DETECTO DE NIVEL - exemplu de proiectare - Presupunem ca se doreste obtinerea unui detector de nivel cu urmatoarele date de proiectare: Semnal de intrare, u i, in gama: 0 9V; Pragul de detectie al tensiunii u i, u P : V; Fereastra de histerezis u H : 1V Semnal de iesire: u o =U omin = -4[V] pentru u i < 4V si u o =U omax = 9V pentru u i >V; Sarcina la iesire, L : 2[Ω]; ezistenta de intrare r i > MΩ; ezistenta de iesire r o < 0.2Ω 1. Caracteristica de transfer in tensiune Conforma datelor de proiectare circuitul va avea o caracteristica de transfer (u o = f(u i )) de tipul celei din Fig. 1. Fig. 1 - Caracteristica de transfer care trebuie realizata de circuitul detector de nivel. O posibila schema bloc:
Fig. 2 - Schema bloc a implementarii propuse. Tinind seama de aceasta posibila impartire functionala, algoritmul de proiectare va continua cu proiectarea fiecarui bloc in parte. 2. Etajul comparator Pentru realizarea caracteristicii de histerezis se va folosi un trigger Schmitt cu reactie pozitiva de tipul celui din Fig. 3. (Pentru simplitate s-au notat in acest subcapitol: u i2 =u o1 =u i si u o2 =u i3 =u o, unde u i2 =u o1 respectiv u o2 =u i3 au semnificatiile din Fig.2). Fig. 3 - Trigger Schmitt cu reactie pozitiva. 2.1. Functionarea circuitului si relatii de proiectare Considerand u i =0 Q 1 este blocat si Q 2 este in conductie (AN). Tensiunea pe rezistenta are expresia: U = E 4 + + V BE2 (1) 1 3 4 2
Crescand tensiunea u i, Q 1 se va mentine blocat pana cand u i atinge valoarea de prag u i1 (Fig.1). Tensiunea la iesire are valoarea: u E U o = u = U + V = E i1 BE1 2 4 + + 1 3 4 Atingerea acestei tensiune declanseaza procesul de basculare pentru Q 1 si Q 2 (Q 1 in conductie forteaza blocarea lui Q 2 si invers). Dupa depasirea acestui prag starea iesirii nu se mai schimba oricat de mult am creste tensiunea u i. Tensiuna u o are valoarea U o2max = E (Q 2 este blocat). Micsorand valoarea lui u i circuitul va bascula din nou atunci cand tensiunea U 4 -U V BE : sau U 4 4 = + + E I 1 3 4 ( ) Valoarea curentului de colector pentru Q 1 este: I C1 u (2) (3) 1 C1 (4) i () Tinand seama de (4) si () rezulta: u u i2 i2 4 E u i2 = ( ) (6) + + = E 1 3 4 4 1 1 + 3 + 4 1 4 1+ ( ( + + ) ) 1 3 4 Pentru atingerea pragurilor de comutare se aleg urmatoarele valori de rezistente in clasa de toleranta E24 (%): 1 = 3 =10Ω, 4 =1KΩ, =2KΩ Daca se doreste o ajustare fina pentru valorile pragurilor, rezistentele 3, se pot inlocui cu rezistente ajustabile. OBS. Conform celor aratate mai sus, circuitul comparator este cel care da forma de histerezis a caracteristicii globale, fiind responsabil de obtinerea parametrilor de proiectare: u p, u H. (7) 3
2.2. Probleme ridicate de circuit Daca tensiunea la intrare creste foarte mult Q 1 se va satura si aceasta va conduce la marirea timpilor de comutatie ai circuitului. Tensiunea la care Q 1 intra in saturatie este determinata de ecuatia: E 1 ui ( 1+ ) Pentru acest circuit saturatia lui Q 1 va interveni pentru u i > 8V. In consecinta se va intercala in circuit un limitator * care va evita atingerea acestui prag. ezistenta 2 nu rezulta direct din calcule dar valoarea ei poate influenta saturarea lui Q 2. In locul lui 2 se poate cupla o jonctiune baza emitor care va asigura transmiterea semnalului catre etajul de iesire. ezistenta de intrare r i2 in circuitul comparator este: - foarte mare (cand Q 1 este blocat); - de ordinul β (cand Q 1 este in AN ). (8) 3. Etajul de iesire Pentru acest etaj se poate propune schema din figura 4, in care E 1 = 10V, E 2 = -V. Fig 4. Etajul de iesire 3.1. Functionarea circuitului Pentru u o2 = u o2max = E = 10V (sectiunea 1.1) Q 1 este blocat Q 2 blocat si Q 4 saturat (dimensionarea rezistentei 3 urmareste obtinerea acestei stari) Q 3 saturat si tensiunea la 4
iesire isi atinge valoarea minima: u o = E 2 + V CE3sat = U 0min = - 4V. Pentru aceasta (deoarece tensiunea de saturatie a lui Q 3 este nenula) se alege E 2 = -V. Pentru u o2 = u o2min (sectiunea 1.1) Q 1 se satureaza Q 2 saturat si Q 4 blocat Q 3 blocat si tensiunea la iesire isi atinge valoarea maxima: u o = E 1 - V CE2sat = U 0max = 9V. Pentru aceasta se alege E 1 = 10V. OBS. In sectiunea urmatoare vor fi date valori de catalog pentru tensiunile de saturatie ale tranzistoarelor Q 2,3 care justifica valorile alese pentru tensiunile de alimentare. 3.2. Dimensionarea circuitului Tranzistorul Q 2 va lucra saturat/blocat si in starea saturat va suporta un curent de 4. A ( U 0max / L ). Alegem Q 2 de tip SDT 9204 ( β=20 70, V cesatmax =1.1V la I c =4A, P max =117W, I cmax =1A) Tranzistorul Q 3 va lucra saturat/blocat si in starea saturat va suporta 2A (U 0min / L ). Alegem Q 3 de tip 2N30/10 ( β=0 70, V cesatmax =1.1V la I c =4A, P max =117W, I cmax =1A) Curentul minim necesar saturatiei lui Q 2 este I B2satmin =22mA, si va fi furnizat de catre Q 1. (curentul prin 1 nu este semnificativ, aceasta rezistenta evitand inchiderea curentului rezidual al Q 1 prin Q 2. Curentul maxim prin 1 este de circa 0.6 ma deci total nesemnificativ) Alegem tranzistorul Q 1 care va lucra saturat/blocat si in starea saturat va suporta.3 A (suficient pentru saturarea lui Q 2 ). Alegem Q 1 de tip BD 140 /2 ( β=170 300, V cesatmax =1.1V la I c =.A, P max =12.W, I cmax =1A). Atunci cand comparatorul (fig. 3) forteaza curent prin 2 vom avea prin Q 1 un curent de circa 14V/47=300mA ( 3 se va alege o rezistenta de W pentru a putea suporta curentul si tensiunea impuse de circuit). Curentul de baza in aceasta stare este pentru starea de saturatie este necesar sa fie >300/170=1.7mA. Este necesar deci ca Q 2 (in stare de conductie) din comparator sa functioneze la un curent mai mare decat aceasta valoare, conditie indeplinita. Curentul minim necesar saturatiei lui Q 3 este I B3satmin =40mA, si va fi furnizat de catre Q 4. (curentul prin nu este semnificativ, aceasta rezistenta evitand inchiderea curentului rezidual al Q 4 prin Q 3. Curentul maxim prin este de circa 0.6 ma deci total nesemnificativ) Alegem tranzistorul Q 4 care va lucra saturat/blocat si in starea saturat va suporta.1 A (suficient pentru saturarea lui Q 3 ). Alegem Q 4 de tip BD 139 /2 ( β=170 300, V cesatmax =1.1V la I c =.A, P max =12.W, I cmax =1A). Atunci cand comparatorul (fig. 3) nu forteaza curent prin 2 vom avea prin Q 4 un curent de circa 13V/68 200mA ( 4 se va alege o rezistenta de W pentru a putea suporta curentul si tensiunea impuse de circuit). Curentul de baza in aceasta stare este pentru starea de saturatie este necesar sa fie >200/170=1.2mA. Acest curent este dat de 3 si este de aproximativ (E 1-2V BE )/ 3 =2mA. Puterea disipata de toate tranzistoare este semnificativa doar in starea de saturatie. Evident cel mai incarcat tranzistor este Q 2. In cel mai de favorabil caz acest tranzistor va disipa o
putere de: P D =4.AX1.1V=4.9W. Acest tranzistor se va monta pe un radiator cu posibilitati de evacuare a unei puteri de circa 10W. (Toate celelalte tranzistoare se vor verifica in acest mod). 4. Etajul de intrare 4.1. Schema functionala a etajului de intrare Asa cum s-a aratat in subcapitolul 1.2. se doreste evitarea intrarii in saturatie a tranzistorului Q 1 din etajul comparator. Pentru a indeplini acest deziderat s-a propus intercalarea unui limitator ( vezi * in 1.2.) intre etajul de intrare si comparator. In consecinta, schema functionala a etajului de intrare (incluzind si limitatorul) este cea prezentata in Fig. : Fig. - Schema functionala a etajului de intrare. (Din nou s-a utilizat simplificarea de notatie: u o1 =u i2 =u o unde u o1 =u i2 sint tensiunile din Fig. 2.) Aceasta schema contine un amplificator repetor cu impedanta foarte mare de intrare urmat de limitatorul de tensiune. Dintre datele de proiectare, etajul de intrare este responsabil de obtinerea: - domeniului tensiunii de intrare u i (pentru exemplul considerat: 0-10V) ; - rezistentei de intrare r i ( > MΩ). Suplimentar, pentru o corecta functionare se adauga conditia de interfatare cu etajul comparator: r o1 << rezistenta de intrare in etajul comparator (r i2 ). 4.2. Proiectarea amplificatorului repetor O implementare posibila (cu dispozitive discrete) a amplificatorului repetor din Fig. este prezentata in Fig. 6. Acest circuit are o retea de reactie negativa Serie-Paralel, amplificare unitara, impedanta de intrare >MΩ, impedanta de iesire << (fig 4). Amplificatorul de baza este compus din trei etaje polarizate prin intermediul unor surse de c.c. dupa cum urmeaza: - Q 1 +Q 2 etaj diferential de intrare (polarizat de sursa de curent constant: Q 3 + 7 ); - Q 4 etaj intermediar (de castig in tensiune), EC (polarizat de Q ); - Q 6 etaj de iesire, repetor pe emitor (polarizat de sursa de curent: Q 7 + D 1,2 + ). 6
Fig. 6 - Schema electrica a amplificatorului repetor din Fig. 4. Detalii de proiectare Tranzistoarele din etajul diferential de intrare Q 1,2 vor functiona in mod simetric la un curent mai mic decat I DSS / 2 (Q 1, Q 2, Q 3 se aleg de tip BF26 cu parametri de catalog I DSS =6 10mA, V T = -1-3V, V DSmax = 30V) pentru a putea permite maximum excursiei asimetrice in curent intre tranzistoare. Suma curentilor de drena ai Q 1,2 este: I + I = I (9) D1 D2 D3 Curentul I D3 este dat de ecuatiiile: I D3 V si ID3 = IDSS3 1 V VGS3 = (10) 7 2 GS3 (11) T Presupunind pentru parametri I DSS, V T valorile tipice: I DSS = 8mA respectiv V T = -2V rezulta I D3 = 2mA. In cazurile cele mai defavorabile avem: (I DSS =6mA, V T =-3V) I D3 1.6mA (I DSS =10mA, V T =-1V) I D3 2.8mA deci intotdeuna tranzistoarele de intrare Q 1,2 vor functiona la un curent static de drena mai mic decat I DSS /2. Curentul prin Q 1 este dat de relatia: 7
I D1 V = BE4 (12) 2 Alegem Q 4 de tip BC 177 (pnp de mica putere) la care, conform curbelor de catalog, V BE = 0. 0.7V pentu I C = 10mA (la t = 2 C). Tinanad sema de toleranta lui 2 (%) putem determina: I D1min =0.8mA; I D1max =1.2mA. ezulta ca intotdeauna exista curent nenul prin Q 1. Curentul prin Q 4 I DSS (BF26, I DSS = 6 10mA) Compensarea functionarii nesimetrice a Q 1, Q 2 se va face prin 1. Alegem 1 =1KΩ (20%) deoarece in cel mai defavorabil caz ( 1min, I D3min ) se poate compensa o tensiune de 1.12V (mai mare decat diferenta (V GS1 - V GS2 ) max =0.8V. Dioda D asigura functionarea Q 1, Q 2 la aproximativ aceeasi tensiune V DS. Curentul static prin Q 6, Q 7 va fi ales suficient de mare astfel incat sa avem un β stabil pentru tranzistoare iar curentul prin circuitul de sarcina sa nu scoata din AN aceasta pereche. In acest caz particular circuitul va debita numai curenti pozitivi, si nu exista posibilitatea blocarii lui Q 6. Evaluarea I C6max : Circuitul sarcina are schema din figura 7. Fig.7 Circuitul de sarcina al repetorului de tensiune (limitatorul din fig.). Prin acest circuit curentul maxim apare atunci cand Dz se deschide si cand la iesirea amplificatorului apare u oamax = U imax = 9V (conform datelor de proiectare). ezulta i 0max = u oa max Vz Alegem Dz de tipul Dz6V8 cu urmatorii parametrii: V z =6.4 7.2; α z =mv/ 0 C; I zmin =1.mA. Aceasta dioda are in cele mai defavorabile cazuri: (-10 0 C) V z =.9V;(+0 0 C) V z =7.6V; (am presupus gama de temperaturi in care lucreaza circuitul [-10 0 C, 0 0 C]). In consecinta acest limitator va elimina posibilitatea intrarii in saturatie a primului tranzistor din circuitul comparator si nu va distorsiona semnalele cu amplitudine <.9V (altfel, daca acest circuit limiteaza la tensiuni <V valoarea tensiunii de prag mai mare - riscam sa nu mai atingem niciodata pragul de basculare). De asemenea, se poate arata ca la nici una din tensiunile de prag dioda D Z nu se deschide. 8 (13) 8
Din (13) rezulta alegand 8 =60Ω (20%) se obtin valorile limita pentru I 0max (cu dioda D Z deschisa): ( min, V zmin ) I 0max1 6.8mA; ( max, V zmax ) I 0max2 2mA ambele mai mari decat I zmin. evenind la etajul final, alegem un curent nominal I C7 10mA, curent dat de relatia: I C7 = 2V D V BE7 (14) Alegem D 3, D 4 de tip 1N4148 care la I D = 3mA au V D =0. 0.7V si Q 7 de tip BC 337 (pnp de mica putere) la care, conform curbelor de catalog, V BE = 0. 0.7V pentu I C = 10mA (la t = 2 C; I cmax =10mA; P dmax =00mW). ezulta in cele mai defavorabile cazuri (V dmax, V BE min, min ) I C7max =16mA; (V dmin, V BE max, max ) I C7min =4.4mA. In cel mai defavorabil caz tranzistorul va disipa (tensiunea V ce nu poate depasi suma tensiunilor de alimentare, deci 1V) P dmax = I C7max V cemax = 470mW. Se verifica indeplinirea conditiilor de functionare sigura pentru acest tranzistor I c <I cmax ; P d < P dmax (chiar in cazul cel mai defavorabil). Alegem Q 6 de tip BC 337. Acest tranzistor va suporta in cel mai defavorabil caz curentul generatorului Q 7 plus curentul circuitului de sarcina (cand dioda D Z se deschide), deci circa 22mA la o tensiune V CE <V deci si acest dispozitiv functioneaza in aria de securitate. 4 se alege astfel incat sa protejeze Q 6 in cazul unui scurtcircuit accidental la iesire (limitarea curentului la o valoare <10mA pentru un scurcircuit la -V) Alegem 4 = 10Ω (20%) In cel mai defavorabil caz avem I c6sc =1V/120Ω=12mA 3 se alege astfel incat sa asigure un curent nominal de 3 ma prin D 2,3. (se verifica inegalitatea I D2,3 >> I B7 ). OBSEVATII 1. Circuitul se ava analiza in c.a conform algoritmilor de analiza DCE II si se vor determina - PSF-urile complete pentru dispozitive; se verifica plasarea PSF-urilor tranzistoarelor in regimul dorit (in cele mai defavorabile cazuri de functionare); - marimile de semnal mic: i, 0, a v, A v. Se va urmari prin proiectare obtinerea unei transmisii pe bucla T>10.000. 2. Stabilizatoarele de tensiune ce vor alimenta montajul vor ingloba circuitul specializat BA723 cu tranzistoare regulatoare externe (se poate folosi schema din fig.3 pag83 a catalogului de circuite integrate analogice produs de IPS). Sursa pozitiva de tensiune se va calcula pentru un curent maxim de circa A iar cea negativa la 2.A. CONTINUTUL MINIM AL POIECTULUI 1. Schema bloc a circuitului. 2. Schema electrica de detaliu si calculele de dimensionare pentru fiecare din blocurile componente ale schemei. 9
Se vor prezenta schemele electrice (cu elementele numerotate si valorile sau tipul componentelor). Pentru fiecare componenta va fi justificata alegerea valorii (sau tipului) pe baza relatiilor de dimensionare disponibile. Componentele pasive vor avea valori STANDAD (se va preciza si tipul constructiv al componentei - de exemplu, pentru rezistoare, BC, PM, etc.). Dispozitivele semiconductoare vor fi de catalog. Pentru TOATE componentele se demonstreaza prin calcul functionarea sigura (nedistructiva). De exemplu, pentru orice tranzistor bipolar se va arata ca nu se depasesc valorile maxime admisibile: I CMAX, V CEMAX, P dmax, etc.. De asemenea se va demonstra prin calcul atingerea parametrilor functionali impusi in tema de proiectare. OPTIONAL: simularile PSPICE (fisierele.ci, forme de unda, puncte statice de functionare,...). 10