Практикум по микроэлектронике (стр. 9 )

Для защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току обычно используют резистивные или полупроводниковые датчики тока, включенные последовательно в цепь нагрузки. Как только падение напряжения на датчике тока превысит заданный уровень, срабатывает защитное устройство, отключающее нагрузку от источника питания. Преимуществом такого способа защиты является то, что величину тока срабатывания защиты можно легко изменять. Чаще всего этого достигают с помощью датчика тока.

Другим эффективным методом защиты нагрузки является ограничение величины предельного тока через нее. Даже при наличии в цепи нагрузки короткого замыкания ток ни при каких обстоятельствах не сможет превысить заданный уровень и повредить нагрузку. Для ограничения предельного тока нагрузки используют генераторы стабильного тока.

2. Ключевые схемы предохранителей и ограничителей переменного и постоянного тока

Схемы простой автоматической защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току представлены на рис. 15.1 и 15.2. Работа устройств такого типа (стабилизатор тока на основе полевого транзистора) подробно рассматривалась ранее в теме 14. Ток нагрузки при использовании такого ограничителя не сможет превысить начального тока стока полевого транзистора. Величину этого тока можно задавать подбором типа транзистора, например, для приведенного на схеме транзистора типа КП302В максимальный ток через нагрузку не превысит значения 30...50 мА. Увеличить значение этого тока можно параллельным включением нескольких транзисторов.

Рисунок 15.1 - Ограничение предельного тока нагрузки при помощи полевого транзистора

Рисунок 15.2 - Транзисторный ограничитель предельного тока через нагрузку

В ограничителе тока нагрузки (рис. 15.2) работают обычные биполярные транзисторы с коэффициентом передачи по току не менее 80... 100. Входное напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. Транзистор работает в режиме насыщения, поэтому большая часть входного напряжения поступает на выход источника питания. При токе меньше порогового транзистор VT2 закрыт, и светодиод HL1 не горит. Резистор R3 выполняет роль датчика тока. Как только падение напряжения на нем превысит порог открывания транзистора VT2, он откроется, включится светодиод HL1, а транзистор VT1, напротив, начнет закрываться, и ток через нагрузку ограничится. При указанных на схеме номиналах элементов ток короткого замыкания равен (0,7 В)/(3,6 Ом)=0,2...0,23 А.

Литература: 5, стр. 164-178; 9, стр. 103-107

Контрольные вопросы

1.  Что является недостатком плавких предохранителей?

2.  Что обычно применяется для защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току?

3.  На какие классы можно разделить электронные предохранители?

4.  Объясните принцип работы простой автоматической защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току?

Глава 2 Планы семинарских (практических) занятий

Тема 1. Расчет диодного ограничителя

Цель: Научиться рассчитывать схемы и характеристики «вход-выход» диодного ограничителя.

План:

1.  Расчет схемы и последовательного ограничителя снизу.

2.  Вывод характеристик «вход-выход» последовательного ограничителя.

1. Пусть необходимо рассчитать схему и характеристику «вход-выход» последовательного ограничителя снизу с уровнем ограничения , работающего на нагрузочное сопротивление , на вход которого поступает гармонический сигнал с амплитудой и частотой . Параметры диода:

Рассматриваемая схема ограничителя приведена на рис.1,а. Заданный уровень ограничения обеспечивается источником ЭДС .

Идеализированная характеристика «вход-выход» и соответствующие ей зависимости построены на рис.1.1,б. На характеристике «вход-выход» существует два участка: для первого участка – диод закрыт, для второго участка – диод открыт. Поэтому для построения характеристики с учетом заданных параметров реального диода используются эквивалентные схемы рис.1.1 (а – для первого участка, б – для второго участка характеристики «вход-выход»).

Тогда на схеме рис.1,а

,

где - коэффициент передачи входного переменного напряжения на выход схемы, - коэффициент передачи напряжения от источника ЭДС на выход схемы, - коэффициент передачи от источника тока на выход схемы. Тогда , где - уровень ограничения (при заданном ), а коэффициент передачи входного напряжения на выход схемы (при идеальном значении ).

Рисунок 1.1 - Схема ограничителя

Рисунок 1.2 – Вольтамперная характеристика диодного ограничителя

Рисунок 1.3 - Уточненная характеристика «вход-выход»

Для схемы рис. 1.2, б выходное напряжение также содержит постоянную и переменную составляющие, поскольку

Uвых2=K12*Uвл+K22*E-K32*U0 ,

где K12=RН/(Rпр+Rн)=0,91; K22=Rпр/(Rпр+Rн)=0,001; K32=K12=0,91. Тогда Uвых2=0,91*Uвх-0,18В и, следовательно, для Uвых2=U0гр=1,995В может быть определено входное пороговое напряжение

Uпор=(1,995В+0,18B)/0,91=2,39B

2. Уточненная характеристика «вход-выход» приведена на рис. 3, а, а зависимость Uвых(t) – на рис. 3, б.

При передаче прямоугольных импульсов или гармонических сигналов с большими амплитудами и высокими частотами следования схема будет вносить изменения в форму сигнала, связанные с наличием постоянных времени схемы (выражения 10 и 11), составляющих:

τ2=Cvd*Rпр=20*10-12*100=2*10-9 c – для открытого диода;

τ3=Cvd*Rн=20*10-12*I*103=20*10-9 c – для закрытого диода.

Для рассматриваемого входного сигнала, период следования которого Tвх=I/fвх=10-3 c, инерционность схемы можно не учитывать, поскольку постоянная времени схемы по сравнению с длительностью периода входного сигнала мала.

Литература: 2, стр. 278-286; 4, стр.45-56

Контрольные вопросы:

1.  Объясните понятие «идеализированная характеристика «вход-выход».

2.  Чему равен коэффициент передачи входного переменного напряжения на выход данной схемы?

3.  Чем отличаются коэффициент передачи входного переменного напряжения на выход схемы от коэффициента передачи напряжения от источника ЭДС на выход схемы?

4.  Объясните принцип действия схемы на рисунке 1.1.

5.  Почему Для рассматриваемого входного сигнала, период следования которого Tвх=I/fвх=10-3 c, инерционность схемы можно не учитывать?

Тема 2. Расчет схемы выпрямителя

Цель: Научиться теоретически рассчитывать схему выпрямителя

Расчет двухполупериодной схемы выпрямления с конденсатором.

Исходные данные для расчета: напряжения на загрузке выпрямителя U0 =6*В; ток нагрузки I0 = 200мА; коэффициент пульсации на выходе kn1 =0,1; напряжение сети Uс = U1 =220 В может изменяться в пределах ±10% (а=0,1); частота сети ƒс =50 Гц.

1.  Определяем мощность, потребляемую нагрузкой, Рс= U0I0=6*0,2=1,2 Вт.

2.  Определяем сопротивление нагрузки Rс= U0/I0=6/0,2=30 Ом.

3. Коэффициент пульсации сравнительно низок, поэтому можно попытаться в качестве фильтра использовать только один конденсатор, взяв схему выпрямления с низким коэффициентом пульсации. Выбираем двухполупериодную схему выпрямления с конденсатором, включенным параллельно нагрузке, так как выпрямленное напряжение сравнительно мало и на вентилях мостовой схемы получится относительно большое падение напряжения, снижающее КПД выпрямителя. Для схемы m=2.

4. Определяем максимальное выпрямленное напряжение

UВ max= U0(1+а)=В(1+0,1)=6,6 В.

5. Задаем коэффициентами В и D : В≈ I, D≈2,2.

6. Пользуясь табл. 2.1 и выбранными коэффициентами В и D, определяем ориентировочно постоянную составляющую тока и амплитуду обратного напряжения вентиля

Iср=0,5* I0=0,5*0,2=0,1 А;

UОБР max=2,82*В* U0 max=2,82*I*6,6=18,6 В.

7. Вентиль должен иметь допустимые значения UОБР max и Iср, превышающие вычисленные. Из справочника [23] выбираем полупроводниковый диод Д226Д, у которого UОБР max =100 В, допустимый выпрямленный ток I пр, ср max=0,5 А и прямое падение напряжения Uпр= I В.