Складання технічного завдання

3. Складання технічного завдання.

ФЕП, що буде спроектовано призначений для роботи в факсимільному апараті для передачі чорно-білих зображень на папері формату А4. Це будуть в основному графіки та текст.

Тривалість часу, протягом якого на фотодатчик потрапляють відбиті від світлих ділянок промені набагато перевищує тривалість часу, протягом якого на фотодатчик потрапляє світло від чорних штрихів. Вхідним сигналом для ФЕП служить модульований потік світла, джерелом якого є стабілізована лампа розжарювання.

Оцінимо мінімальну тривалість імпульсу факсимільного сигналу.

Роздільна здатність при передачі сторінки А4 (210х297 мм) повинна становити не менше 4 ліній/мм. Це означає необхідність передачі сигналу від штриха шириною Ѕ * ј = ¹/₈ мм ~ 0,1 мм.

Швидкість розгортки апарату становить 480 рядків/хвилину, при кроці розгортки 0,2 мм/рядок. На прочитання одного рядка припадає 60/480 = 1/8 = 0,125 сек.

При довжині рядка 210 мм і ширині штриха, від якого треба отримати надійний факсимільний імпульс, мінімальна тривалість такого імпульсу становить:

Для того щоб спектр імпульсу відповідав смузі пропускання, необхідно, щоб фронти відеоімпульсу складали не більше половини його тривалості.

З цієї оцінки випливає вимога щодо частотної смуги ФЕП. Вона слідує із теореми Котельникова:

Функція часу з обмеженим спектром повністю визначається своїми значеннями (відліками), взятими через інтервал часу

(1)

(2)

де — гранична частота спектру функції, яку треба передати без спотворень.

Прийнявши за Δt допустиму тривалість фронту відеоімпульсу, отримаємо верхнє значення граничної смуги підсилювача:

Отриманий частотний спектр факс-сигналу від F_min= 0 Гц до F_max = 17 кГц дозволяє застосовувати в якості фотодатчика кремнієві або германієві фотодіоди чи фототранзистори в будь-якому з режимів: фотогальванічному, чи фотодіодному.

Питання про фото чутливість діода не є критичним при роботі в факсимільному апараті, оскільки там є достатньо потужне джерело освітлення.

Оскільки гранична частота модуляції світлового потоку, яка ще сприймається звичайними фотодіодами становить близько 100 кГц, то часові параметри фотодіода також не мають в ФЕП факсимільних апаратів суттєвого значення:

Ділянки білого паперу з текстом у вигляді темних штрихів мають фотометричне альбедо (А):

чисті ділянки (А_б≈0,8) дають потік відбитого світла Ф_б = 0,8Ф_пад

де Ф_пад — потік падаючого на папір пучка променів.

Зафарбовані або забруднені ділянки мають альбедо А_т = 0,1-0,5

Відповідно потік відбитого світла буде змінюватися від 0,1Ф_пад до 0,5Ф_пад

Максимальна глибина модуляції світлового потоку на вході фотодатчика

Для факсимільних апаратів даного класу не має потреби передавати на папері градації сірого кольору. Тобто вихідний сигнал матиме тільки дві градації "чорне" і "біле". Таким чином підсилювач може працювати в режимах відсічки та насичення.

На рис. 1 зображено типову часову залежність фотоелектричного сигналу, сформованого фотодатчиком.

Рис. 1. Характер фотоелектричних сигналів факсимільного апарату.

Ми маємо справу із підсиленням імпульсних сигналів, тривалість, частота повторення і амплітуда яких змінюється за статистичними (випадковими) законами.

Підсилений сигнал із ФЕП поступає в пристрій обробки і перетворення сигналу:

Активний опір навантаження невеликий, менше 100 ом.

Вхідна ємність навантаження С_н = 10пф

Амплітуда сигналу з ФЕП, яка потрібна на вході пристрою обробки U_вих = U_{вх (навант.)} = 3В

Робоча смуга частот підсилювача від ~100 Гц до 17 кГц. (Для підсилення постійної складової сигналу немає потреби).

Напруга джерела живлення Е = 12В

Діапазон робочих температур від +5^о С до +45^о С (кімнатні умови)

Всі інші параметри, включаючи принципову електричну схему із номіналами елементів треба розрахувати.

3.1. Вибір фотоелектричного датчика і схеми його живлення. Проектування першого каскаду.

Згідно з [1], потрібно вибрати фотодіод або фототранзистор, які мають . За робочою напругою нам підходить фототранзистор ФТ-2Г. Він має:

Діапазон спектральної характеристики: , що перекриває 95% енергетичного спектру випромінювання ламп розжарювання;

Площа фоточутливого елементу становить 1 мм²;

Темновий струм

Інтегральна струмова чутливість

Імпульсна стала часу

Фототранзистори відрізняються від фотодіода додатковим підсиленням фотоструму на емітерному p-n переході. Фототранзистори можуть працювати як фотодіоди (режим з плаваючою базою) так і в транзисторному режимі з джерелом зміщення в колі бази.

Характеристика вибраного транзистора показана на рис.2.

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика фототранзистора ФТ-2Г при різних освітленностях.

Його найбільша розсіювана потужність P_max = 50 мВт, I_кmax = 10мА, U_кеmax = 30 В.

На характеристиці, згідно із довідковими даними будуємо робочу зону фототранзистора. Після цього будуємо лінію навантаження транзистора, яка має проходити через точки А (U_КЕ = Е_к =12 В; І_к = 0) і В (U_КЕ = 0; )

Рівняння лінії навантаження ;

Для отримання більшого підсилення по напрузі слід вибрати більше значення опору навантаження R_к, а щоб отримати більше підсилення по силі струму треба навпаки, зменшувати даний опір.

Перед нами стоїть завдання отримати підсилення по напрузі, яке потрібне в пристрої обробки, тому виберемо = 2,4 к Ом. Це дозволить також охопити більший діапазон зміни освітленості.

Лінія навантаження зображена на рис. 2 відрізком прямої АВ.

Освітленість, яка падає на вхід фоточутливого елемента фототранзистора від білої ділянки паперу легко відрегулювати, наприклад, за допомогою фокусуючої лінзи.

На вибраній лінії навантаження білій ділянці зображення виберемо точку Б, яка відповідає освітленості Ф_Б = 1000 лк.

Тоді згідно з міркувань, викладених в п.1 (див. рис. 1), точка Т (сигнал від темної ділянки) має відповідати Ф_т = ¹/₈Ф_Б = 125 лк. Відповідна точка Т нанесена на лінію навантаження (див. рис. 2).

З рис. 2 визначимо амплітуду фотоелектричного сигналу за вибраного режиму:

Отже, підібравши відповідним чином освітленість в місці розташування фотодатчика (в нашому випадку це фототранзистор ФТ-2Г) і включивши його по найпростішій схемі з плаваючою базою і спільним емітером, отримано вихідний сигнал, який цілком достатній (за напругою) для нормальної роботи пристрою обробки і перетворення сигналу.

Таким чином, залишається забезпечити роботу ФЕП на низькоомному навантаженні та забезпечити двох градаційний вихідний сигнал при варіаціях освітленості, відбитих від ділянок з мало контрастним альбедо. Друга проблема вирішується застосуванням в схемі обробки і перетворення сигналу обмежувача амплітуд, який виконують, як правило на діодах.

В схемі обмежувача має бути регулювання рівня обмеження. Ця частина схеми має значно більший активний опір, ніж опір R_к, через який протікає знайдений струм (І_к)_мах = 2 мА. Фактично струм в навантаження (діодний обмежувач амплітуд) може складати не більше 0,8 мА) .

Попередньо складена схема вхідного каскаду на фототранзисторі ФГ-2Г має вигляд:

Схема працює як ключ, що спрацьовує при перевищенні критичного значення освітленості.

Зворотній тепловий струм колекторного n-p переходу неосвітленого транзистора ФТ-2Г І_Кзвор може досягати 2 мкА. Якщо при роботі ФТ-2Г в режимі з плаваючою базою (схема якого зображена на рис. 3) потенціал бази наблизиться до потенціалу колектора або почне мінятися, то зворотній тепловий струм підсилюється:

Якщо коефіцієнт передачі транзистора складає

,

то при , , а це вже майже відповідає рівню фотоструму. Відповідно в h_21e = 30-150 разів збільшується температурна і часова нестабільність І_к фототранзистора.

Для усунення цього небажаного явища треба застабілізувати положення робочої точки (т. Б на рис. 2), зафіксувавши напругу на базі.

Стабілізація транзистора, увімкнутого в схемі з спільним емітером досягається включенням резистора R_Б в коло бази (див. рис. 4).

Рис.4. Резистор R_Б включено в коло бази.

Для визначення необхідного номіналу резистора R_Б звернемося до сімейства вхідних характеристик транзистора ФТ-2Г:

та

Рис. 5. Вхідні характеристики транзистора ФТ-2Г.

Крива 1 відповідає випадку відсутності освітлення при ;

Крива 2 — при (точка Т)

Крива 3 — при (точка Б)

На рис. 5 лінія 4 є графіком при Ф=0. Із вимоги І_ф >>І_{КБ звор} отримаємо критерій для вибору R_Б. Лінія статичного навантаження емітерного переходу:

Хорошої стабілізації можна досягнути за умов

І_ф >>І_{КБ звор} та І_{КБ звор}·R_Б

Тому взявши , можна переконатися, що дані умови виконуються.

Справді, (див. рис.5)

Знайденому значенню R_Б відповідає лінія статичного навантаження ОБ, яка нанесена на графік (рис. 5).

Отже R_Б = 200ом.

При підвищенному опроміненню фототранзистора, його робоча точка переходить в точку Б, напруга на базі підвищується до і частина фотоструму надходить в коло з резистором R_Б.

Для вхідного каскаду на фототранзисторі ФТ-2Г, який працює в якості підсилювача, а не ключа, як показано на схемах (рис. 3 і рис.4) бажано обмежувати емітерний струм включивши в коло емітера резистор R_e. В цьому, більш прийнятному випадку схема вхідного каскаду набуває виду:

Рис. 6. Схема вхідного каскаду.

При цьому до попередніх розрахунків треба внести корективи. Схема на рис. 6 забезпечує відсутність підсилення постійної складової факсимільного сигналу, яка визначається фотоелектричним сигналом від білого паперу оригіналу. Змінюючи за допомогою змінного резистора стабілізований потенціал бази, ми отримаємо можливість регулювати чутливість каскаду на фототранзисторі.

Конденсатор С₁ є роздільний. Його опір постійному струму нескінченний, а опір змінному сигналу (>100Гц) відносно малий.

В схемі, що на рис. 6, робоча точка вже задана (т. Б на рис. 2)

Враховуючи, що струм колектора І_к =І_е + І_БІ_е (струмом бази можна знехтувати)

З рівняння U_ке=Е_к - І_кR_к -І_еR_e Е_к - I_к(R_к+R_e)

Звідки

Взявши = 2 кОм, отримаємо

Напруга на емітері

Потенціал відносно землі , де U_БЕ = 0,25В (див. рис. 5)

Отже U_Б = 1,2В + 0,25В = 1,45В

Далі за співвідношенням

Для хорошої стабілізації фототранзистора необхідне виконання умови

Отже R₁ = 7,3R₂, і з попередньої нерівності знаходимо

Вибираємо R₂ = 500 ом, R₁ = 4,0 кОм

Вибравши замість постійного резистора R₂ = 500 ом, змінний резистор з діапазоном зміни опору від 100 до 1000 ом, отримаємо можливість регулювати положення робочої точки фототранзистора, а відповідно, і його чутливість.

Для того, щоб зменшити падіння змінної напруги не резисторі R_e, він шунтується конденсатором великої ємності С_е = 4,7 мкФ, який “прозорий” для змінної напруги “звукової” частоти, тобто повинна виконуватися умова:

Вже на частоті 10 Гц ця умова виконується:

;

Для роздільного конденсатора С₁ повинна виконуватися умова на частотах близьких до F_max. Звідси С₁ = 0,056 мкФ при R_н = 0,6 кОм.

Всі номінали розрахованих елементів схеми вхідного каналу ФЕП на фототранзисторі показано на рис.6. Це буде остаточна схема каскаду.