Тривалість часу, протягом якого на фотодатчик потрапляють відбиті від світлих ділянок промені набагато перевищує тривалість часу, протягом якого на фотодатчик потрапляє світло від чорних штрихів. Вхідним сигналом для ФЕП служить модульований потік світла, джерелом якого є стабілізована лампа розжарювання.

Оцінимо мінімальну тривалість імпульсу факсимільного сигналу.

Роздільна здатність при передачі сторінки А4 (210х297 мм) повинна становити не менше 4 ліній/мм. Це означає необхідність передачі сигналу від штриха шириною ½ * ¼ = 1/8 мм ~ 0,1 мм.

Швидкість розгортки апарату становить 480 рядків/хвилину, при кроці розгортки 0,2 мм/рядок. На прочитання одного рядка припадає 60/480 = 1/8 = 0,125 сек.

При довжині рядка 210 мм і ширині штриха, від якого треба отримати надійний факсимільний імпульс, мінімальна тривалість такого імпульсу становить:

      Для того щоб спектр імпульсу відповідав смузі пропускання, необхідно, щоб фронти відеоімпульсу складали не більше половини його тривалості.

      З цієї оцінки випливає вимога щодо частотної смуги ФЕП. Вона слідує із теореми Котельникова:

Функція часу з обмеженим спектром повністю визначається своїми значеннями (відліками), взятими через інтервал часу

                       (1)

       (2)

де — гранична частота спектру функції, яку треба передати без спотворень.

Прийнявши за Δt допустиму тривалість фронту відеоімпульсу, отримаємо верхнє значення граничної смуги підсилювача:

Отриманий частотний спектр факс-сигналу від Fmin= 0 Гц до Fmax = 17 кГц дозволяє застосовувати в якості фотодатчика кремнієві або германієві фотодіоди чи фототранзистори в будь-якому з режимів: фотогальванічному, чи фотодіодному.

      Питання про фото чутливість діода не є критичним при роботі в факсимільному апараті, оскільки там є достатньо потужне джерело освітлення.

Оскільки гранична частота модуляції світлового потоку, яка ще сприймається звичайними фотодіодами становить близько 100 кГц, то часові параметри фотодіода також не мають в ФЕП факсимільних апаратів суттєвого значення:

Ділянки білого паперу з текстом у вигляді темних штрихів мають фотометричне альбедо (А):

·         чисті ділянки (Аб≈0,8) дають потік відбитого світла Фб = 0,8Фпад

де Фпад — потік падаючого на папір пучка променів.

·         Зафарбовані або забруднені ділянки мають альбедо Ат = 0,1-0,5

Відповідно потік відбитого світла буде змінюватися від 0,1Фпад до 0,5Фпад

Максимальна глибина модуляції світлового потоку на вході фотодатчика

Для факсимільних апаратів даного класу не має потреби передавати на папері градації сірого кольору. Тобто вихідний сигнал матиме тільки дві градації "чорне" і "біле". Таким чином підсилювач може працювати в режимах відсічки та насичення.

На рис. 1 зображено типову часову залежність фотоелектричного сигналу, сформованого фотодатчиком.

Рис. 1. Характер фотоелектричних сигналів факсимільного апарату.

Ми маємо справу із підсиленням імпульсних сигналів, тривалість, частота повторення і амплітуда яких змінюється за статистичними (випадковими) законами.

Підсилений сигнал із ФЕП поступає в пристрій обробки і перетворення сигналу:

-          Активний опір навантаження невеликий, менше 100 ом.

-          Вхідна ємність навантаження Сн = 10пф

-          Амплітуда сигналу з ФЕП, яка потрібна на вході пристрою обробки   Uвих = Uвх (навант.) = 3В

-          Робоча смуга частот підсилювача від ~100 Гц до 17 кГц. (Для підсилення постійної складової сигналу немає потреби).

-          Напруга джерела живлення Е = 12В

-          Діапазон робочих температур від +5о С до +45о С (кімнатні умови)

Всі інші параметри, включаючи принципову електричну схему із номіналами елементів треба розрахувати.

3.1. Вибір фотоелектричного датчика і схеми його живлення. Проектування першого каскаду.

Згідно з [1], потрібно вибрати фотодіод або фототранзистор, які мають . За робочою напругою нам підходить фототранзистор ФТ-2Г. Він має:

-    Діапазон спектральної характеристики: , що перекриває 95% енергетичного спектру випромінювання ламп розжарювання;

-    Площа фоточутливого елементу становить 1 мм2;

-    Темновий струм

-    Інтегральна струмова чутливість

-    Імпульсна стала часу

Фототранзистори відрізняються від фотодіода додатковим підсиленням фотоструму на емітерному p-n переході. Фототранзистори можуть працювати як фотодіоди (режим з плаваючою базою) так і в транзисторному режимі з джерелом зміщення в колі бази.

Характеристика вибраного транзистора показана на рис.2.

Рис. 2. Вольт-амперна характеристика фототранзистора ФТ-2Г при різних освітленностях.

Його найбільша розсіювана потужність Pmax = 50 мВт, Iкmax = 10мА, Uкеmax = 30 В.

На характеристиці, згідно із довідковими даними будуємо робочу зону фототранзистора. Після цього будуємо лінію навантаження транзистора, яка має проходити через точки А (UКЕ = Ек =12 В; Ік = 0) і В (UКЕ = 0; )

Рівняння лінії навантаження ;

Для отримання більшого підсилення по напрузі слід вибрати більше значення опору навантаження Rк, а щоб отримати більше підсилення по силі струму треба навпаки, зменшувати даний опір.

Перед нами стоїть завдання отримати підсилення по напрузі, яке потрібне в пристрої обробки, тому виберемо = 2,4 к Ом. Це дозволить також охопити більший діапазон зміни освітленості.

Лінія навантаження зображена на рис. 2 відрізком прямої АВ.

Освітленість, яка падає на вхід фоточутливого елемента фототранзистора від білої ділянки паперу легко відрегулювати, наприклад, за допомогою фокусуючої лінзи.

На вибраній лінії навантаження білій ділянці зображення виберемо точку Б, яка відповідає освітленості ФБ = 1000 лк.

Тоді згідно з міркувань, викладених в п.1 (див. рис. 1), точка Т (сигнал від темної ділянки) має відповідати Фт = 1/8ФБ = 125 лк. Відповідна точка Т нанесена на лінію навантаження (див. рис. 2).

З рис. 2 визначимо амплітуду фотоелектричного сигналу за вибраного режиму:

Отже, підібравши відповідним чином освітленість в місці розташування фотодатчика (в нашому випадку це фототранзистор ФТ-2Г) і включивши його по найпростішій схемі з плаваючою базою і спільним емітером, отримано вихідний сигнал, який цілком достатній (за напругою) для нормальної роботи пристрою обробки і перетворення сигналу.

Таким чином, залишається забезпечити роботу ФЕП на низькоомному навантаженні та забезпечити двох градаційний вихідний сигнал при варіаціях освітленості, відбитих від ділянок з мало контрастним альбедо. Друга проблема вирішується застосуванням в схемі обробки і перетворення сигналу обмежувача амплітуд, який виконують, як правило на діодах.

В схемі обмежувача має бути регулювання рівня обмеження. Ця частина схеми має значно більший активний опір, ніж опір Rк, через який протікає знайдений струм (Ік)мах = 2 мА. Фактично струм в навантаження (діодний обмежувач амплітуд) може складати не більше 0,8 мА) .

Попередньо складена схема вхідного каскаду на фототранзисторі ФГ-2Г має вигляд:

Рис. 3. Схема вхідного каскаду на фототранзисторі ФГ-2Г

Схема працює як ключ, що спрацьовує при перевищенні критичного значення освітленості.

Зворотній тепловий струм колекторного n-p переходу неосвітленого транзистора ФТ-2Г ІКзвор може досягати 2 мкА. Якщо при роботі ФТ-2Г в режимі з плаваючою базою (схема якого зображена на рис. 3) потенціал бази наблизиться до потенціалу колектора або почне мінятися, то зворотній тепловий струм підсилюється:

Якщо коефіцієнт передачі транзистора складає

,

то при , , а це вже майже відповідає рівню фотоструму. Відповідно в h21e = 30-150 разів збільшується температурна і часова нестабільність Ік фототранзистора.

Для усунення цього небажаного явища треба застабілізувати положення робочої точки (т. Б на рис. 2), зафіксувавши напругу на базі.

Стабілізація транзистора, увімкнутого в схемі з спільним емітером досягається включенням резистора RБ в коло бази (див. рис. 4).

Рис.4. Резистор RБ включено в коло бази.

Для визначення необхідного номіналу резистора RБ звернемося до сімейства вхідних характеристик транзистора ФТ-2Г:

 та

Рис. 5. Вхідні характеристики транзистора ФТ-2Г.

Крива 1 відповідає випадку відсутності освітлення  при ;

Крива 2  —  при (точка Т)

Крива 3  — при (точка Б)

На рис. 5 лінія 4 є графіком  при Ф=0. Із вимоги Іф >>ІКБ звор отримаємо критерій для вибору RБ. Лінія статичного навантаження емітерного переходу:

Хорошої стабілізації можна досягнути за умов

Іф >>ІКБ звор та ІКБ звор·RБ <<  

Тому взявши , можна переконатися, що дані умови виконуються.

Справді,  (див. рис.5)

Знайденому значенню RБ відповідає лінія статичного навантаження ОБ, яка нанесена на графік (рис. 5).

Отже RБ = 200ом.

При підвищенному опроміненню фототранзистора, його робоча точка переходить в точку Б, напруга на базі підвищується до  і частина фотоструму надходить в коло з резистором RБ.

Для вхідного каскаду на фототранзисторі ФТ-2Г, який працює в якості підсилювача, а не ключа, як показано на схемах (рис. 3 і рис.4) бажано обмежувати емітерний струм включивши в коло емітера резистор Re. В цьому, більш прийнятному випадку схема вхідного каскаду набуває виду:

Рис. 6. Схема вхідного каскаду.

При цьому до попередніх розрахунків треба внести корективи. Схема на рис. 6 забезпечує відсутність підсилення постійної складової факсимільного сигналу, яка визначається фотоелектричним сигналом від білого паперу оригіналу. Змінюючи за допомогою змінного резистора стабілізований потенціал бази, ми отримаємо можливість регулювати чутливість каскаду на фототранзисторі.

Конденсатор С1 є роздільний. Його опір постійному струму нескінченний, а опір змінному сигналу (>100Гц) відносно малий.

В схемі, що на рис. 6, робоча точка вже задана (т. Б на рис. 2)

Враховуючи, що струм колектора Ік =Іе + ІБІе (струмом бази можна знехтувати)

З рівняння Uке=Ек - ІкRк -ІеRe Ек - Iк(Rк+Re)

Звідки

Взявши = 2 кОм, отримаємо

Напруга на емітері

Потенціал відносно землі , де UБЕ = 0,25В (див. рис. 5)

Отже UБ = 1,2В + 0,25В = 1,45В

Далі за співвідношенням

Для хорошої стабілізації фототранзистора необхідне виконання умови

Отже R1 = 7,3R2, і з попередньої нерівності знаходимо

Вибираємо R2 = 500 ом, R1 = 4,0 кОм

Вибравши замість постійного резистора R2 = 500 ом, змінний резистор з діапазоном зміни опору від 100 до 1000 ом, отримаємо можливість регулювати положення робочої точки фототранзистора, а відповідно, і його чутливість.

Для того, щоб зменшити падіння змінної напруги не резисторі Re, він шунтується конденсатором великої ємності Се = 4,7 мкФ, який “прозорий” для змінної напруги “звукової” частоти, тобто повинна виконуватися умова:

Вже на частоті 10 Гц ця умова виконується:

;

Для роздільного конденсатора С1 повинна виконуватися умова  на частотах близьких до Fmax. Звідси С1 = 0,056 мкФ при Rн = 0,6 кОм.

Всі номінали розрахованих елементів схеми вхідного каналу ФЕП на фототранзисторі показано на рис.6. Це буде остаточна схема каскаду.

3.2. Проектування підсилювального каскаду ФЕП

Як було сказано в п.2, вихідні параметри 1-го каскаду на фототранзистор і цілком задовільні для роботи пристрою обробки сигналу, яким може бути, наприклад, обмежувач амплітуд.

Однак, то був випадок оптимально розрахованої оптичної системи ФЕП з оптимально підібраними значеннями освітленостей достатньо контрастної картини.

Якщо ця умова не буде виконана, то амплітуда вихідного сигналу буде значно меншою.

Нехай фототранзистор ФТ-2Г працює при освітленостях менше 100 люкс (див. рис. 2). В цьому разі при попередньо розрахованій характеристиці навантаження (лінії АВ), амплітудні значення напруги  зменшуються до сотих – десятих долей вольта (ділянка між точками Т і К на лінії АВ, див. рис. 2). Відповідні зміни  становлять близько 0,1 мА, тому без додаткового підсилення сигналу вже не обійтися.

Необхідний коефіцієнт підсилення по напрузі такого підсилювача має становити Ku = 10 ÷ 20.

Підсилювач має підсилювати імпульси з мінімальною тривалістю 10-4 сек (див. п.1). Тобто підсилювальний каскад мало відрізняється від типових підсилювачів низької частоти. Таким чином, вже не можна проводити вибір транзисторів по граничній частоті . В нашому випадку підійде будь-який достатньо потужний транзистор, здатний працювати на низьких або середніх частотах.

З умови Ku = 10 ÷ 20 ясно, що слід обмежитися одним каскадом, тобто n=1.

Виберемо кремнієвий n-p-n транзистор середньої частоти П308 (див. рис. 7).

Його параметри:

30 ÷ 90 (Іе = 10 мА, Uke = 10В, t = 200C, на низькій частоті)

На рис. 7Б будуємо робочу зону транзистора.

Орієнтовно задамо опір резистора Rk в колі колектора (RkRн ) Rk = 1 кОм і будуємо відповідну лінію навантаження  (лінія MN на рис. 7Б).

Виберемо режим спокою транзистора (імпульси не надходять на вхід каскаду).

На вхідній та вихідній характеристиках він позначений буквою С.

Таким чином:

На рис. 7а нанесено, як приклад, вид вхідного сигналу —імпульс напруги UБЕ.

На рис. 7а нанесена також лінійна ділянка лінії навантаження підсилювача.

Схема підсилювача матиме такий вигляд:

Рис. 8. Схема підсилювача.

Лінійна ділянка лінії навантаження обмежена зверху точкою Д:

За вибраного режиму при  [] імпульси, які підсилені в каскаді, досягають режиму насичення.

Якщо  , то підсилювач працюватиме в лінійному режимі, коли амплітуда вхідних сигналів пропорційна амплітуді вихідних.

Визначимо опір резисторів, що визначають режим спокою другого каскаду (на Т2).

Враховуючи, що Rк = 1кОм, розрахуємо:

Струм подільника повинен бути  в 10 разів більшим за  

Тоді

                    ;

Отже ;

      ;

Коефіцієнт підсилення по напрузі 2-го каскаду (в лінійному режимі):

;

Якщо взяти середнє значення ,   , то

,

що цілком задовольняє поставлену задачу.

Коефіцієнт підсилення по струму 2-го каскаду в лінійному режимі визначимо графоаналітичним способом (див. рис. 7).

Визначимо вхідний опір каскаду:

Номінал шунтуючого конденсатора  вибирається з тих же міркувань, які були викладені в п.2.

Номінал роздільного конденсатора  вибирається з тих же міркувань, які були викладені в п.2.

Всі номінали обох каскадів, 1-го прийомного і 2-го підсилювального показано на принциповій електричній схемі:

           Рис. 9. Принципова схема.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5