Вопрос для самопроверки

1. Охарактеризуйте технические задачи, возникающие при согласовании узлов и пристроил систем автоматики

2..

3. Приведите схему масштабування сигналов переменного тока и основные расчетные соотношения.

4. Приведите схемы масштабуючих усилителей с одним источником питания и их основные расчетные соотношения.

Литература для дополнительного обучения [2, с.3-5]; [3, с.4,5]; [4, с.3-5].

Лекция 13. Конечные каскады цифровых и аналоговых устройств

Цель лекции: Познакомиться с основными принципами построения оконечных каскадов цмфровых и аналоговых устройств.

Вопросы, которые рассматриваются на лекции:

1. Конечные каскады цифровых устройств.

2. Конечные каскады аналоговых устройств.

Немаловажным фактором в процессе проектирования управляющих узлов есть их соединение с внешними (периферийными) устройствами. Ними могут быть, кроме цифровых и аналоговых индикаторов, сигнальные лампы накаливания, электромеханические устройства: электромагнитные реле, печатающие устройства, муфты, соленоиды и т.п. Все эти приборы требуют для своей работы значительных токов и напруг.

Подобные нагрузки чаще всего имеют характер комплексного (реактивного) сопротивления, из-за чего в момент закрывания транзистора (то есть обрыва тока через него) на коллекторе (стоке) возникают перенапряжения, которые может закончиться пробоем транзистора. Поэтому такая нагрузка должна быть зашунтована диодом, который демпфирует, VD (рисунок 13.1), через который замыкаются тока, порождаемые ЕРС самоиндукции. Одновременно подавляются колебательные переходные процессы, которые обычно возникают при отключении индуктивности.

В системе элементов Ттл-логіки предусмотренные специальные микросхемы, которые в состоянии обеспечить роботу некоторых внешних устройств, таких, как маломощные реле, лампы накаливания, линии связи и др. В составе серий 133, К155 для этой цели предлагаются ІС с открытым коллектором 133ЛА7 и 133ЛА8 и К155ЛА7 и К155ЛА8. Они предназначены для работы как исходные каскады и могут коммутировать тока до 40 ма при напряжении 5 V.

Микросхемы К155ЛН3, К155ЛН5 и К155ЛА11 допускают включения на открытый коллектор повышенного напряжения до 30 V.

Микросхемы К155ЛА18, К155ЛИ5, К155ЛП2 имеют исходного транзистора (в схеме с открытым коллектором) повышенной мощности, у которого ток нагрузки может достигать 100 и даже 300 ма, при напряжении питания до 30 V. Такими же данными владеют микросхемы серии К170АА2...К170АА6. На их выход также может быть представленное напряжение до 30 V, а тока коммутации могут достигать 200 и 500 ма. Остаточное спадание напряжения на открытом выходе составляет в них не более 0,8...1,4 V.

Исходные ключи Кмоп-логіки руководят заметно меньшими токами в сравнимые с схемами ТТЛ. Эти тока для микросхем общего назначения не превышают 1 ма. Для инверторов с повышенной погрузочной способностью (например, 564ЛН2, 564ПУ4) допустимый исходный ток составляет немного миллиампер.

В тех случаях, когда нужно получить сравнительно большой исходный ток, можно применить параллельное соединение нескольких каскадов. Для этой цели пригодные инверторы или логические элементы с одного корпуса, поскольку они имеют близкие характеристики. Желатель также, чтобы исходные импульсы имели большую крутизну, во избежание сквозных токов.

Рисунок 13.1

Для включения исходных устройств пригодная микросхема 564ЛН1, что содержит в одном корпусе шесть могущественных инверторов (причем с тремя состояниями). Ее исходное сопротивление имело, меньше 200 W, а исходные тока могут быть сравнительно большими, порядка 5,3 ма при U_п = 9 V.

Микросхема K176ЛП1 также может быть использована в виде инвертора повышенной исходной мощности, при параллельном включении выходов трех инверторов. На рисунке 13.2 показанное применение К176ЛП1 в роли инвертора с могущественным транзисторным выходом. Схема хорошо работает на гуменная нагрузка (реле, світлодіод) при условии соблюдения норм нагрузка. Допустимая мощность рассеяния для одного транзистора Кмоп-схем составляет 100 m, а всего корпуса – 500 m.

Рисунок 13.2

Для подключения внешней нагрузки могут быть использованные микросхемы двунаправлених ключей 564КТ3. Как показывает их название, ключи проводят ток в обе стороны практически одинаково. Каждый ключ обеспечивает коммутацию токов до 10 m при напряжении 15 V.

При необходимости получить большие значения токов в нагрузке, чем это допускается микросхемами ТТЛ и КМОП, к выходу ІС должны быть подключены те или другие транзисторные или тиристорные исходные устройства, предлагаемые ниже.

Нагрузка значительной мощности (от единиц к тысячам ватт), управляемая устройствами, построенными на интегральных схемах, может работать в основном в следующих режимах: ключевое (импульсное) управление нагрузкой, которая живлеться от сети переменного тока; ключевое управление нагрузкой в сети постоянного тока; непрерывное управление нагрузками в сетях переменного и постоянного струмів. Характер питательной сети и способ управления накладывают свои требования на выбор могущественного регулирующего элемента.

При ключевом управлении нагрузкой в сети переменного тока, когда управление сводится к включению и отключению могущественной (а значит и инерционной) нагрузка – двигателя, электромагнита, нагревателя, более всего рационально использовать тиристоры.

Промышленностью выпускаются тиристоры на максимальные тока (0,1...1000) А и на напряжения от 50 V к (2...3) k. Наиболее распространенные тиристоры проводят ток в одном направлении, утрачають управляемость после включения и для своего запирания требуют изменения знака питательного ли напряжения уменьшения тока через тиристор к величине, меньшей тока удержания. Рядом с обычными тиристорами выпускаются тиристоры симметричные, т.е способные проводить ток в обеих направлениях, и что замыкаются. Однако если они работают на могущественная инерционная нагрузка, то использования тех или других тиристоров не дает важного преимущества.

На рисунке 13.3 а) представленная распространенная схема включения тиристора Д5 в диагональ діодного городу. Здесь, чем помощь тиристора осуществляется управления двохфазним асинхронным двигателем.

Для отпирания тиристора на его управляющий электрод необходимо подать сигнал, что для большинства могущественных тиристоров составляет 5...7...…7Vпри току до 0,5 А (это входной сигнал, при котором гарантируется отпирания тиристора). Для поддержки тиристора в открытом состоянии надо или с появлением каждой полуволны питательного напряжения подавать на управляющий электрод импульс, который отпирает, или поддерживать на управляющем электроде постоянный уровень напряжения. Формирования импульсов сложнее, чем подача постоянного сигнала, но при этом можно обеспечить гальваническую развязку цепей управления от сети, используя трансформаторный ли связь связок через конденсаторы.

Рисунок 13.3

Более всего удобно для подобных схем применения оптронних тиристоров, которые разрешают использовать будь-як входные сигналы, обеспечивая надежную гальваническую развязку (рисунок 13.3 б).

После подачи сигнала, который отпирает, тиристор в такой схеме остается открытым до конца полупериода сетевого напряжения. Если от схемы нужно большее быстродействие, то следует применить тиристор, который замыкается (2У204 А, Г) ли транзистор.

Сдвигая управляющие импульсы относительно начала полупериода сетевого напряжения, можно получить плавное изменение мощности на нагрузке. Такое управление с помощью временного сдвига носит название фазового управления. Один с способов его реализации складывается в сравнимые (с помощью компаратора) двух напруг: пилообразного, у которого продолжительность импульсов и их начало совпадают с продолжительностью и началом полупериодов сетевого напряжения, и регулированного постоянного напряжения (рисунок 13.4) в момент равенства этих напруг устройство, которое сравнивает, включает формуровач импульсов управления тиристором. Этим формуровач могут быть генератор на однопереходном транзисторе, блокинг-генератор, мультивибратор и другие подобные схемы.

Для ключевого управления исполнительными устройствами в сети постоянного тока применения тиристоров, которые незамыкаются по входу, нецелесообразно из-за сложности и ненадежность схем их выключения по питанию. Номенклатура тиристоров, которые замыкаются, очень ограниченная (2У204 А, Г і 2У206 А, Г), поэтому схемы ключевого и тем более непрерывного управления для цепей постоянного тока будем строить только на транзисторах.

Рисунок 13.4

Современные транзисторы разрешают переключать напряжения до 800 V и тока к десяткам ампер, однако необходимо помнить, что в ключевых схемах транзисторы имеют конечное время переключения, на протяжении которого, если не принимать специальных мер, на них может рассеиваться недопустимо большая мощность. Такими мерами могут быть положительная обратная связь при включении и выключении транзистора (конечно, что не приводит к самовозбуждению схемы), что замыкает напряжение сдвига и т.п. Кроме того, используется режим безопасного переключения транзистора, который состоит в задержке нарастания тока коллектора во время включения, когда напряжение на нем уменьшается, в ли задержке нарастания напряжения на коллекторе во время выключения, когда ток коллектора уменьшается от максимального значения к нулю. Т.э. рабочая точка транзистора при переключении проходит не по динамической характеристике, которая отвечает сопротивлению нагрузки, а по траектории, максимально приближенной к осям координат исходных характеристик транзистора (рисунок 13.5).

Если режим работы транзистора далекий от предельного, то ключевую схему, управляемую от элементов ТТЛ, можно рассматривать как преобразователь уровня. На рисунке 15.6 представленная одна из таких схем. Это ключевая схема с комбинацией транзисторов NPN (VT1) и PNP (VT2) типов. При равные «0» на выходе управляющего элемента ТТЛ-типа транзисторы закрытые и ток через исполнительное устройство отсутствующий. При равные «1» на выходе элемента оба транзистора насыщенные и на входном сопротивлении исполнительного устройства R₅ будет напряжение E₀. Подобная схема не может обеспечить значительную мощность на нагрузке, но поскольку уровень напряжения уже превращенное, то дальнейшее увеличение мощности легко получить, подключая к выходу второго каскада емітерний повторитель на одиночном или сдвоенном транзисторе VT3, VT4.

Рисунок 13.5 Рисунок 13.6

Если погрузочное устройство, которое подключается к выходу, рассчитан на аналоговый сигнал, то конечный каскад возбуждается, как правило, с помощью ОП, и потому чаще всего возникает задача усиления сигнала по току. Для получения струмів порядка 0,4...1 А в нагрузке 4 W применяют усилители типа К157УД1, что обеспечивают при напряжении питания +15 V мощность порядка 7 W. Верхняя рабочая частота усилителя относительно невысокая. Она, по обыкновению, зависит от коэффициента масштабування К _м, но не превосходит 10...30 kHz.

Чтобы получить усиление мощности в более высоком диапазоне, ОП дополняют емітерними повторителями на комплементарной пари транзисторов, которые работают в режиме класса В. Однако в таком усилителе при переходе входного сигнала через нуль в исходном сигнале образуется «ступенька» порядка 1000 m. Для некоторых типов нагрузок подобные нелинейные перекручивания сигнала допустимые, а для других, например, для прецизионных систем автоматического управления, перекручивания сигнала крайне нежелательные. Поэтому в базовую цепь транзисторов повторителей (рисунок 15.7 а) включают диоды VД1 и VД2, что переводят транзисторы в режим, близкий к классу АВ. Тогда при отсутствии входного сигнала через транзисторов протекает начальный ток, который смещает рабочую точку. Резисторы R ₃ и R ₄ обеспечивают протекание через диоды прямого тока близко 15 m, и, значит, такой же ток может поступать от ОП у базы транзисторов. Уключивши резисторы R ₅ и R ₆, выравнивают параметры транзисторов и одновременно немного ограничивают максимальный ток через них. Максимальный ток, который отдается у нагрузки, здесь не превышает 0,2А.

Рисунок 13.7

Когда нужно увеличить мощность, которая отдается у нагрузки, то рассмотренный усилитель используют в качестве предыдущего перед более могущественными составленными емітерними повторителями.

Довольно экономическими выходят усилители, в которых сигнал на вход конечного каскада поступает из цепи питания ОП (рисунок 13.7 б) здесь транзисторы VT1 и VT2 входят в исходный каскад ОП, в основному и определяющий ток через выводы 7 и 4 усилители (имеется в виду ОП типа 140УД7). Поэтому, включив сопротивления R _см, образуют узлы для подачи сигнала в конечной каскад. Одновременно постоянный ток, потребляемый ОП, создает на сопротивлениях R _см напряжение, которое обеспечивает сдвиг на переходе база – емітер транзисторов VT3 и VT4. Обычно образуют сдвиг порядка 400…450mV,оставляя транзисторов еще запертыми (тем самым повышая КПД усилителя), но существенным образом уменьшая «ступеньку» в исходном сигнале, так как в этот же момент ток у нагрузки поступает непосредственно с ОП. Таким образом,

Например, для упомянутого ОП, что имеет ток I _оп = 2,8 ма, находим Округляя к ближайшему нормальному значению сопротивления, получим = 160 W.

Сигналы, которые поступают на конечный каскад с КОЗЕЛ, содержат высокочастотные составные через ступенчатое изменение его исходного напряжения. В некоторых случаях наличие такого препятствия может ухудшить условия работы нагрузка, а отсюда возникает необходимость в фильтрации выработанного сигнала. Поскольку нужно фильтр нижних частот, то довольно простоя реализацией его может служить конечный каскад, в цепи обратной связи которого параллельно R ₂ включенный конденсатор С (на рисунке 13.7 а не показанный). Разумеется, функция фильтрации для усилителя есть дополнительной.

Из передаточной функции такого усилителя

и значения верхней предельной частоты сигнала f _r находим считая допустимым уменьшения К _м на частоте f _r к уровню 0,707 Км.