Курсовая работа: Формирователь импульса тока для запуска лазера

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_{ОУ max} – Uвх_{ОУ max} – 1.4)/I_{б 2} ;

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_{VT 3} = Uвых_{ОУмах,нас} / (R3 + 20 Ом);

Iкэ_{VT 3} =75 мА.

20 Ом – сопротивление перехода коллектор-эммитер в режиме насыщения для маломощных транзисторов.

Найдем основные параметры транзистора VT3. Максимальная потребляемая мощность:

P_VT3 = Iкэ_VT3 ² *R3 = 141 мВт.

Выбираем транзистор с мощностью порядка 200 мВт. Максимальное падение коллектор-эммитер – порядка 15..17 В.

По условию задания, запуск таймера происходит от ТТЛ-микросхемы.

Целесообразно выбрать напряжение его питания порядка 5 В, а также сделать выходное напряжение единицы порядка 2.4 – 3.0 В. (приблизить выходные значения ко входным). Чтобы ввести транзистор VT1 в состояние насыщения, достаточно на его базу подать ток, при котором он уже не сможет работать в активном режиме, пропуская ток коллектора в b_I раз больший. Для значения коэффициента усиления порядка 200..250 нам достаточен ток в 0.3-0.4 мА. По этим соображениям подбираем номинал резистора R4:

R4 = 6..7 кОм;

На выходе таймера нам потребуется инвертор, поскольку схема запускается по низкому уровню сигнала. Целесообразно для этой цели также использовать ТТЛ-микросхему (U¹ _min = 2.4 В, I¹ _max = 0.4 мА)

Теперь рассмотрим устройство и схему подключения таймера 555:

2.2. Эскизный расчет схемы с таймером

Чтобы сформировать требуемую длительность импульса, следует подобрать параметры Rt и Ct в схеме с таймером (см. рис. 1.1). В момент запуска таймера триггер переходит в состояние логической единицы. В результате чего, транзистор начинает работать в режиме отсечки, его переход коллектор-эммитер повышается до нескольких мОм. Считаем, что у нас в этом месте разрыв и рассматриваем простую RC-цепь, конденсатор которой должен зарядиться до напряжения 2/3*E_п2 .

Выведем соотношения для этого случая:

Uct = E_{п 2} *(1-exp(t/RtCt));