Дисциплина Электроника «расчет маломощного источника вторичного электропитания»

Вид материала

Документы

Содержание Неуправляемые, управляемые Однополупериодный выпрямитель Принцип работы выпрямителя Основные электрические параметры выпрямителя При выборе выпрямительных диодов используются максимально допустимые параметры Двухполупериодный мостовой выпрямитель Принцип работы мостового выпрямителя Сглаживающие фильтры Рис 6. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром Рис 7. Временные диаграммы напряжения однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром Основными параметрами стабилизатора являются Рис. 12. Схема замещения стабилизатора Пример расчета Рис.1 Принципиальная схема ИВЭ Рис. 2 Схема параметрического стабилизатора напряжения. Графический метод расчета стабилизатора Порядок построения Расчет сглаживающего фильтра Расчет выпрямителя ЗАДАНИЕ по вариантам ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебная программа по дисциплине электротехника и электроника лахтина, 44.8kb.
• Пояснительная записка содержит: 5 рис., 4 источника, 22 стр, 223.14kb.
• Реферат пояснительная записка содержит: 5 рис., 4 источника, 22 стр, 222.54kb.
• Курсовая работа «Разработка импульсного вторичного источника питания», 104.63kb.
• Правила составления Расчета сумм индивидуального подоходного налога с нерезидентов,, 297.66kb.
• Контрольная работа по дисциплине «Электротехника и электроника» Тема: Расчет транзисторного, 244.92kb.
• Электротехника и электроника пояснительная записка, 2218.03kb.
• Практическая работа № (заочное отделение) Дисциплина: «Основы экономики», 98.7kb.
• «Электроника и основы схемотехники», 173.11kb.
• Умк дисциплины «Электротехника и электроника. Радиоэлектроника» кафедры рэ. Дисциплина, 107.72kb.

Домашнее задание №1

Дисциплина Электроника


«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 U_с 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 U^п₂. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямительном напряжении U^п₂ помимо постоянной составляющей присутствует переменная, которая с помощью сглаживающего фильтра С_ф снижается до требуемого уровня U^ф₂ и имеет очень маленькие пульсации.

Стабилизатор поддерживает неизменным U_н в нагрузочном устройстве R_н.


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 R_пр =0 и R_обр =∞.




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 φ_А > φ_В, в нагрузке течет ток i_{н .}

Когда T/2-T диод закрыт φ_А < φ_В, к диоду приложено U_2m.




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. U_нср и I_нср – средние значения выпрямленных напряжения и тока в нагрузочном устройстве

2. мощность нагрузочного устройства P_нср=U_нср·I_нср

3. амплитуда основной гармоники U_оснг

4. коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

5. КПД выпрямителя

6. Обратное максимально напряжение на запертом диоде U_обрmax


В однополупериодном выпрямителе теряется больше половины входного напряжения !





;


средневыпрямленный ток равен току через диод

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сетевого напряжения


f_п=f_осн

Выпрямленное напряжение имеет несинусоидальную форму сигнала, поэтому может быть разложено в ряд Фурье:



Так как частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети, то при расчете коэффициента пульсаций берут напряжение основной первой гармоники:

;


p=1,57 - очень большой коэффициент пульсаций – это является недостатком схемы.


Обратное максимальное напряжение на запертом диоде равно амплитуде входного напряжения: U_обрmax=


При выборе выпрямительных диодов используются максимально допустимые параметры: ток прямой максимально допустимый и напряжение обратное максимально допустимое: I_прmax , U_обрmax .


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 D₁D_3, закрыты D₂D₄ в нагрузке течет ток Iн;

В T/2-T закрыты D₁D_3, 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-




Разложив напряжение в ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента пульсаций:


fп=2fс


Амплитуда основной второй гармоники частотой 2ω, т.е. равна: _, следовательно коэффициент пульсаций будет равен:

Максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов имеет такое значение, что и в однополупериодном выпрямителе:

U_2m=; U_обрmax=π·U_нср; U_обрmax=


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.


Коэффициент пульсаций рассчитывается тогда по формулам:

для однополупериодной схемы:




где: f_c – частота сетевого напряжения ;

для двухполупериодной схемы:




где: f_c – 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




для двухполупериодного выпрямителя



Рабочее напряжение конденсатора рассчитывается с 30% запасом и равно:

U_раб ≥ 1,3∙U_2max

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) U_ст (напряжение стабилизации при заданном токе)

2. Динамическое сопротивление
   

R_диф=ΔU_ст/ΔI_ст = 0.5 – 200 Ом (определяемое относительным приращением U_ст на стабилитроне к вызывающему его малому приращению тока)

Чем меньше R_диф, тем лучше осуществляется стабилизация.

2. I_{ст min} ток стабилизации минимальный
   
3. I_{ст max} ток стабилизации максимальный
   

5) Максимальный ток определяется отношением максимально допустимой мощности к U_ст


I_max≈P_max/U_ст


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:

(1)


Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать стабилитрон и выбрать величину R_бал, тогда из системы уравнений (1) получаем формулу для расчета R_бал:




Стабилитрон выбирается по справочнику, по двум параметрам:

1. I_{ст max}, который не должен превышать максимально допустимый ток через стабилитрон;
   
2. U_ст 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.
   

2. Выходное (внутреннее) сопротивление стабилизатора


Для нахождения К_ст и R_вых рассматривается схема замещения стабилизатора для приращений. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному току R_диф является параметром стабилизатора.





Рис. 12. Схема замещения стабилизатора


Дифференциальное сопротивление R_диф определяется




Для схемы замещения получаем, коэффициент стабилизации определяется:


С учетом, что R_н>>R_диф и R_бал>>R_диф, формула определения коэффициента стабилизации будет выглядеть так:






Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения К_ст = 5 - 50

Другой параметр стабилизатора R_вых, согласно теореме об эквивалентном генераторе (U₂ = 0)




т.к. R_бал>>R_диф, то

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:

f_c = 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)

U_н = 22 В

I_н = 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)∙U_н. Следовательно, можем найти напряжение на входе стабилизатора:

U₂ = 2∙U_н = 2∙22 = 44 В

Так как напряжение подается не постоянное, то находим U_2min и U_2max по формулам:

U_2min = U₂-_ΔU₂-p_ΔU₂ = 44 – 7 – 0,19∙7 = 35,67 В

U_2max = U₂+_ΔU₂+p_ΔU₂ = 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:




- по I закону Кирхгофа

(1)

- по II закону Кирхгофа, для контура 2

- по II закону Кирхгофа, для контура 1


Для определения R_бал мы должны знать I_{ст min}, I _{ст min} ≤ (10-15)%* I_н

I_стmin≤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







Для выбора стабилитрона необходимо знать два основных параметра:

напряжение стабилизации U_ст и

максимальный ток стабилизации – I_ст.max:


U_ст = U_н = 22 В




Ток предельно допустимый выбирается с запасом:


где 1,3 – коэффициент запаса





Выбираем стабилитрон типа 2С522А и выписываем параметры этого стабилитрона:

I_cт.min = 1 мА

I_cт.max = 37 мА

U_ст.min = 19,8 В

U_ст = 22 В

U_ст.max = 24,2 В

R_диф = 25 Ом


Определим номинальное значение тока стабилизации I_ст, которое соответствует U_ст

U_ст = U_cт.р.т., то


ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА СТАБИЛИЗАТОРА

Алгоритм расчета:


1). Стоим ВАХ стабилитрона.

Для этого отмечаем характерные точки стабилитрона:

А – (U_ст.min; I_cт.min);

B – (U_ст.max; I_cт.max).

(Если используются 2 стабилитрона или более, то строим суммарную ВАХ двух или более стабилитронов).

2) Строим ВАХ R_н, так как R_н соединен со стабилитроном параллельно, то ВАХ Rн будет иметь вид прямой проходящей из 0 и точки (U_н; I_н).


3) Теперь строим суммарную ВАХ (стабилитрон + R_н)


4) Построим «опрокинутую» ВАХ Rбал, ВАХ строится по точкам из уравнения:

U_2min=U_стmin + I₂R_бал


- первая точка хх: I₂=0, т.е. U_ст=U_2мин

- вторая точка А^I

проведем прямую через точки U_2min и точку А^I суммарной ВАХ до пересечения с осью тока получим Iкз и рассчитаем балластное сопротивление.




Порядок построения












Рис. Графический расчет стабилизатора.




Рассчитанные R_бал 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:




Мощность выбирается в соответствии с ГОСТ 24013-80

Выбираем резистор: ОПВ-5Вт-680Е


Коэффициент стабилизации


∆Uвых=23-20=3В





РАСЧЕТ СГЛАЖИВАЮЩЕГО ФИЛЬТРА





Рис. Схема стабилизатора со сглаживающим фильтром.


Рассчитываем С_ф для наихудшего случая:

Обозначим сопротивление нагрузки для фильтра через R_н.общ, найдем его




Теперь зная R_н.общ может найти емкость фильтра по формуле (для однополупериодного выпрямителя):





Выбираем конденсатор.

Конденсатор выбирается по его рабочему напряжению:

U_раб ≥ (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 С_ф≥74 мкФ и U_раб≥88 В, то по справочнику выбираем конденсатор типа К50 с номинальными параметрами

С = 100мкФ и U_раб = 100 В.


Находим коэффициент сглаживания фильтра: см лекции.


РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЯ





I_{пр д} =I_н.ср = I_2.max для наихудшего случая (для однополупериодного выпрямителя)!

I_2max = 57мА


Для определения необходимого выпрямительного диода нужно рассчитать два основных параметра:

1. прямой постоянный ток – I_пр.max
   
2. обратное максимальное напряжение – U_обр.max
   

для их определения воспользуемся формулами для однополупериодного выпрямителя:

I_{пр.max.доп} ≥ (1,3 ÷ 2)I_н.ср

U_{обр.max.доп} ≥ (1,3 ÷ 2)2∙√2∙U₂

где: I_н.ср = I_2.max

I_{пр.max.доп} ≥ 1,3∙57 = 74 мА

U_{обр.max.доп} ≥ 2∙ 2∙√2∙44 = 248 В


По справочнику выбираем выпрямительный диод типа КД102А с характеристиками


I_{пр.max.доп} =100 мА;

U_{обр.max.доп} = 250 В


Рассчитываем амплитудное значение напряжения U₁:


U₁=U_2max= √2∙U₂= √2∙44 =62,22 B


СПЕЦИФИКАЦИЯ

№	Наименование	Обозначение	Тип	Количество	Примечание
1	Диод выпрямительный	VD1	КД102А	1
2	Конденсатор	C1	К50	1
3	Резистор	Rбал	ОПВ-2-620Е	1
4	Стабилитрон	VD	2С522	1

ЗАДАНИЕ по вариантам


Схема выпрямителя выдается преподавателем

Вариант	Uст, В	ΔUвх,В	p	Iн,мА
1	13	2	0,14	10
2	10	3	0,12	5
3	8	2	0,01	20
4	15	3	0,015	32
5	10	3	0,1	30
6	20	4	0,1	10
7	18	2	0,01	12
8	20	3	0,05	10
9	22	5	0,06	15
10	24	4	0,05	30
11	33	4	0,07	30
12	27	4	0,06	40
13	5,6	2	0,03	10
14	5,1	1	0,04	40
15	6,8	2,5	0,02	20
16	7	0,5	0,04	32
17	7,5	1	0,09	30
18	4,7	2	0,2	15
19	6,2	1	0,08	30
20	9	2	0,06	32
21	3,9	1	0,1	25
22	8.2	3	0.02	5
23	11	1	0.04	15
24	12	4	0.12	14
25	12	1.5	0.14	6