Расчет двухкаскадного усилителя с релейным выходом

     Введение

    Усилители с релейным выходом широко применяются  электрических схемах автоматики, управления и защит. На базе таких усилителей строят схемы нуль-индикаторов мощностью срабатывания нескольких десятков микроватт схемы измерительных органов реле защиты, подключаемы к маломощным датчикам, и исполнительные элементы с выходной мощностью до нескольких киловатт.

    Релейное  действие этого усилителя проявляется  в то что при определенном изменении  величины входного сиг нала или его  знака усилитель практически  мгновенно переходит из одного устойчивого состояния в другое.

    Принципиальная  схема усилителя приведена на рис. 1. Она содержит два усилительных каскада на транзисторах VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме. В цепь кол лектора транзистора VT2 включена катушка малогабаритного электромагнитного реле KL. Усилитель питается от источника постоянного тока через параметрический стабилизатор напряжения (стабилитроны VD4, VD5, резистор R6).

    Схема работает следующим образом. При  отсутствии входного сигнала транзистор VT1 открыт и насыщен, а транзистор VT2 закрыт, реле KL обесточено. Открытое состояние транзистора обеспечивается током в цепи базы через резисторы R1 и R3 от источника коллекторного питания Е_н. Транзистор VT2 при этом находится в режиме отсечки, так как напряжение на его базе положительно относительно эмиттера и примерно равно напряжению смещения, которое задается диодом VD2.

    Появление отрицательного входного сигнала (минус  на базе транзистора VT1) не приводит к изменению состояния транзисторов усилителя. 
 
 
 
 
 

    Рис.1.Принципиальная схема двухкаскадного усилителя с релейным выходом

    При появлении положительного входного сигнала появляется входной ток, уменьшающий ток в цепи базы открытого транзистора VT1. При некотором входном токе транзистор VTI переходит из режима насыщения в усилительный режим. В усилительном режиме уменьшение тока в цепи базы приводит к уменьшению тока в цепи коллектора транзистора, что приводит к увеличению отрицательного потенциала на базе транзистора VT2 и его отпиранию.

    В момент переключения транзисторов действует положительная обратная связь (резистор R3). Отпирание транзистора VT2 приводит к уменьшению напряжения на его коллекторе, следовательно, уменьшается ток через резистор R3 и ток в цепи базы транзистора VT1. Этот процесс ускоряет запирание транзистора VT1, что в свою очередь ускоряет отпирание транзистора VT2, т. е. наступает лавинообразный процесс, приводящий к практически мгновенному насыщению транзистора VT2. Положительная обратная связь обеспечивает релейный эффект. При уменьшении или исчезновении входного тока (сигнала) транзисторы усилителя переключаются в исходное состояние. 
 
 

    При запирании транзистора VT2 на катушке реле KL, обладающей индуктивностью, наводится ЭДС самоиндукции, которая, складываясь с напряжением коллекторного питания, может привести к пробою транзистора. Для защиты от наводимых перенапряжений применяется цепочка Урз, R4. Появляющееся перенапряжение открывает диод VD3 и ток реле KL при запирании транзистора VT2 будет уменьшаться постепенно, замыкаясь через цепочку VD3, "4. Напряжение на транзисторе VT2 в этом случае увеличится только на величину падения напряжения на этой цепочке.

    Постепенное уменьшение тока в катушке KL при запирании транзистора VT2 приводит к увеличению времени возврата реле, что не всегда приемлемо. Для уменьшения времени возврата реле увеличивают сопротивление резистора R4.

    Задачей расчета является выбор элементов  схемы с учетом разброса их параметров и изменения температуры окружающей среды. При расчете не будем учитывать время переключения транзисторов, т.е. ограничимся только статическим расчетом, так как скорость переключения транзисторов значительно превышает скорость изменения входной сигнала.