Реферат: Проектирование автоматического устройства

--PAGE_BREAK--2.Автоколебательный мультивибратор на базе

 ИЛЭ И -НЕ.



2.1. Общие сведения. Принцип действия. Методика

 расчёта.
Автоколебательный мультивибратор (далее АМ) генерирует последовательность прямоугольных импульсов с заданной длительностью, амплитудой и частотой повторения.

Рассмотрим методику проектирования АМ с перекрёстными резисторно — ёмкостными обратными связями на элементах И – НЕ. В состав мультивибратора входят: два инвертора на двухвходовых ИЛЭ И — НЕ DD1.1 и DD1.2, резисторы R1 и R2, конденсаторы C1 и C<img width=«11» height=«23» src=«ref-1_404209835-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1078"> (рис.2.1).

При использовании m — входовых ИЛЭ И — НЕ ТТЛ (m -1) незадействованных входов подключается к источнику питающего напряжения через резистор 1 кОм или объединяются все m входов (при m <img width=«13» height=«16» src=«ref-1_404225339-194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1079"> 3), т.к. объединение входов при m > 3 приводит к снижению входных сопротивлений элементов (в m раз). При заземлении хотя бы одного из входов ИЛЭ будет постоянно находиться в единичном состоянии.

При работе мультивибратора в автоколебательном режиме инверторы DD1.1 и DD1.2 поочерёдно находятся в единичном и нулевом состояниях. Время пребывания инверторов в нулевом или единичном состоянии определяется временем заряда одного из конденсаторов С1 или С2. Если ИЛЭ DD1.1 находится в единичном состоянии, а DD1.2 в нулевом (t =0), то конденсатор С1 заряжен током, протекающим через выход ИЛЭ DD1.1 и резистор R1. Этот ток, как и входной ток ИЛЭ DD1.2, пренебрежимо мал и не оказывает существенного влияния на процесс заряда конденсатора. По мере заряда конденсатора C1, входное напряжение UВХ2 инвертора DD1.2 уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной времени t1, стремясь к нулевому уровню. Когда напряжение UВХ2 достигнет порогового напряжения U<img width=«12» height=«24» src=«ref-1_404218067-192.coolpic» v:shapes="_x0000_i1080">, ниже которого дальнейшее уменьшение входного напряжения приводит к уменьшению выходного напряжения инвертора ТТЛ, в мультивибраторе развивается регенеративный процесс, при котором состояния элементов DD1.1 и DD1.2 изменяются на противоположные (t = t1). Скачкообразное уменьшение выходного напряжения UВЫХ1 вызывает уменьшение входного напряжения UВХ2, что приводит к быстрому разряду конденсатора C1, а затем к его перезаряду вытекающим током DD1.2 через резистор R1. Входное напряжение UВХ2 при этом возрастает до значения UВХ(t<img width=«12» height=«24» src=«ref-1_404225725-186.coolpic» v:shapes="_x0000_i1081">), определяемого моментом окончания процесса заряда конденсатора C2 с постоянной времени t2 в противоположной ветви мультивибратора (t= =t2).

Таким образом, процессы периодически повторяются, и на выходах ИЛЭ DD1.1 и DD1.2 формируется два изменяющихся в противофазе импульсных напряжения с длительностями t U1 и t U2.

Так как на протяжении всего времени заряда конденсатора С2 (С1) и перезаряда конденсатора С1(С2) ИЛЭ DD1.2 (DD1.1) должен находится в единичном состоянии, его входное напряжение UВХ2(UВХ1) не должно превышать порогового уровня U<img width=«12» height=«24» src=«ref-1_404218067-192.coolpic» v:shapes="_x0000_i1082">, следовательно, сопротивление времязадающего резистора R1 (R2) должно быть достаточно малым. При этом необходимо вычислить минимальное и максимальное значение резисторов R1 и R2.

Максимально допустимое значение резистора вычисляется по следующему неравенству:

 

 R < R1ВХ *[( I1ВХ * R1ВХ / U<img width=«12» height=«24» src=«ref-1_404218067-192.coolpic» v:shapes="_x0000_i1083">) — 1] — 1 (2.1)

Если при выборе сопротивления навесных резисторов R1 и R2 ограничиваться выражением (2.1), то при определённых условиях в мультивибраторе может наступить жёсткий режим возбуждения, когда после включения источника питающего напряжения оба инвертора оказываются в единичном состоянии. Для устранения такого режима необходимо выполнить условие:
 R > R1ВХ * [( I1ВХ*R1ВХ / U<img width=«12» height=«24» src=«ref-1_404218259-198.coolpic» v:shapes="_x0000_i1084"> — 1] — 1 (2.2)

При выполнении (2.2) рабочие точки обоих ИЛЭ оказываются на динамических участках передаточных характеристик и, следовательно, даже небольшое различие в коэффициентах усиления К приводит к одному из двух квазиустойчивых состояний, когда на выходе одного ИЛЭ устанавливается высокий уровень выходного напряжения, а на выходе другого — низкий. Самовозбуждение мультивибратора в этом случае будет мягким.

Длительности импульсов на выходе мультивибратора можно определить по следующим выражениям:
t<img width=«16» height=«24» src=«ref-1_404226493-187.coolpic» v:shapes="_x0000_i1085"> <img width=«13» height=«13» src=«ref-1_404214424-182.coolpic» v:shapes="_x0000_i1086">(R1 + R1ВЫХ)*С1*ln <img width=«192» height=«48» src=«ref-1_404226862-617.coolpic» v:shapes="_x0000_i1087">
t<img width=«17» height=«24» src=«ref-1_404227479-193.coolpic» v:shapes="_x0000_i1088"><img width=«13» height=«13» src=«ref-1_404214424-182.coolpic» v:shapes="_x0000_i1089">(R2 + R1ВЫХ)* С2* ln <img width=«195» height=«48» src=«ref-1_404227854-624.coolpic» v:shapes="_x0000_i1090">

Выходные импульсы рассматриваемого мультивибратора по форме близки к прямоугольным. Отношение амплитуд переднего и заднего фронтов выходного напряжения определяется соотношением:

UПФ / UЗФ = R / (R + R<img width=«25» height=«25» src=«ref-1_404214606-211.coolpic» v:shapes="_x0000_i1091">)

где R = R1 для ИЛЭ DD1.1., R = R2 для ИЛЭ DD1.2.

Скважность генерируемых импульсов:

Q = 1 + tU2 / tU1

Если t<img width=«16» height=«24» src=«ref-1_404226493-187.coolpic» v:shapes="_x0000_i1092"> =t<img width=«17» height=«24» src=«ref-1_404227479-193.coolpic» v:shapes="_x0000_i1093"> , то C<img width=«8» height=«23» src=«ref-1_404213684-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1094">=C<img width=«11» height=«23» src=«ref-1_404209835-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1095">.
Расчёт автоколебательного мультивибратора.

Произведем расчёт автоколебательного мультивибратора на ИЛЭ И — НЕ серии К155:

Проверяем условия :

 R < R1ВХ*[(I1ВХ * R1ВХ / U<img width=«12» height=«24» src=«ref-1_404218067-192.coolpic» v:shapes="_x0000_i1096">)-1] <img width=«15» height=«20» src=«ref-1_404216619-182.coolpic» v:shapes="_x0000_i1097">= 230,47(Ом)

 R > R1ВХ*[(I1ВХ * R1ВХ / U<img width=«12» height=«24» src=«ref-1_404218259-198.coolpic» v:shapes="_x0000_i1098">)-1]-1 = 666,67(Ом)

 Uпф/Uзф=<img width=«67» height=«45» src=«ref-1_404218849-297.coolpic» v:shapes="_x0000_i1099"> <img width=«20» height=«16» src=«ref-1_404219146-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1100"> 0,79= R / (R + 200)

 R — 0,79*R = 0,79*200

 R = 752,38 (Ом)

Условия выполняются.
Выбираем из шкалы номинальных значений R = 750 Oм.

 

Рассчитаем ёмкость конденсаторов.

Т.к. t<img width=«17» height=«24» src=«ref-1_404227479-193.coolpic» v:shapes="_x0000_i1101"> =T — t<img width=«16» height=«24» src=«ref-1_404226493-187.coolpic» v:shapes="_x0000_i1102">=12-6=6=t<img width=«16» height=«24» src=«ref-1_404226493-187.coolpic» v:shapes="_x0000_i1103"> , то мультивибратор симметричный, и C <img width=«8» height=«23» src=«ref-1_404213684-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1104">=C<img width=«11» height=«23» src=«ref-1_404209835-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1105"><img width=«12» height=«23» src=«ref-1_404214050-169.coolpic» v:shapes="_x0000_i1106">
C<img width=«8» height=«23» src=«ref-1_404213684-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1107">=<img width=«281» height=«71» src=«ref-1_404231775-779.coolpic» v:shapes="_x0000_i1108"> =

 =<img width=«288» height=«68» src=«ref-1_404232554-697.coolpic» v:shapes="_x0000_i1109"> =6,76*10<img width=«15» height=«20» src=«ref-1_404222481-187.coolpic» v:shapes="_x0000_i1110">(Ф)

Выбираем из шкалы номинальных значений

C<img width=«8» height=«23» src=«ref-1_404213684-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1111"> = C<img width=«11» height=«23» src=«ref-1_404209835-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1112">= 6,8*10<img width=«15» height=«20» src=«ref-1_404222481-187.coolpic» v:shapes="_x0000_i1113">Ф.
3.Электронный ключ на транзисторе.



3.1.Общие сведения. Принцип действия.

Электронный ключ–основной функциональный узел дискретной схемотехники для переключения токов или потенциалов на нагрузке. []

 В импульсных устройствах очень часто требуется коммутировать (включать и выключать) электрические цепи.Эта операция выполняется бесконтактным способом с помощью транзисторных ключей.

 Ключевые схемы используются для построения генераторов и формирователей импульсов, а также различных логических схем цифровой вычислительной техники. Ключ выполняет элементарную операцию инверсии логической переменной и называется инвертором.

В статическом режиме ключ находится в состоянии “включено” (ключ замкнут), либо в состоянии “выключено” (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов: импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход.

Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении.

В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом.

Основными параметрами ключа являются :

--быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ;

 --длительность фронтов выходных сигналов ;

 --внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ;

 --потребляемая мощность ;

--помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ;

 --стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ;

 --надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д.

В ключевых схемах в общем случае используются все основные схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК), ключ-“звезда”, с общим эмиттером (ОЭ). Наибольшее применение получили транзисторные ключи по схеме с ОЭ.

Статические характеристики.

Поведение ключа в статическом режиме определяется выходными I<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1114"> и входными I<img width=«12» height=«23» src=«ref-1_404210023-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1115"> характеристиками транзистора по схеме с ОЭ.

На выходных характеристиках выделяются три области, которые определяют режим отсечки коллекторного тока, активный режим и режим насыщения ключевой схемы.

Область отсечки определяется точками пересечения линии нагрузки R<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1116"> с самой нижней кривой семейства выходных характеристик с параметром I<img width=«12» height=«23» src=«ref-1_404210023-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1117">= — I<img width=«19» height=«24» src=«ref-1_404234743-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1118">. Этой области соответствует режим отсечки, при котором:

--транзистор закрыт, т.к. оба его перехода смещены в обратном направлении

 U<img width=«17» height=«23» src=«ref-1_404234934-197.coolpic» v:shapes="_x0000_i1119">>0, U<img width=«19» height=«23» src=«ref-1_404235131-196.coolpic» v:shapes="_x0000_i1120"><0

--напряжение U<img width=«19» height=«23» src=«ref-1_404235327-196.coolpic» v:shapes="_x0000_i1121">= — E<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1122">+I<img width=«19» height=«24» src=«ref-1_404234743-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1123">*R<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1124"><img width=«13» height=«13» src=«ref-1_404214424-182.coolpic» v:shapes="_x0000_i1125">  — E<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1126">

--ток коллектора минимален и определяется обратным (тепловым) током коллекторного перехода I<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1127">=I<img width=«19» height=«24» src=«ref-1_404234743-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1128">

--ток базы I<img width=«12» height=«23» src=«ref-1_404210023-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1129">= — I<img width=«19» height=«24» src=«ref-1_404234743-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1130">, а ток эмиттера I<img width=«12» height=«23» src=«ref-1_404237218-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1131">=0

--сопротивление транзистора постоянному току наибольшее

 R<img width=«19» height=«23» src=«ref-1_404235327-196.coolpic» v:shapes="_x0000_i1132"> =<img width=«31» height=«47» src=«ref-1_404237605-250.coolpic» v:shapes="_x0000_i1133"> <img width=«13» height=«16» src=«ref-1_404237855-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1134">100 кОм.

Активная область расположена между нижней кривой коллекторного тока и линией насыщения. Этой области соответствует активный нормальный режим, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном:

 U<img width=«17» height=«23» src=«ref-1_404234934-197.coolpic» v:shapes="_x0000_i1135"><0,U<img width=«19» height=«23» src=«ref-1_404235131-196.coolpic» v:shapes="_x0000_i1136">>0

Ток коллектора I<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1137">=B*I<img width=«12» height=«23» src=«ref-1_404210023-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1138">+(B+1)I<img width=«19» height=«24» src=«ref-1_404234743-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1139">=B*I<img width=«12» height=«23» src=«ref-1_404210023-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1140">+I<img width=«19» height=«25» src=«ref-1_404239194-199.coolpic» v:shapes="_x0000_i1141"> ; I<img width=«19» height=«25» src=«ref-1_404239194-199.coolpic» v:shapes="_x0000_i1142">=(B+1)I<img width=«19» height=«24» src=«ref-1_404234743-191.coolpic» v:shapes="_x0000_i1143">.

Где B – коэффициент усиления базового тока в схеме с ОЭ.

Область насыщения определяется точками пересечения линии нагрузки с линией насыщения. Этой области соответствует режим насыщения. При котором:

--транзистор открыт, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении

 U<img width=«17» height=«23» src=«ref-1_404234934-197.coolpic» v:shapes="_x0000_i1144"><0,U<img width=«19» height=«23» src=«ref-1_404235131-196.coolpic» v:shapes="_x0000_i1145"><0

--напряжение U<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240176-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1146"> и U<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240371-194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1147"> насыщенного транзистора составляет доли вольта

--максимальный ток транзистора (ток насыщения) I<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240176-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1148">, практически не зависит от параметров транзистора

 I<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240176-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1149">=<img width=«83» height=«47» src=«ref-1_404240955-318.coolpic» v:shapes="_x0000_i1150"><img width=«41» height=«47» src=«ref-1_404241273-262.coolpic» v:shapes="_x0000_i1151"> (3.1)

--сопротивление транзистора постоянному току минимально (десятки ом)

 r<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240176-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1152">=<img width=«48» height=«47» src=«ref-1_404241730-275.coolpic» v:shapes="_x0000_i1153">

Коллекторный ток насыщения достигается при граничном токе базы I<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240371-194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1154">=<img width=«32» height=«43» src=«ref-1_404242199-245.coolpic» v:shapes="_x0000_i1155">=<img width=«52» height=«47» src=«ref-1_404242444-288.coolpic» v:shapes="_x0000_i1156">. (3.2)

 Глубина или степень насыщения транзистора определяется коэффициентом насыщения S

 S=<img width=«53» height=«47» src=«ref-1_404242732-277.coolpic» v:shapes="_x0000_i1157">.




3.2.Расчёт транзисторного ключа.

Расчёт ключей производится с целью обеспечения статического и динамического режимов, при которых в заданном диапазоне происходит надёжное включение и выключение транзистора с требуемым быстродействием.

Выбор типа транзистора. Тип транзистора выбирается исходя из заданного быстродействия, необходимой амплитуды выходного напряжения, температурного диапазона работы.

Выбираем тип транзистора КТ315А.

I<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1158">доп=100 мА

I<img width=«48» height=«24» src=«ref-1_404243197-218.coolpic» v:shapes="_x0000_i1159">мкА (при 20<img width=«9» height=«20» src=«ref-1_404243415-180.coolpic» v:shapes="_x0000_i1160">)

f<img width=«48» height=«24» src=«ref-1_404243595-211.coolpic» v:shapes="_x0000_i1161"> МГц

C<img width=«36» height=«23» src=«ref-1_404243806-213.coolpic» v:shapes="_x0000_i1162"> пФ

B=55

Выбор источника коллекторного питания.Значение источника E<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1163"> выбирают по заданной амплитуде U<img width=«11» height=«23» src=«ref-1_404209835-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1164"> выходного напряжения

 E<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1165">=(1,1<img width=«13» height=«13» src=«ref-1_404244583-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1166">1,2)*U<img width=«11» height=«23» src=«ref-1_404209835-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1167">=(1,1<img width=«13» height=«13» src=«ref-1_404244583-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1168">1,2)*5=5,5<img width=«13» height=«13» src=«ref-1_404244583-178.coolpic» v:shapes="_x0000_i1169">6 (B),

При этом должно выполнятся неравенство

 E<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1170"><img width=«13» height=«16» src=«ref-1_404225339-194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1171">U<img width=«19» height=«23» src=«ref-1_404235327-196.coolpic» v:shapes="_x0000_i1172">доп=20 (В),

Выбираем E<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1173"> =5,7 B.

Коллекторный ток насыщения. Величина тока I<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240176-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1174"> ограничена с двух сторон

 20*I<img width=«40» height=«24» src=«ref-1_404246266-214.coolpic» v:shapes="_x0000_i1175"><img width=«13» height=«16» src=«ref-1_404225339-194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1176">I<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240176-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1177"><img width=«13» height=«16» src=«ref-1_404225339-194.coolpic» v:shapes="_x0000_i1178">I<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1179">доп,

где I<img width=«40» height=«24» src=«ref-1_404246266-214.coolpic» v:shapes="_x0000_i1180"> -обратный ток коллекторного перехода при t<img width=«27» height=«23» src=«ref-1_404247465-205.coolpic» v:shapes="_x0000_i1181">;

I<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1182">доп=допустимый ток коллектора в статическом режиме (в состоянии длительного включения).

Можно рекомендовать

 I<img width=«20» height=«23» src=«ref-1_404240176-195.coolpic» v:shapes="_x0000_i1183">=0,8*I<img width=«13» height=«23» src=«ref-1_404233991-188.coolpic» v:shapes="_x0000_i1184">доп=0,8*100*10<img width=«15» height=«20» src=«ref-1_404223966-189.coolpic» v:shapes="_x0000_i1185">=80*10<img width=«15» height=«20» src=«ref-1_404223966-189.coolpic» v:shapes="_x0000_i1186">(А) (3.3)

    продолжение
--PAGE_BREAK--
еще рефераты
Еще работы по производству
© РОНЛ.орг 2000-2026 По всем вопросам обращаться на эту почту: admin@ronl.org