная температура окружающей среды Т_о = + 45 ^оС.