Формирователь импульса тока для запуска лазера

Содержание

Задание. 2

Содержание. 3

1. Принцип действия устройства. 4

1.1. Принцип действия схемы формирователя. 4

1.2. Принцип работы таймера 555 в схеме одиночного запуска. 5

2. Эскизный расчет. 7

2.1. Эскизный расчет схемы формирователя. 7

2.2. Эскизный расчет схемы с таймером. 9

3. Выбор элементов и компонентов схемы.. 11

4. Детальный расчет. 13

4.1. Каскад Дарлингтона. 13

4.2. Операционный усилитель и схема с транзистором VT1. 13

5. Принципиальная схема устройства. 14

6. Анализ качества работы устройства. 15

7. Эскиз размещения элементов и компонентов. 16

8. Определение основных массогабаритных показателей. 17

9. Список использованной литературы.. 18

Принцип действия устройства

1.1. Принцип действия схемы формирователя

Устройство состоит из операционного усилителя, каскада Дарлингтона и транзистора VT1, сменой режимов которого управляет таймер 555. Транзистор VT1 большую часть времени находится в режиме насыщения, когда из таймера в его базу втекает ток определенной величины. В этом состоянии VT1 работает как низкоомный резистор, понижается потенциал базы VT2, и отключается отрицательная обратная связь, образованная каскадом Дарлингтона (VT2,VT3) и резистором R1.

При запуске таймера 555, на некоторое время (а точнее на 10 мс, по условию задания) потенциал его выхода понижается. При этом транзистор VT1 переходит в режим отсечки. Сопротивление перехода коллектор-эммитер возрастает до нескольких мегаом. Вслед за этим повышается потенциал базы VT2, открывается отрицательная обратная связь.

При работе операционного усилителя в этом режиме соблюдается принцип виртуального нуля. Следовательно, на резисторе R1 будет падать напряжение Uвх. Задав определенный номинал этого резистора, получаем требуемый ток нагрузки.

Транзисторы, входящие в каскад Дарлингтона, работают в линейном режиме. Резистор R2 замыкает по цепи отрицательной обратной связи VT2. Это необходимо для стабилизации рабочей точки всего каскада. R3 ограничивает выходной ток усилителя, когда VT1 работает в режиме насыщения и практически весь этот ток течет через него.

Таким образом, схема представляет собой генератор стабильного тока: величина тока нагрузки зависит только от номинала R1 и напряжения питания Eп и практически не зависит от Rн.

1.2. Принцип работы таймера 555 в схеме одиночного запуска

Длительность импульса зависит от параметров элементов, входящих в схему одиночного запуска таймера 555. Рассмотрим эту схему.

Внутри микросхемы таймера расположен резистивный делитель, к которому подключены два компаратора. Эти компараторы управляют работой самого таймера. При подаче низкого уровня сигнала (меньшего 1/3 * E_п2) на вход запуск, компаратор, подключенный ко входу S RS-триггера, на выходе образует значение напряжения логической единицы.

Считаем, что в первый момент времени конденсатор Ct разряжен. Тогда второй компаратор образует на входе R логический ноль. Триггер переходит в единичное состояние. На его инверсном выходе напряжение падает до логического уровня нуля. Транзистор запирается и происходит зарядка конденсатора Ct через резистор Rt.

Конденсатор заряжается до тех пор, пока потенциал верхней обкладки не достигнет величины 2/3 E_п2. Далее – верхний компаратор сформирует сигнал и RS триггер перейдет в состояние нуля. Транзистор, управляющий работой конденсатора, будет работать в режиме насыщения, и, по сути дела, произойдет разрядка Ct через переход коллектор-эммитер 20-25 Ом.

Сопротивление Rt выбираем несколько кОм, чтобы сопротивления перехода коллектор-эммитер насыщенного транзистора было пренебрежимо меньшим.

На выходе таймера поставлен логический инвертор ТТЛ - серии. Он формирует низкий уровень сигнала для закрытия транзистора VT1 в период действия импульса таймера.

2. Эскизный расчет

2.1. Эскизный расчет схемы формирователя

Для начала рассмотрим работу устройства в период формирования импульса, когда транзистор VT1 работает в режиме отсечки, включая обратную связь.

Принцип виртуального нуля, который выполняется, поскольку операционный усилитель охвачен обратной связью, создает на резисторе R1 падение напряжения, равное входному Uвх. Зная максимальное значение тока нагрузки Iн = 50 A при Uвх=10 В, получаем точное значение резистора R1:

R1 = Uвх_max/Iн_max = 10 В/ 50 А = 0.2 Ом

При работе устройства, транзисторы VT3 и VT2, входящие в каскад Дарлингтона, работают в активном режиме. При этом на базе транзистора VT3 создается напряжение, большее Uвх на величину лыжи открытого диода база-эммитер. Аналогично, на базе транзистора VT2 создается напряжение, большее Uвх на величину двух лыж. Следовательно:

Uб_VT3 = Uвх + 0.7

Uб_VT2 = Uвх + 1.4

Подбираем теперь значение резистора R2. Через базу транзистора VT3 протекает ток в (b_I»50..100) раз меньший, чем ток нагрузки. При максимальном токе нагрузки в базу втекает ток порядка 0.5 А. В то же самое время, падение напряжение на переходе база-эммитер остается порядка 0.7 В. Следовательно, сопротивление перехода база-эммитер при максимальном токе нагрузки составляет величину до полутора Ом.

Пусть теперь входное напряжение составляет величину порядка 1В. В этом случае протекающий ток нагрузки снизится до значения 5 A. В базу будет втекать ток около 50 мА. Сопротивление перехода база-эммитер увеличиться до величины 14 Ом. При номинале R2 порядка 50 Ом практически во всех случаях будет обеспечиваться требуемый ток базы VT3, как правило, на порядок больший тока, протекающего через R2.

Теперь подберем параметры для транзистора VT3. Схема потребляет большую часть энергии при протекании максимального тока нагрузки (50A). В этом режиме на переходе база-коллектор падает порядка 2.5 В. (на базе VT2 на 1.4 В больше, чем на эммитере VT3, на смещенном в обратном направлении переходе коллектор-эммитер падает также около вольта) Следовательно, необходим транзистор, способный потреблять мощность порядка 120-150 Вт. Кроме того, питание Eп будет составлять порядка 300 В (чтобы обеспечить ток в 50 A в 5-омной нагрузке). Поэтому нужен транзистор с максимальным значением смещения коллектор-эммитер 350-400 В.

Подберем параметры для VT2. Максимальный ток I_б3 порядка 0.5-1A (в зависимости от коэффициента усиления VT3 по току). На переходе коллектор-эммитер падает напряжение порядка 1.5-2 В. Следовательно нужен 2-3 ваттный транзистор, также способный обеспечить падение напряжение до 300 В (поскольку в режиме отсечки потенциал базы VT3 опускается до нуля)

Максимальное значение тока I_б2 порядка 5-10 мА. Входное напряжение операционного усилителя до 10 В, поэтому выбираем для него типовое напряжение питания ±15 В. При работе в цепи обратной связи, максимальное выходное напряжение, которое он может дать при данном питании составляет порядка 13 В. Отсюда находим сопротивление R3:

R3 = (Uвых_ОУmax – Uвх_ОУmax – 1.4)/I_б2;

R3 = 160 Ом;

Пускай теперь VT1 работает в режиме насыщения. В этом случае через него потечет практически весь ток из операционного усилителя. При максимальном значении выходного напряжения (когда ОУ находится в режиме насыщения), равного в нашем случае около 13.5 В, получаем ток, протекающий через переход коллектор-эммитер VT1:

Iкэ_VT3 = Uвых_{ОУмах,нас}/ (R3 + 20 Ом);

Iкэ_VT3=75 мА.