Выпрямители

Содержание

 

 

Введение

2

1

Выпрямители

3

1.1.

Однополупериодный выпрямитель

4

1.2.

Двухполупериодный выпрямитель  с нулевой точкой

5

1.3.

Мостовая схема выпрямителя

6

1.4.

Схема удвоения напряжения

7

2

Расчет выпрямителя с  удвоением напряжения при автотрансформаторном питании от сетки

8

2.1.

Расчет автотрансформатора.

9

2.2.

Расчет фильтра.

11

 

Заключение

15

 

Список использованной  литературы

16

 

ПриложениеА

17

 

ПриложениеБ

18

 

ПриложениеВ

19


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Высокие технико-экономические  показатели радиоэлектронных устройств  во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания.

Наиболее распространенной являются ИВЭ (источники вторичного электропитания), состоящие из источника  переменного напряжения, выпрямителей и стабилизаторов постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как стабильные источники питания, обеспечивающие надежность работы, в  других – еще и как источники  эталонного (образцового) напряжения.

Развитие полупроводниковой  техники дало возможность получить простые высокостабильные источники практически любой мощности, точности и небольших габаритов. В качестве таких источников большое распространение получили транзисторные стабилизаторы напряжения, обладающие хорошей экономичностью, малой массой и габаритами. Они позволяют получить питание различных нагрузок (в том числе и импульсного характера),  широкий диапазон стабилизированных напряжений от долей до нескольких сотен вольт, токи нагрузок от нескольких миллиампер до нескольких ампер, низкое внутреннее сопротивление.

Источники питания являются одним из наиболее распространенных узлов современной радиоэлектронной аппаратуры. Качество источников питания  – надёжность, экономичность, эксплуатационные данные,габариты – в значительной мере определяет технические модели устройства в целом.

Постоянное повышение  требований к техническим характеристикам  радиоэлектронных устройств приводит к тому, что и к вторичным  источникам питания предъявляются  всё более жесткие требования.

Напряжение всякого источника  питания, будь то аккумуляторная батарея  или выпрямитель, как правило, нестабильно. Кроме того, изменение тока, выделяемого  радиоэлектронным устройством в  процессе его работы, также ведёт  к изменению напряжения питания, причём эти изменения тем значительнее, чем больше внутреннее сопротивление  источника. Нестабильность питающих напряжений вызывает изменение режимов работы радиоэлектронной аппаратуры. Значительное увеличение питающего напряжения может  вызвать пробой конденсаторов, перегрев компонентов аппаратуры и другие явления, приводящие к выводу её из строя. Таким образом, для питания  современной радиоэлектронной аппаратуры бытового назначения, а особенно электрорадиоизмерительной  и специальной нужно иметь  напряжение повышенной стабильности. Этим обусловлен тот факт, что абсолютное большинство источников питания  радиоэлектронной аппаратуры выполняется  с использованием стабилизаторов напряжения или тока.   

 

 

 

 

  1. Выпрямители

Выпрямитель электрического тока – преобразователь электрической  энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический  ток.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков:

-по схеме выпрямления  – однополупериодные, двухполупериодные,  мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и другие;

-по типу выпрямительного  элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные  и другие;

-по величине выпрямленного  напряжения – низкого напряжения  и высокого;

-по назначению – для  питания анодных цепей, цепей  экранирующих сеток, цепей управляющих  сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и  др.

Основными характеристиками выпрямителей являются:

-номинальное напряжение  постоянного тока – среднее  значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение  до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев U). Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств;

-номинальный выпрямленный  ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем;

-напряжение сети Uсети– напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети – 220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %;

-пульсация – переменная  составляющая напряжения или  тока на выходе выпрямителя.  Это качественный показатель  выпрямителя;

-частота пульсаций   – частота наиболее резко выраженной  гармонической составляющей напряжения  или тока на выходе выпрямителя.  Для самой простой – однополупериодной  схемы выпрямителя частота пульсаций  равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы  и схемы удвоения напряжения  дают пульсации, частота которых  равна удвоенной частоте питающей  сети. Многофазные схемы выпрямления  имеют частоту пульсаций, зависящую  от схемы выпрямителя и числа  фаз;

-коэффициент пульсаций  – отношение амплитуды наиболее  резко выраженной гармонической  составляющей напряжения или  тока на выходе выпрямителя  к среднему значению напряжения  или тока. Различают коэффициент  пульсаций на входе фильтра  (p0 %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки;

-коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение  коэффициента пульсаций на входе  фильтра к коэффициенту пульсаций  на выходе фильтра 

 

 

-для многозвенных фильтров  коэффициент фильтрации равен  произведению коэффициентов фильтрации  отдельных звеньев;

-колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя  – изменение напряжения постоянного  тока относительно номинального.

Выпрямители, применяемые  для однофазной бытовой сети, выполняются  по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой  точкой (или просто – двухполупериодной), двухполупериодной мостовой (или  просто – мостовой, реже называется как “схема Греца”), и схема удвоения (умножения) напряжения (схема Латура). Для многофазных промышленных сетей  применяются две разновидности  схем: однополупериодная многофазная  и схема Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей.

Основные показатели, характеризующие  схемы выпрямителей могут быть разбиты  на 3 группы:

-относящиеся ко всему  выпрямителю в целом: U0 – напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра;

-определяющие выбор выпрямительного  элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток, проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода;

-определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

1.1. Однополупериодный  выпрямитель

 

 

Рисунок 1 – Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя

 

 

Рисунок 2 – Осциллограммы напряжения в различных точках однополупериодного выпрямителя

Как показано на рисунке  2 U2 – Напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

Uн – Напряжение на нагрузке;

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Как видно на осциллограммах напряжение с вторичной обмотки  трансформатора проходит через вентиль  на нагрузку только в положительные  полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды  вентиль закрыт, и напряжение в  нагрузку подается только с заряженного  в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации  выпрямленного напряжения довольно значительны.

Недостатками такой схемы  выпрямления являются: высокий уровень  пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем  в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование  в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя  применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель  используется для питания цепей  с низким током потребления.

1.2.Двухполупериодный  выпрямитель с нулевой точкой

 

Рисунок 3 – Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя

 

 

 

Рисунок 4 – Осциллограммы напряжения в различных точках двухполупериодного выпрямителя

Как показано на рисунке  4 U2 – Напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора;

Uн – Напряжение на нагрузке;

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки  трансформатора (или одну со средней  точкой).

Практически схема представляет собой два однополупериодных  выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В  одном полупериоде переменного  напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки  через один вентиль, в другом полупериоде  – с другой половины обмотки, через другой вентиль.

Преимущество: эта схема  выпрямителя имеет в 2 раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной  схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной  схемой коэффициенте пульсаций может  быть в 2 раза меньше.

Недостатки: более сложная  конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

1.3. Мостовая схема выпрямителя

 

 

 

Рисунок 5– Принципиальная схема мостового выпрямителя

 

 

Рисунок 6 – Осциллограммы напряжения в различных точках мостового выпрямителя

 

Как показано на рисунке  6 U2 – Напряжение вторичной обмотки трансформатора;

Uн – Напряжение на нагрузке;

Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Основная особенность  данной схемы – использование  одной обмотки трансформатора при  выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: верхний вывод вторичной обмотки  – вентиль VD2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль VD3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: нижний вывод вторичной обмотки  – вентиль VD4 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль VD1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка.

Как мы видим, в обоих случаях  направление тока через нагрузку одинаково.

Преимущества: по сравнению  с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень  пульсаций, более высокий КПД, более  рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной  схемой мостовая имеет более простую  конструкцию трансформатора при  таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно  ниже, чем в первых двух схемах.

Недостатки: увеличение числа  вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного  напряжения на каждом из них.

Преимущества: вторичную  обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение.

Недостатки: значительные токи через вентили выпрямителя, уровень  пульсаций значительно выше, чем  в схемах двухполупериодных выпрямителей.

1.4. Схема удвоения напряжения

 

Рисунок 7 – Принципиальная схема выпрямителя с удвоением напряжения

 

 

Рисунок 8 – Осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя с двоением напряжения

Как показано на рисунке  8 U2 – Напряжение вторичной обмотки трансформатор;

Uн – Напряжение на нагрузке.

Отличительной особенностью данной схемы является то, что в  одном полупериоде переменного  напряжения от вторичной обмотки  трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той  же обмотки – другой. Поскольку  конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих  конденсаторах (на нагрузке) в два  раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в  схеме с однополупериодным выпрямителем.

  1. Расчет выпрямителя с удвоением напряжения при автотрансформаторном питании от сетки

Схема выпрямителя на рисунке  9, исходные данные: Uн0 = 270 В;              I0 = 70 мА; U1=127 В; Kп.вых = 0,1 %

 

Рисунок 9– Схема выпрямителя с удвоением напряжения и транзисторным фильтром

Выбираем вид диодов, для  чего определяем обратное напряжение

 

         (2)

Из выражения (2)

 

 

где                             

         (3)

 

Из выражения (3)

 

 

средний ток

Iср = I0 = 70 мА (4)

 

Выбираем высоковольтные диоды типа Д210 с Uобр = 500 В; Iср = 100 мА; Ri = 5 Ом (как показано в приложении Б).

    1. Расчет автотрансформатора.

В моём примере потребуетсяповышающий  автотрансформатор, так как U0больше 2U1. Находим мощность повышающего автотрансформатора, которая в схеме с удвоением напряжения равна

                         (5)

 

Из выражения (5)

 

 

 

Определяем выходное напряжение автотрансформатора, которое для  схемы с удвоением напряжения равно

                          (6)

 

Из выражения (6)

 

 

 

Принимая U2 = 135 В, определяем токи, ток первичной обмотки, ток вторичной обмотки

 

 

 

 

Из выражения (7)

 

 

 

Из выражения (8)

 

 

 

Габаритная мощность повышающего  автотрансформатора

 

 

 

Из выражения (9)

 

 

 

По формулам (5) находим произведение QcQ0для сердечника, автотрансформатора. Приняв марку провода обмотки ПЭШО, получаем

 

 

 

Из выражения (10)

 

 

По найденному значению QcQ0выбираем пластины типа Ш10 с Q0=0,75 см2, а=1 см, b=0,5 см (как показано в приложении А). При этом получаем

 

 

Из выражения (11)

 

 

 

 

Из выражения (12)

 

 

 

 

Находим число витков w1и толщину провода d1 в сетевой (общей) части и число витков w2и толщину провода d2в повышающей части автотрансформатора

 

 

 

 

 

(17)

 

Из выражения (14)

 

 

 

Из выражения (15)

 

 

 

Из выражения (16)

 

 

 

Из выражения (17)

 

 

 

2.2.Расчет фильтра.

Емкость конденсатора на входе  фильтра.

 

 

Из выражения (18)

 

 

Номинальное напряжение конденсаторов  должно удовлетворять 

 

(19)

Коэффициент пульсации напряжения на входе фильтра

 

 

 

Из выражения (20)

 

 

При этом коэффициент сглаживания  фильтра должен быть

 

 

 

Из выражения (21)

 

 

 

В качестве фильтра можно  применить LC-фильтр или транзисторный  фильтр. Применим транзисторный фильтр.Выбираем транзистор, коллекторный ток которого удовлетворяет условию Iкмакс≥ 2I0(в исходном расчетеIкмакс =2·70 = 140 мА).Наиболее часто в схемах фильтров используются низкочастотные мощные транзисторы. Выберем транзистор типа П201 со следующими параметрами: Iкмакс = 1,5 А, h21э = 20, |Uкэмакс| ~ 30 В,обратный коллекторный ток IКБО≤ 0,4 мА, сопротивление коллекторного перехода rк = 104 Ом (как показано в приложении В).Принимая сопротивление резистора R1=100 Ом, находим емкость конденсатора

 

 

 

где m– число фаз выпрямления;

f = 50 Гц–частота сети.

Из выражения (81)

 

 

Номинальное напряжение конденсатора должно удовлетворять условию Uc≥ 1,5I0R1 = 1,5·100·10-3·70 = 10,5 В Задаемся падением напряжения на транзисторе UKЭ~ (0,3÷ 0,7)Uкэмакс, но не более 15—20 В. Принимаем    Uкэ =20 В.

Определяем сопротивление  резистора R2 по формуле

 

 

 

где

 

(24),

 

(25)

В исходном расчете из выражения (24)

 

 

 

Из выражения (25)

 

 

 

Из выражения (23)

 

 

 

Так как в формулу для  определения R2 входят параметры транзистора, имеющие большой разброс, то расчет по этой формуле дает большую ошибку в определении сопротивления.

Более точно сопротивление  резистора R2 можно определить экспериментально. Для этого на место резистора R2 включают резистор с переменным сопротивлением того порядка, которое получено при расчете. Регулируя сопротивление резистора R2, устанавливают его так, чтобы напряжение Uкэ равнялось принятому значению (в моём примереUкэ =20 В). После измерения R2 резистор с переменным сопротивлением заменяют соответствующим постоянным сопротивлением.

Из выражения для коэффициента сглаживания фильтра (без конденсатора С0)

 

 

 

где fп–частота пульсаций выпрямленного напряжения (для двухполупериодных схем fп = 2f0, для однополупериодных fп = fc).Находим емкость конденсатора Сф, необходимую для получения требуемого значения q.

 

 

 

Из выражения (27)

 

 

 

 

Принимаем Сф= 60 мкФ с номинальным напряжением

 

Uc≥ 1,2Uн0(28)

 

Из выражения (28)

 

Uc = 1,2·270 324 В

 

Проверяем значение выпрямленного  напряжения на нагрузке

 

 

 

Из выражения (29)

 

 

 

где падение напряжения на фильтре

 

 

 

Из выражения (30)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В данном курсовом проекте  были углублены и закреплены теоретические  знания, полученные при изучении курса. Освоены методы расчетов электрических  схем и устройств в целом, приобретены  навыки в рациональном выборе и обосновании  элементов электрических схем и  самих электрических схем как  с точки зрения удовлетворения требованиям  технического задания, с точки зрения их технологичности, так и экономических  параметров, все электрические схемы  были построены на современной элементной базе, которая при тех же габаритных размерах обладает более лучшими  эксплуатационными параметрами, так  как в техническом задании  не были оговорены габаритные размеры  конструкции, то для обеспечения  заданного в техническом задании  коэффициента сглаживания пульсации  использовались фильтры построенные  с помощью катушек индуктивности, которые имеют сравнительно большие  размеры и массу. Научились работать с технической литературой, справочниками, обосновывать все решения на ее основе, что является хорошей основой  для правильного выполнения дипломного проекта и дальнейшей инженерной деятельности. Был произведен расчет источников питания, являющихся одними из наиболее распространенных узлов современной радиоэлектронной аппаратуры. В процессе выполнения курсовой работы был спроектирован и рассчитан стабилизатор напряжения последовательного типа для которого были выбраны типы используемых транзисторов, произведены расчеты параметров элементов схемы. Рассчитан однофазный мостовой выпрямитель, для которого по справочнику выбран диод для однофазного мостового выпрямителя, работающего на нагрузку с сопротивлением Rн и постоянной составляющей выпрямленного напряжения Uн. Определен ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора, и мощность трансформатора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной  литературы

 

1.Аккабаков А. Б., Тастенов  А.Д., Кошербаев Т. А. Расчет  однофазного стабилизированного  источника питания. Методические  указания. Павлодар, 2005-34с.

2.Денисов Н.П. Электроника.  Элементы электроники, цифровая  электроника. Часть 1:  Учебное  пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2001. - 131 с.: ил.

3.Карлащук В.И. Электронная  лаборатория на IBMPC. Программа ElectronicsWorcbench и ее применение. - М.: "Солон-Р", 2000. - 506 с.: ил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение А

 

Таблица 1 – Типы пластин

 

Размеры

  

Тип пластины

Ширина среднего стержня  a, см

Ширина окна b, см

Высота окна h, см

Площадь окна , см²

Пределы,

Ш-10

1

0,5

1,5

0,75

0,75-1,5

Ш-10

1

0,65

1,8

0,17

1,17-2,34

Ш-10

1

1,2

3,6

4,32

4,32-8,64

Ш-12

1,2

0,6

1,8

1,08

1,56-3,12

УШ-12

1,2

0,8

2,2

1,76

2,53-5,06

Ш-12

1,2

1,6

4,8

7,68

11,1-22,2

Ш-14

1,4

0,7

2,1

1,47

2,88-5,76

Ш-14

1,4

0,9

2,5

2,25

4,41-8,82

Ш-15

1,5

1,35

2,7

3,65

8,21-16,4

Ш-16

1,6

0,8

2,4

1,92

4,91-9,82

УШ-16

1,6

1

2,8

2,8

7,17-14,3

Ш-18

1,8

0,9

2,7

2,43

7,87-15,7

Ш-19

1,9

1,2

3,35

4,02

14,5-29

Ш-20

2

1

3

3

12-24

Ш-20

2

1,7

4,7

7,99

32-64

УШ-22

2,2

1,4

3,9

5,46

26,4-52,8

Ш-25

2,5

2,5

6

15

93,7-180,7

Ш-25

2,5

3,15

5,8

18,3

114-228

Ш-28

2,8

1,4

4,2

5,88

46,5-93

УШ-30

3

1,9

5,3

10,1

91-182

Ш-32

3,2

3,6

7,2

25,9

265-530

УШ-35

3,5

2,2

6,15

13,5

165-330

УШ-40

4

2,6

7,2

18,7

300-600


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение Б

 

Таблица 2 – Диоды выпрямительные

Тип диода

      

Д7А

50

300

2

Д7Б

100

300

2

Д7В

150

300

2

Д7Г

200

300

2

Д7Д

300

300

2

Д206

100

100

5

Д207

200

100

5

Д208

300

100

5

Д209

400

100

5

Д210

500

100

5

Д211

600

100

5


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение В

 

Таблица 3 – Транзисторы p-n-p большой мощности.

Тип прибора

          

П201АЭ

1,5

40

30

0,4

  

П201Э

1,5

20

30

0,4

  

П202Э

2

20

55

0,4

  

П203Э

2

-

55

0,4

  

П207

25

5…15

40

16

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Выпрямители 📙 Курсовая → 🆔 58855

Выпрямители 📙 Курсовая → 🆔 58855

Выпрямители