close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
Домашнее задание №3
Дисциплина “Электронная техника”
«РАСЧЕТ МАЛОМОЩНОГО ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНОГО
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ»
Задание:
 По заданным параметрам рассчитать параметрический стабилизатор
напряжения.
 Выполнить графический расчет стабилизатора (на мм бумаге). Сравнить с
аналитическим расчетом, сделать вывод. Рассчитать коэффициент
стабилизации: (рассчитать и выбрать из справочника стабилитрон, рассчитать
и выбрать резистор балластный). Определить, как изменится напряжение на
выходе, при изменении напряжения на входе стабилизатора.
 Рассчитать емкостной фильтр: рассчитать емкость конденсатора и выбрать
конденсатор из справочника (конденсаторы общего назначения). Рассчитать
коэффициент сглаживания фильтра.
 Рассчитать и выбрать из справочника выпрямительный диод.
 Составить спецификацию элементов схемы. Начертить электрическую
принципиальную схему разработанного ИВЭ. (элементы вычерчивать по
ГОСТ)
 Смоделировать и отладить полученную схему в программе MULTISIM9
(Electronics Work Bench) и проверить правильность работы схемы
(представить в отчете осциллограммы входного и выходного напряжения).
Источник Вторичного Электропитания
Рассмотрим структурную схему устройства ИВЭ.
Рис.1. структурная схема ИВЭ.
U02
На входе трансформатор изменяет переменное
напряжение Uс до требуемого
значения U2, то есть согласует входное напряжение с нагрузкой и осуществляет
электрическую развязку источника выпрямительного напряжения и нагрузочного
устройства.
После трансформатора стоит вентильная диодная группа (1 или несколько
вентилей), где U2 преобразуется в пульсирующее напряжение Uп2. Количество
вентилей зависит от схемы выпрямителя.
В выпрямительном напряжении Uп2 помимо постоянной составляющей
присутствует переменная, которая с помощью сглаживающего фильтра Сф
снижается до требуемого уровня Uф2 и имеет очень маленькие пульсации.
Стабилизатор поддерживает неизменным Uн в нагрузочном устройстве Rн.
В зависимости от условий работы некоторые блоки могут отсутствовать
(трансформатор или стабилизатор).
Выпрямители
Электронное устройство - предназначенное для преобразования
переменного напряжения в постоянное, требуемого значения.
Классификация выпрямителей
1. Неуправляемые, управляемые.
2. По числу фаз питающего напряжения:
однофазные
трехфазные
3. По форме выпрямленного напряжения:
Двухполупериодные: мостовой, от средней точки трансформатора.
Однополупериодные
Однофазные выпрямительные устройства применяются для питания
потребителей постоянного тока мощностью от 1Вт до 1кВт.
Для выпрямления однофазного переменного напряжения применяются два типа
выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный.
Однополупериодный выпрямитель
Считается, что трансформатор и выпрямительный диод - идеальны, то есть у
трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, у диода Rпр =0 и Rобр
=∞.
Рис.2. Схема однополупериодного выпрямителя
ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
временные диаграммы однополупериодного выпрямителя
Рассмотрим временные диаграммы однополупериодного выпрямителя в
интервал времени 0-T/2 диод открыт φА > φВ, в нагрузке течет ток iн .
Когда T/2-T диод закрыт φА < φВ, к диоду приложено U2m.
Рис.3 Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя
Ток и напряжение в нагрузке имеют пульсирующий характер и как следствие
значительно отличаются от постоянных составляющих.
Основные электрические параметры выпрямителя
Диод в выпрямителях является основным элементом и во многом определяют
основные показатели выпрямителей.
1. Uнср и Iнср – средние значения выпрямленных напряжения и тока в
нагрузочном устройстве
2. мощность нагрузочного устройства Pнср=Uнср·Iнср
3. амплитуда основной гармоники Uоснг
4. коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения p 
U оснт
U нср
5. КПД выпрямителя
6. Обратное максимально напряжение на запертом диоде Uобрmax
В однополупериодном выпрямителе теряется больше половины входного
напряжения !
U нср

1
2


0
2U 2 sin  tdt 
2U 2

 0 , 45 U 2
U2 
I нср

 U нср
2
2U 2
 Rн
 2 , 22 U нср
;
 I прдиода средневыпрямленный ток равен току через диод
Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сетевого
напряжения
fп=fосн
Выпрямленное напряжение имеет несинусоидальную форму сигнала, поэтому
может быть разложено в ряд Фурье:
U н  U нср (1 

cos  t 
2
2
cos 2  t 
3
2
cos 3 t  ...)
15
Так как частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети, то
при расчете коэффициента пульсаций берут напряжение основной первой
гармоники:
p 
U оснт
U нср

U нср

2    1,57
U нср
2
;
p=1,57 - очень большой коэффициент пульсаций – это является недостатком
схемы.
Обратное максимальное напряжение на запертом диоде равно амплитуде
входного напряжения: Uобрmax=
2U 2
При выборе выпрямительных диодов используются максимально
допустимые параметры: ток прямой максимально допустимый и напряжение
обратное максимально допустимое: Iпрmax , Uобрmax .
Диод в выпрямителях является основным элементом, и его параметры во
многом определяют основные параметры выпрямителей.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
Рис.4 Двухполупериодный мостовой выпрямитель.
ПРИНЦИП РАБОТЫ МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Мостовая схема диодов, подключена к вторичной обмотке трансформатора
Каждая пара диодов работает поочередно D1D3 и D2D4:
В 0-T/2 открыты D1D3, закрыты D2D4 в нагрузке течет ток Iн;
В T/2-T закрыты D1D3, открыты D2D4 в нагрузке течет ток Iн;
Частота пульсаций выпрямленного напряжения f п=2fс= 100Гц.
Рис.5. Временные диаграммы мостового выпрямителя.
Основные параметры мостового выпрямителя
Средне выпрямленное напряжение- U нср 
I нср

2 2U 2
I
 Rн
диода

1
2
I
2U 2 m


2 2U 2

 0 ,9U 2
нср
Разложив напряжение в ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента
пульсаций:
U н  U нср (1 
2
cos 2  t 
3
2
cos 3 t  ...)
15
Амплитуда основной второй гармоники частотой 2ω, т.е. равна: fп=2fс
2
U оснг  U нср  cos 2 t , следовательно коэффициент пульсаций будет равен:
3
p
U осн
U нср

U нср
2
3  0 , 67
U нср
Максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов имеет
такое значение, что и в однополупериодном выпрямителе:
U2m=
2U 2 ;
Uобрmax=π·Uнср; Uобрmax= 2U 2
Основной недостаток – это большое количество диодов.
В настоящее время выпускаются полупроводниковые выпрямительные блоки
по мостовой схеме (КЦ 402, КЦ 403 и др.)
СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ
На выходе выпрямителя получается пульсирующее постоянное напряжение. Для
многих электронных устройств коэффициент пульсации питающего напряжения не
должна превышать р = 10-2 – 10-5. Поэтому для уменьшения пульсации
применяются сглаживающие фильтры.
Фильтры выполняются обычно на реактивных элементах: конденсаторах и
дросселях. Здесь используются реактивные свойства этих элементов: при
последовательном включении – дроссель имеет большое сопротивление
переменному току; при параллельном включении – конденсатор имеет малое
сопротивление переменному току. Особенностью фильтров является то, что емкость
фильтра лучше сглаживает пульсации при малых токах нагрузки, а индуктивный,
наоборот, при больших токах.
В маломощных ИВЭ используются емкостные фильтры. Конденсатор
подключается параллельно сопротивлению нагрузки.
Рис 6. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром
Принцип сглаживания сводится к следующему (см. временные диаграммы
напряжения однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром; рис. 7): в
первый полупериод (0 – Т/2), когда потенциал точки А выше потенциала точки В,
диод – открыт и конденсатор заряжается через низкое внутреннее сопротивление
диода до U2 max. Когда потенциал точки А ниже напряжения на конденсаторе, во
второй полупериод (Т/2 – Т) – диод закрыт и конденсатор разряжается через
нагрузочный резистор Rн, до тех пор пока потенциал точки А не окажется выше
напряжения на конденсаторе.
Рис 7. Временные диаграммы напряжения однополупериодного выпрямителя с
емкостным фильтром
Напряжение на запертом диоде будет определяться по второму закону Кирхгофа:
Uобр max = Uc + U2 max
причем конденсатор заряжается до значения U2 max, значит:
для однополупериодного выпрямителя:
Uобр max = 2∙ U2 max = 2√2 U2
для двухполупериодного выпрямителя:
Uобр max = U2 max = √2 U2
Пульсации выпрямленного напряжения имеют двойную частоту.
Средневыпрямленное напряжение выпрямителя с фильтром определяется по
формуле
U
нср

2 U2
1 p
Рис 8. Схема мостового выпрямителя с емкостным фильтром.
Рис. 8. Временные диаграммы выпрямителя с емкостным фильтром
Из анализа временных диаграмм видно, что с изменением емкости конденсатора
Сф будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного
напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут
пульсации в выпрямленном токе Iн. Разряд конденсатора Сф определяется
постоянной времени разрядки
τ = Сф∙ Rн
При постоянной времени τ
идет
практически
>>5∙Т, разряд конденсатора через сопротивление Rн
по
линейному
закону.
Коэффициент пульсаций рассчитывается тогда по формулам:
для однополупериодной схемы:
p
1
2 f c

1
2 f c RC
где: fc – частота сетевого напряжения ;
для двухполупериодной схемы:
p
1
4 f c

1
4 f c RC
где: fc – частота сетевого напряжения.
Для выбора конденсатора необходимо рассчитать его емкость и рабочее
напряжение. Емкость фильтра, в случае малых пульсаций, определяется по
формуле:
для однополупериодного выпрямителя
С 
ф
1
2 f с  p  R общ
для двухполупериодного выпрямителя
С 
ф
1
4 f с  p  R общ
Рабочее напряжение конденсатора рассчитывается с 30% запасом и равно:
Uраб ≥ 1,3∙U2max
Если расчетная емкость больше, чем емкость фильтра, выбранная по
справочнику, то допускается подключение нескольких конденсаторов параллельно
нагрузке.
Стабилитрон
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на
котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от
тока в заданном его диапазоне, и который предназначен для стабилизации уровня
напряжения в схеме.
Реальная ВАХ стабилитрона:
ВАХ стабилитрона идеальная:
Основные параметры:
1) Uст (напряжение стабилизации при заданном токе)
2)
Динамическое сопротивление
Rдиф=ΔUст/ΔIст = 0.5 – 200 Ом (определяемое относительным приращением Uст на
стабилитроне к вызывающему его малому приращению тока)
Чем меньше Rдиф, тем лучше осуществляется стабилизация.
3) Iст min ток стабилизации минимальный
4) Iст max ток стабилизации максимальный
5) Максимальный ток определяется отношением максимально допустимой
мощности к Uст
Imax≈Pmax/Uст
В качестве стабилитронов применяют кремниевые диоды, обладающие большой
устойчивостью к тепловому пробою.
Кремниевые стабилитроны используются для стабилизации напряжений источников
питания, а также для фиксации уровней U(I) в различных схемах, в автоматических
потенциометрах.
Стабилитрон в схему стабилизации обычно включают так, чтобы p-n-переход был
смещен в обратном направлении.
Параметрический стабилизатор
Схема параметрического стабилизатора напряжений состоит из балластного
резистора Rбал (для ограничения тока через стабилитрон), и стабилитрона,
подключенного параллельно нагрузке, выполняющий основную функцию
стабилизации.
Рис. 10. Схема параметрического стабилизатора напряжения
Основные соотношения токов и напряжений в стабилизаторе определяются
первым и вторым законами Кирхгофа:
 I 2  I н  I ст

U 2  I 2 R бал  U н
U  U
ст
 н
(1)
Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать стабилитрон и выбрать
величину Rбал, тогда из системы уравнений (1) получаем формулу для расчета Rбал:
R бал 
U 2 m in  U н
I ст .m in  I н
Стабилитрон выбирается по справочнику, по двум параметрам:
1. Iст max, который не должен превышать максимально допустимый ток через
стабилитрон;
2. Uст напряжение стабилизации, которое определяется напряжением на
нагрузочном устройстве.
Основными параметрами стабилизатора являются:
1. Коэффициент стабилизации, равный отношению приращений входного и
выходного напряжений. Коэффициент стабилизации характеризует качество
работы стабилизатора.
 U вх
K 
ст
U
U
вх
U
вых
вых
2. Выходное (внутреннее) сопротивление стабилизатора
Для нахождения Кст и Rвых рассматривается схема замещения стабилизатора для
приращений. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его
сопротивление переменному току Rдиф является параметром стабилизатора.
Рис. 12. Схема замещения стабилизатора
Дифференциальное сопротивление Rдиф определяется
R
диф

U
I
ст
ст
Для схемы замещения получаем, коэффициент стабилизации определяется:
С учетом, что Rн>>Rдиф и Rбал>>Rдиф, формула определения коэффициента
стабилизации будет выглядеть так:
К ст 
U н  R бал
U 2  R диф
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения
Кст =
5 - 50
Другой параметр стабилизатора Rвых, согласно теореме об эквивалентном
генераторе (U2 = 0)
R вы х 
R диф  R бал
R диф  R бал

R диф  R бал
R бал
 R диф
т.к. Rбал>>Rдиф, то R диф  R бал  R бал
Для получения повышения стабилизированного напряжения применяют
последовательное
включение
стабилитронов.
Параллельное
включение
стабилитронов не допускается. С целью увеличения коэффициента стабилизации
возможно каскадное включение нескольких параметрических стабилизаторов
напряжения.
ПРИМЕР РАСЧЕТА
Дано:
fc = 50 Гц – частота сетевого напряжения;
p < 0,19 – коэффициент пульсации после сглаживающего фильтра;
ΔU1 = ΔU2 = 7 В – разброс напряжения на входе выпрямителя (колебания питающего
напряжения)
Uн = 22 В
Iн = 20 мА
Рис.1 Принципиальная схема ИВЭ
Цель расчета: при заданных параметрах обеспечить стабилизацию напряжения на
нагрузочном устройстве.
РЕШЕНИЕ
Из практики известно, что напряжение U2 = (1.5÷2)∙Uн. Следовательно,
можем найти напряжение на входе стабилизатора:
U2 = 2∙Uн = 2∙22 = 44 В
Так как напряжение подается не постоянное, то находим U2min и U2max по
формулам:
U2min = U2-ΔU2-pΔU2 = 44 – 7 – 0,19∙7 = 35,67 В
U2max = U2+ΔU2+pΔU2 = 44 + 7 + 0,19∙7 = 52,33 В
Рис. 2 Схема параметрического стабилизатора напряжения.
Для ограничения тока через стабилитрон ставим Rбал. Составим систему
уравнений Кирхгофа:
 I 2  I ст  I н

U н  U ст
U  I R  U
2 бал
н
 2
- по I закону Кирхгофа
(1)
- по II закону Кирхгофа, для контура 2
- по II закону Кирхгофа, для контура 1
Для определения Rбал мы должны знать Iст min, I ст min ≤ (10-15)%* Iн
Iстmin≤0.01*20 мA=2мA.
Стабилитроны имеют номиналы токов I ст min : 0.1, 0.25, 0.5, 1, 3, 5, 10 мА,
поэтому выбираем
I ст min=1 мА
Рассчитываем балластное сопротивление
R
R

бал

бал ан
U
I
 U ст
 Iн
ст min
2 min
35 , 67  22
0 . 001  0 . 02
 651 Ом
Для выбора стабилитрона необходимо знать два основных параметра:
напряжение стабилизации Uст и
максимальный ток стабилизации – Iст.max:
Uст = Uн = 22 В
I
ст max

U
2 max
R
 Uн
 Iн 
52 ,33  22
 0 . 02  0 . 026 А
651
бал
Ток предельно допустимый выбирается с запасом:
1
I
ст max
 1,3  I ст max
где 1,3 – коэффициент запаса
1
I
ст max
 1,3  I ст max  33 мА
Выбираем стабилитрон типа 2С522А и выписываем параметры этого
стабилитрона:
Icт.min = 1 мА
Icт.max = 37 мА
Uст.min = 19,8 В
Uст = 22 В
Uст.max = 24,2 В
Rдиф = 25 Ом
Определим номинальное значение тока стабилизации Iст, которое соответствует
Uст
Uст = Ucт.р.т., то I ст 
I
ст max
 I ст min
37  1

 19 мА
2
2
ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА СТАБИЛИЗАТОРА
Алгоритм расчета:
1). Стоим ВАХ стабилитрона.
Для этого отмечаем характерные точки стабилитрона:
А – (Uст.min; Icт.min);
B – (Uст.max; Icт.max).
(Если используются 2 стабилитрона или более, то строим суммарную ВАХ двух
или более стабилитронов).
2) Строим ВАХ Rн, так как Rн соединен со стабилитроном параллельно, то ВАХ Rн
будет иметь вид прямой проходящей из 0 и точки (Uн; Iн).
3) Теперь строим суммарную ВАХ (стабилитрон + Rн)
4) Построим «опрокинутую» ВАХ Rбал, ВАХ строится по точкам из уравнения:
U2min=Uстmin + I2Rбал
- первая точка хх: I2=0, т.е. Uст=U2мин
- вторая точка АI
проведем прямую через точки U2min и точку АI суммарной ВАХ до пересечения с
осью тока получим Iкз и рассчитаем балластное сопротивление.
R
Порядок построения
гр
бал
U

I
2 min
кз

35 , 67
0 . 05
 713 Ом
Рис. Графический расчет стабилизатора.
R
бал
R

ан
бал
 R бал
651  713

 682 Ом
2
2
гр
Рассчитанные Rбал аналитическое и графическое могут не совпасть, возможны
ошибки связанные с:
1) округлениями;
2) неточностями графического метода.
Но ошибка не должна превышать 25%.
В нашем случае ошибка составляет 4,5%.
При определении номинала сопротивления резистора значение выбирают в
меньшую сторону. Из ряда Е-24 ГОСТ 2825-67, выбираем номинал сопротивления
600 Ом тип ОПВ (см. учебник под ред. Герасимова книга 3, стр. 416)
Рассчитываем мощность, рассеивающуюся на резисторе:
P  R бал I 2  682  0 . 057  2 , 2 Вт
2
2
Мощность выбирается в соответствии с ГОСТ 24013-80
Выбираем резистор: ОПВ-5Вт-680Е
Коэффициент стабилизации
К ст 
U R
U R
ст
2
бал
диф

22  680
44  25
 13 , 6
∆Uвых=23-20=3В
РАСЧЕТ СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА
Рис. Схема стабилизатора со сглаживающим фильтром.
Рассчитываем Сф для наихудшего случая:
Обозначим сопротивление нагрузки для фильтра через Rн.общ, найдем его
R
н . общ

R R
н
R R
н
 R бал 
диф
диф
25  1100
25  1100
 680  704 Ом
Теперь зная Rн.общ может найти емкость фильтра по формуле (для
однополупериодного выпрямителя):
Cф 
1
2  f c  p  R н . общ

1
2  50  0 . 19  704
 74 мкФ
Выбираем конденсатор.
Конденсатор выбирается по его рабочему напряжению:
Uраб ≥ (1,3-2)∙U2 =2 ∙44 = 88 В, где от 1,3 до 2 – коэффициент запаса.
Определив параметры конденсатора, выбирается его тип по справочнику,
номинал из ряда Е24 (см. учебник под ред. Герасимова книга 3, стр. 421)
или специального справочника.
Так как Сф≥74 мкФ и Uраб≥88 В, то по справочнику выбираем конденсатор типа
К50 с номинальными параметрами
С = 100мкФ и Uраб = 100 В.
Находим коэффициент сглаживания фильтра: см лекции.
РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ
Iпр д =Iн.ср = I2.max для наихудшего случая (для однополупериодного
выпрямителя)!
I2max = 57мА
Для определения необходимого выпрямительного диода нужно рассчитать два
основных параметра:
1) прямой постоянный ток – Iпр.max
2) обратное максимальное напряжение – Uобр.max
для их определения воспользуемся формулами для однополупериодного
выпрямителя:
Iпр.max.доп ≥ (1,3 ÷ 2)Iн.ср
Uобр.max.доп ≥ (1,3 ÷ 2)2∙√2∙U2
где: Iн.ср = I2.max
Iпр.max.доп ≥ 1,3∙57 = 74 мА
Uобр.max.доп ≥ 2∙ 2∙√2∙44 = 248 В
По справочнику
характеристиками
выбираем
выпрямительный
диод
типа
КД102А
с
Iпр.max.доп =100 мА;
Uобр.max.доп = 250 В
Рассчитываем амплитудное значение напряжения U1:
U1=U2max= √2∙U2= √2∙44 =62,22 B
СПЕЦИФИКАЦИЯ
№
Наименование
1 Диод
выпрямительный
2 Конденсатор
3 Резистор
4 Стабилитрон
Обозначение
VD1
Тип
КД102А
Количество
1
C1
Rбал
VD
К50
ОПВ-2-620Е
2С522
1
1
1
Примечание
ЗАДАНИЕ по вариантам
Схема выпрямителя выдается преподавателем
Вариант
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Uст, В
13
10
8
15
10
20
18
20
22
24
33
27
5,6
5,1
6,8
7
7,5
4,7
6,2
9
3,9
8.2
11
12
12
ΔUвх,В
2
3
2
3
3
4
2
3
5
4
4
4
2
1
2,5
0,5
1
2
1
2
1
3
1
4
1.5
p
0,14
0,12
0,01
0,015
0,1
0,1
0,01
0,05
0,06
0,05
0,07
0,06
0,03
0,04
0,02
0,04
0,09
0,2
0,08
0,06
0,1
0.02
0.04
0.12
0.14
Iн,мА
10
5
20
32
30
10
12
10
15
30
30
40
10
40
20
32
30
15
30
32
25
5
15
14
6
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа