Изучение принципов действия базовых схем полупроводниковых реле

Цель работы: Изучение принципов действия базовых схем полупроводниковых реле (ПР). Экспериментальное исследование основных статических характеристик ПР и оценка точности расчётных соотношений напряжений срабатывания и возврата.

1.  Исследование ПР на дискретных элементах.

1.1. Изучить принцип действия ПР с ОС по току. Объяснить назначение положительной ОС.

ПР с ОС по току представляет полупроводниковый усилитель, работающий в релейном режиме , т.е. имеющий скачкообразную гистерезисную передаточную характеристику. Перевод усилителя  в релейный режим работы осуществляется положительной  отрицательной связью по току. Для реализации ОС  число каскадов в усилителе должно быть не меньше двух. Оба каскада собраны по схеме общий эмиттер. В релейном усилителе силовой транзистор VT2 работает в ключевом режиме. При открывании VT1 транзистор VT2 открывается и наоборот.

Обратная связь по току осуществляется путем включения резистора обратной связи,  а общую эмиттерную цепь обоих транзисторов. При этом ток нагрузки  проходя по резистору , создает в нем падение напряжение , которое оказывается включенным последовательно с управляющим сигналом . в результате на вход усилителя подается сигнал, пропорциональный выходному току. Данная ОС положительная. При положительном приращении выходного сигнала  транзистор VT1 приоткрывается, а VT2 призакрывается, => уменьшается напряжение , которое действует встречно . Напряжение   действие выходного сигнала. Т.о., приращение входного сигнала, которое, возвращаясь на вход в виде приращения напряжения , усиливает действие входного сигнала.

1.2. Снять и объяснить характеристику управления реле при  и

Таблица 1 – Характеристика управления ПР с ОС по току при  и

	ey.в	ey.cp
in, А	0,48	0
ey, В	0,9	2,2

При e_y.= e_y.cp.  VT входит в насыщение, VT2 входит в отсечку; Iн=0. При e_y.>e_y.в.  VT2 закрыт. При e_y.= e_y.в. VT входит в отсечку; VT2 открывается. 

Рисунок 1- зависимость реле ПР с ОС по току со смещением и без него.

 1.3 Снять и объяснить физическую сущность (без применения формул) зависимости  и   ПР с ОС по току. По зависимостям определить :

Таблица 1 – зависимости  и   ПР с ОС по току

Roc, Ом	1	2	3	4	5
ey.в, В	0,8	0,85	0,9	0,9	1
ey.ср, В	1,1	1,7	2,2	2,6	3,2

     При срабатывании VT2 насыщен, открыт,  мало;   , даже, если  будет меняться.  ток управления возврата  остается неизменным.

В состоянии возврата VT2 закрыт;    При  ток  

                                                                        

             1.4 Рассчитать характеристики ,

, ,при  находим из графика зависимости , .

Находим   по формуле:

.

Из графиков и  находим и

еу.ср.пр.

eу.в.пр

eу.в.р

еу.ср.р

Рисунок 2 - Расчётные и экспериментальные зависимости  и  ПР по току

 Ом.

при , В

По полученным данным строим расчётную зависимость , смотри рисунок 2.

Находим  по формуле:

из графиков и  находим значения  и

Данные подставляем в формулу для нахождения:

при , В

Результаты расчетов и  при других сведены в таблицу 2

Таблица 2 - расчетные зависимости  и   ПР с ОС по току

По полученным данным строим расчётную зависимость , смотри рисунок 2.

 Расчетные и экспериментальные зависимости практически совпадают, что говорит о точности расчета.

1.5. Рассчитать ЭДС Е_см, при котором ПР с ОС по току () становится поляризованным с . При рассчитанной Е_см снять характеристику

,

Из формулы

Находим Е_см, где ,

находим изменения функции , ,,

Строим релейную характеристику, смотри рисунок 1.

1.6. Принцип действия ПР с ОС по напряжению.

П.ОС. осуществляется введением  между коллектором VT2 и базой VT1. При этом выходное напряжение  подается на вход усилителя.

1.7. Собрать схему ПР с ОС по напряжению.

Снять и объяснить характеристику реле при , mA, ,

Объяснение: 1) VT2 в отсечке ; участок 1 и 2 каскада соответствуют режиму отсечки VT2, смещается на величину . 2) VT2 в активной зоне. По мере приближения VT2 к насыщению  3) VT2 в насыщении

Строим график зависимости , смотри рисунок 3.

Рисунок 3 - зависимость реле ПР по напряжению и ПР с комбинированной ОС.

1.8. Снять и объяснить характер зависимостей  и   ПР с ОС

по напряжению при. По зависимостям определить

, кОм	100	120	150	200	250
, В	-4,2	-3,2	-2,2	-1,2	-0,4
, В	1,3	1,3	1,3	1,3	1,3

200

100

               

Рис. 4 Зависимость  и  ПР по напряжению.

Объяснение: ey.в=const при Rос

                       ey.cp при Rос

Когда VT2 в отсечке  - ОС максимальная. , но т.к. ey.cp – отрицательно, то ey.cp .

 на границе насыщения  ОС=0

Изменение  и   оказывает влияние лишь на значение сигнала срабатывания реле.

Значение сигнала возврата не зависит от сопротивления обратной связи. Это объясняется тем, что к моменту начала возврата выходной транзисторVT2 находится на границе насыщения U, следовательно, ток обратной связи близок к нулю.

  находим из графиков зависимостей, .

1.9. Собрать схему ПР с комбинированной ОС и . С помощью смещения и резисторов ОС выполнить реле с «замыкающим контактом» при   и  . Снять и построить на графике п.1.7. характеристику управления реле, указав значения сопротивлений резисторов ОС и ЭДС .

В результате опыта получили значения ,  сопротивления резисторов ОС по току: , по напряжению . Строим релейную характеристику, смотри рисунок 3.

2. Исследование ПР на интегральных ЛЭ.

2.1.Изучить принцип действия ПР. Объяснить назначение резисторов . На лабораторном стенде собрать схему для исследования реле.

ПР построено на базе маломощного логического элемента -триггера Шмидта. 2 элемента «Не» (ТШ) . Делитель напряжения  образует цепь ОС. В  включено  источника управляемого сигнала. На  формируется . От  зависит ey.cp и ey.в.

2.2.Рассчитать сопротивление резистора  из условия . При рассчитанном значении сопротивления резистора , снять характеристику управления  реле.

Из формулы  находим

, Ом

=156, кОм; , мА; ; .

Строим график зависимости . См. рис. 5.

Рис. 5 Зависимость  ПР на ЛЭ.

2.3. Снять и рассчитать зависимости  и  . Опытные и теоретические зависимости построить на одном графике. Объяснить характер зависимостей (без применения формул) и сделать вывод о точности расчетных соотношений.

,кОм	200	156	100	68
, В	3,6	3,8	4,2	>6
, В	2,8	2,6	2,2	<-6

Найдем значения   и  из формул:

; , где =39, кОм; =8, В.

Находим  для различных значений :

При =200, кОм,  , В

При =156, кОм,  , В

При =100, кОм,  , В

При =68, кОм,  , В

Строим график зависимости . См. рис. 6.

Находим  для различных значений :

При =200, кОм,  , В

При =156, кОм,  , В

При =100, кОм,  , В

При =68, кОм,  , В

Строим график зависимости. См. рис. 6.

Рис. 6. Расчетные и экспериментальные зависимости , на ЛЭ.

Несовпадение расчетных и экспериментальных зависимостей объясняется разбросом значений порогов срабатывания ЛЭ, погрешностью измерительных приборов.

3. Исследование ПР на ОУ.

3.1. Изучить принцип действия ПР. Каково назначение стабилитронов VD1 и VD2   (рис. 5). На лабораторном стенде собрать схему для исследования реле. Для стабилизации выходного напряжения ОУ, вне зависимости от полярности этого напряжения, а так же для обеспечения режима отсечки транзисторного ключа.

VD1 и VD2 для стабилизации  ОУ вне зависимости от полярности этого напряжения, а также для обеспечения режима отсечки ТК.

3.2. Снять и объяснить характеристику управления  реле при наличии смещения и без него.

, кОм.

Рис.7. Зависимости ПР со смещением и без него на ОУ.

Смещение характеристики объясняется подачей U смещения на инвертирующий вход ОУ

3.3 Снять и рассчитать зависимости   (см. рис.5). Опытные и теоретические зависимости построить на одном графике. Объяснить характер зависимостей и сделать вывод о точности расчётных соотношений.

Строим графики зависимости (см. рис. 7)

,кОм	2,7	4,7	6,8	10
,В	0,4	0,7	1	1,5
,В	-0,4	-0,7	-1	-1,5

Найдём значения  и  по формулам:

,

где =10 кОм, =62 кОм, =62 кОм, = +15 В, = 9.1 В

Находим  для различных =,

При  

При  

При  

При  

Строим график зависимости  (см. рис. 8)

Находим  для различных ,

При  

При  

При  

При  

Строим график зависимости , (см. рис. 8)

Рис.8. Расчётные и экспериментальные зависимости