Фотореле на триггере Шмитта

миниатюра поста

Триггер шмитта - это устройство с двумя устойчивыми состояниями и гистерезисом. Может быть реализован на транзисторах, логических инверторах или на операционном усилителе. Рассмотрим схему триггера шмитта с эмиттерной связью на двух транзисторах:

триггер Шмитта расчет

Для нахождения сопротивлений резисторов выполним расчет триггера Шмитта. Для начала нужно выбрать напряжение питания E и первый пороговый уровень триггера U1. Пусть E=12В, U1=5В.

Выбираем транзисторы и смотрим их характеристики. Для расчета понадобятся:

  • Iсmax - максимальный ток коллектора
  • hfe - коэффициент передачи тока
  • Icbo - обратный ток коллектора

Я взял транзисторы C1815GR с током коллектора 150мА, коэффициентом передачи не менее 200 и обратным током коллектора 0,1мкА.

1. Находим сопротивление резистора Rс2:

Rс2 = (E - U1) / (0.7 * Icmax) = (12 - 5) / (0,7 * 0,15) = 67 Ом

Это минимальное сопротивление этого резистора, его нужно выбрать больше, в зависимости от желаемого тока нагрузки. Я буду ставить в коллекторную цепь светодиод, поэтому возьму сопротивление этого резистора в 1кОм.

2. Находим сопротивление резистора Re:

Re = (Rc2 * U1 * ( hfe / (hfe +1) ) / (E - U1) = (1000 * 5 * ( 200 / (200 +1) ) / (12 - 5) = 711 Ом

Возьмем ближайшее значение 680 Ом.

3. Выбираем второй пороговый уровень.

Второй пороговый уровень определяется резистором Rc1, если его взять таким же как Rc2, то второй уровень будет почти таким же как и первый. То есть гистерезис будет минимальным. Если Rc1 будет меньше Rc2, схема потеряет триггерный эффект. Чем больше Rc1 по сравнению с Rc2 тем шире петля гистерезиса. Возьмем резистор Rc1 на 2кОм и рассчитаем второй пороговый уровень:

U2 = (E * Re) / (Rc1 + Re) = (12 * 680) / (2000 + 680) = 3,044В

Первый пороговый уровень мы выбрали в 5В, проверим его по формуле:

U1 = (E * Re) / (Rc2 + Re) = (12 * 680) / (1000 + 680) = 4,857В

Получилось чуть меньше, потому что эмиттерный резистор взяли 680Ом вместо расчетных 711ти.

4. Найдем номинал базового резистора Rb.

Rb < U2 / Icbo < 3,044 / 0,0000001 < 30440000Ом < 30Мом

Для транзистора С1815 обратный ток коллектора Icbo указан для температуры 25 градусов. При повышении температуры на каждые 10 градусов Icbo увеличивается в 2-2,5 раза. Найти обратный ток коллектора при температуре T можно по формуле:

Icbo = Icbo * 2(T - 25) / 10

Возмем максимальную рабочую температуру транзистора из даташита 125 градусов и посчитаем каким будет обратный ток коллектора:

Icbo = Icbo * 2(125 - 25) / 10 = 0,000002 = 2мкА

Теперь пересчитаем резистор Rb:

Rb < U2 / Icbo < 3,044 / 0,000002 < 1,52 МОм

Я взял резистор на 670кОм. Если обратный ток коллектора достаточно мал и в расчете получаются значения более 1МОм, этот резистор можно не ставить.

5. Найдем резистор Rcb

Этот резистор расчитывается по достаточно сложной формуле:

формула рассчета базового резистора

Сильнее всего он зависит от hfe, поэтому формулу можно упростить:

Rcb = hfe * Rc2 - Rc1 = 200 * 1000 - 2000 = 198000 Ом

Получилось 198кОм, а если считать по большой формуле 195кОм. Разница не столь велика и можно считать по упрощенной формуле.

6. Находим резисторы делителя Rd1, Rd2:

Сначала найдем начальное напряжение смещения Q1:

Un = U2 + (U1 - U2) / 2 = 3,044 + (4,857 - 3,044) / 2 = 3,95В

Найдем ток в цепи делителя Rd1, Rd2:

Id = Icmax / hfe = 0,15 / 200 = 0,00075 = 0,75мА

Rd2 = Un / Id = 3,95 / 0,00075 = 5267 Ом

Rd1 = E / Id - Rd2 = 12 / 0,00075 - 5267 = 10733 Ом

В верхнее плечо делителя поставим резистор 11кОм, а в нижнее переменный резистор 22кОм. Подсоединив вольтметр к средней точке делителя и вращая ручку переменного резистора можно проверить пороги срабатывания триггера. У меня верхний порог получился 4,93В вместо расчетных 4,85 а нижний 3,54В вместо расчетных 3,04В. Без резистора Rcb оба порога выросли на 250мВ.

На основе триггера Шмитта можно собрать фотореле. Вот его схема:

схема фотореле на триггере Шмитта

Резистор R1 ограничивает коллекторный ток Q2. Делитель R2, R3 определяет напряжение, которое подается на вход триггера. Резистором R3 устанавливается уровень освещенности, при котором реле срабатывает. При малом сопротивлении R3 реле срабатывает уже при незначительном затенении, а при высоком практически в полной темноте: достаточно в другом конце комнаты зажечь спичку чтобы реле выключилось.

Резистор R4 отвечает за нижний порог(U2) срабатывания и тем самым определяет ширину петли гистерезиса. Чем больше его сопротивление, тем ниже порог U2 и шире гистерезис.

R5 ограничивает базовый ток Q4. R6 нужен для более надежного запирания Q4. Транзистор может приоткрываться обратным током коллектора, что вызывает едва заметное свечение светодиода. Этот обратный ток коллектора нужно отвести от базы. Вот для этого и служит резистор R6, хотя можно его и не ставить, если обратный ток коллектора достаточно мал.

R7 ограничивает ток через светодиод, а от резистора R8 зависят оба порога переключения триггера и ширина петли гистерезиса.

Транзисторы Q1 и Q2 можно заменить одним транзистором Дарлингтона, например bc517. А еще лучше поставить готовый фототранзистор.

Дата публикацииFri, 27 Aug 2021 10:28:13 GMT Просмотры72
Реклама
Похожие материалы