Расчет усилительного каскада и однофазного трансформатора

Размещено на http://www.allbest.ru

3

Задание №1

Расчет однотактного каскада усилителя мощности

Исходные данные:

Вариант	д
Pвых, Вт	2
Rн, Ом	16
fн-fв, Гц	4
fн, Гц	16
Mн	1,1
Еп, В	5

На рис. 1.1 приведена схема усилительного каскада.

Расчет.

1. Распределяем по цепям частотные искажения.



Выходной трансформатор: MН = 1,14.

Цепь эмиттерной стабилизации: MН = 1,08.

Цепь связи RC между каскадами: MН = 1,05.

2. Вычисляем мощность сигнала, отдаваемую транзистором

тр - КПД выходного трансформатора.

КПД выходного трансформатора из таблицы 7.1 принимаем равным

тр = 0,82.

= / = 2 / 0,82 = 2,44 Вт.

3. Находим мощность, выделяемую на транзисторе при kA = 0,035…0,45. Принимаем коэффициент использования транзистора kA = 0,4.

4. Ориентировочно определяем падение напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки трансформатора и на сопротивлении RЭ

?U=URт.1+UR.Э = (0,2…0,3)Eп = 0,2 • 5 = 1 (В).

5. Наибольшее возможное напряжение на транзисторе

UКЭ.М = (Eп - ?U)/(0,4…0,45) = (5 - 1)/0,4 = 10 (В).

По двум параметрам P0 и Uкэ.м выбираем транзистор n-p-n КТ817A со следующими параметрами из таблицы: «Параметры транзисторов».

Тип прибора	IК.max, А	UК.Э.max В	РК.МАХ, Вт	h21Э	f, МГц	UНАС, В	Тип
КТ817А	3	25	25	25	3	0,6	n-p-n

Проверяем транзистор по частоте, при этом:

где FВ - верхняя граничная частота усилителя;

МВ - коэффициент частотных искажений на данной частоте (МВ = МН = 1,1).

Рис. 1.2. Выходные характеристики условного транзистора



6. Определяем положение точки покоя на выходных статических характеристиках транзистора (рис. 1.2).

Uк.э.о = EП - ?U = 5 - 1 = 4 (В),

Iк.о= Р0 / Uк.э.о = 6,1/ 4 = 1,5 (А).

Строим нагрузочную характеристику (рис 1.3 прямая 1).

7. Определяем рабочий участок нагрузочной прямой 1.

Для чего задаемся величиной остаточного напряжения (Uост = 2 В). Наименьший ток коллектора Iк.min = 1 А (получился из условия симметрии c IKM относительно точки О, рис. 1.3).

усилитель мощность трансформатор напряжение

Рис. 1.3. Нагрузочные прямые: 1-исходная; 2 - скорректированная.



8. Из построения определяем:

Uк.m= Uкэ.о - Uост = 4 - 2 = 2 (В) - амплитуда выходного напряжения;

Iк.m= IКМ ? IK0 = 2 - 1,5 = 0,5 (А) - амплитуда выходного тока.

Соблюдается условие IК.М ? Iк.доп = 3 А.

9. Вычисляем мощность сигнала, отдаваемую транзистором

Rкп = UКЭ.М/I = 10 / 2,5 = 4 (Ом) - сопротивление нагрузки переменному току;

I - точка пересечения нагрузочной прямой с осью ординат.

PТ = 0,125 (2 - 1)² •4 = 0,5 (Вт).

Что меньше, чем Р? = 2,44 Вт.

Увеличиваем наклон нагрузочной прямой (увеличиваем I до 3,75 А - прямая 2, рис. 1.3) и вычисляем PТ с новыми параметрами.

RКП = UКЭ.М/I = 10 / 3,75 = 2,67 (Ом);

PТ = 0,125 (3 - 1,5)² • 2,67 = 0,75 (Вт).

Нагрузочная прямая не должна выходить из области допустимой мощности. При UКЭ0 = 4 В и IK0 = 2,25 А

PКМ ? PК0 = UКЭ0 IK0 = 4 • 1,5 = 6 (Вт).

PКМ < PК.доп. = 25 (Вт).

10. Диапазон изменения входного тока (тока базы) при в = 25:

Iб.м = Iк.м / = 2 / 25 = 0,08 (А).

Iб.min = Iк.min / = 1 / 25 = 0,04 (А).

Рис. 1.4. Определение параметров входного сигнала

11. По входной характеристике транзистора находим Uбэ.м и Uбэ.min (рис. 1.4.)

Если входной характеристики данного транзистора в справочнике нет, то для кремниевого транзистора можно принять: Uбэ.м = 0,7 В, Uбэ.min = 0,5 В.

12. Вычисляем мощность входного сигнала и входное сопротивление транзистора переменному току.

Pвх = 2Uбэ.м • 2 Iб.м / 8 = 2 • 0,7 • 2 • 0,08 / 8 = 0,028 (Вт);

Rвх.тр = Uбэм / Iб.м = 0,7 / 0,08 = 8,75 (Ом),

Uбэ.м и Iб.м - соответственно амплитудные значения напряжения и тока базы.

13. Сопротивление в цепи эмиттера определяем по падению напряжения на этом сопротивлении при IК0 = 1,5 А:

URЭ =(0,5…0,3)U = 0,5 • 1 = 0,5 В;

RЭ = URЭ / IК0 = 0,5 / 1,5 = 0,33 Ом.

14. Определяем емкость конденсатора в цепи эмиттера. При fН = 16 Гц

СЭ = 10 / (2 р fн RЭ) = 10 / (2 р ? 16 ? 0,33) = 0,3 (Ф).

15. Определяем входное сопротивление каскада RВХ.К. и R1, R2.

RВХ.К. = Rвх.тр + в ? RЭ = 8,75+ 25 • 0,33 = 17 (Ом).

Обычно величину резистора R2 делителя напряжения выбирают в несколько раз меньше, чем RВХ.К.. В нашем случае (с трансформаторным включением нагрузки) по постоянному току каскад охвачен глубокой отрицательной обратной связью, что уже обеспечивает его достаточно высокую температурную стабильность. Поэтому можем принять R2 = RВХ.К. = 17 (Ом).

Эти резисторы включены параллельно. Их общее сопротивление равно

R2-ВХ.К. = R2 / 2 = 17 / 2 = 8,5 (Ом).

Начальный ток базы

Iб.0 = IK0 / в = 1,5 / 25 = 0,06 (А).

Падение напряжения на R2

UR2 = R2 • IK0 = 17 • 0,06 = 1,02 (В).

Напряжение на R1

UR1 = ЕП - UR2 = 5 - 1,02 = 3,98 (В).

R1 = UR1 • R2 / UR2 = (3,98 • 17) / 1,02 = 66,3 (Ом);

16. Вычисляем коэффициент усиления каскада по мощности

Кр = Pвых / Pвх = 2 / 0,028 = 71,4.

17. Коэффициент трансформации выходного трансформатора

18. Сопротивление обмотки выходного трансформатора:

Rт.1 = 0,5 RКП (1 - ) = 0,5 • 4 (1 - 0,82) = 0,36 (Ом);

Rт.2 = Rт.1 • К² = 0,36 • 2,21² = 1,76 (Ом).

19. Индуктивность первичной обмотки:

(Гн)

20. Площадь поверхности охлаждающего радиатора,

где Тоср.м = 40 оС - наибольшая возможная температура окружающей среды; Тот.м = 150 оС - наибольшая допустимая температура коллекторного перехода; RТТ - тепловое сопротивление. Для КТ817А из справочника RТТ = 5^о С/Вт.

21. Находим емкость СВХ

СВХ = 10 / (2р fн R2-ВХ.К.) = 10 / (2 р • 16 • 8,5) = 0,0117 (Ф) ? 12000 (мкФ).

Задание № 6

Расчет однофазного трансформатора с учетом частоты напряжения сети

Исходные данные:

Вариант	г
P2, Вт	120
U1, Ом	120
U2, Ом	3,6

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования одной системы переменного тока в другую систему, в частности имеющую другое напряжение и ток, но ту же частоту.

Как правило, простейший трансформатор имеет две изолированные обмотки, помещенные на стальном магнитопроводе. Обмотка, включённая в сеть источника электрической энергии, называется первичной, обмотка, от которой энергия подаётся к приёмнику ? вторичной.

Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, то трансформатор называется повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного, то ? понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий, и как понижающий.

Протекающий по первичной обмотке переменный ток создает в магнитопроводе сердечника переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен с обеими обмотками и вызывает в каждой из них переменную ЭДС. Поэтому вторичная обмотка может рассматриваться как источник переменного напряжения. Если вторичная цепь будет замкнута, то по ней потечет ток. Первичная активная мощность, потребляемая трансформатором из сети:

P1 = U1 ? I1 ? cos ц1.

Вторичная активная мощность, отдаваемая потребителю:

P2 = PН = U2 ? I2 ? cos ц2.

Если не учитывать потери в трансформаторе (КПД трансформаторов большой мощности 97-99%), то приближенно можно считать: Р1 = Р2.

При обычной работе трансформаторов фазовые сдвиги первичной и вторичной цепей равны ц1 ? ц2, а напряжения первичной и вторичной обмоток мало отличаются от ЭДС этих обмоток, поэтому можно записать:

U1 ? I1 ? U2 ? I2 и U1/ U2 ? I2 / I1 ? Е1 / Е2 = 1/ 2 = К,

где К - коэффициент трансформации трансформатора, показывает во сколько раз трансформатор повышает или понижает напряжение.

На каждом трансформаторе помещается табличка с указанием на них номинальных значений величин. К ним относятся: а) полная мощность, ВА или кВА; б) линейные напряжения, В или кВ; в) линейные токи при номинальной мощности; г) частота, Гц; д) число фаз; е) схема и группа соединений. Для однофазных трансформаторов ряд величин не указывается (в, д, е).

Рассмотрим конструктивное выполнение однофазных трансформаторов наиболее используемых в практике.

Рис 7.1. Витые магнитопроводы трансформаторов:

а- Ш-образный

б- тороидальный

Рис.7.2. Магнитопроводы из штампованных пластин:

а- Ш-образный (броневой), б- стержневой

МАГНИТОПРОВОДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы трансформаторов низкой частоты навиваются из полос (рис.7.1 а и б) или набираются из пластин (рис.7.2,а и б), штампованных из электротехнической стали или железоникелевых сплавов. Применяют также магнитопроводы из ферритов.

Рис 7.3. Однофазный стержневой трансформатор (а);

однофазный броневой трансформатор (б):

1 - изоляция между обмотками; 2 - каркас; 3 - ярмо; 4 - стержни; 5 - окно; 6 - обмотки ВН; 7 - обмотки НН

Штампованные пластины чаще всего бывают Ш - и П - образной формы. Пластины П-образной формы используются в мощных трансформаторах. Наиболее распространенными являются Ш-образные пластины. 0бычная толщина пластин 0,5 или 0,35 мм. Если материал сердечника должен иметь толщину меньше 0,3 мм, то сердечник изготовляют не из пластин, а из ленты.

Для уменьшения потерь в магнитопроводе на вихревые токи пластины изолируют тонким слоем лака или окисла. Чтобы ликвидировать зазор между пластинами и перемычками, магнитопроводы собирают в переплет.

По расположению обмоток на сердечнике различают стержне-вые (рис.7.3,а) и броневые (рис.7.3,б) трансформаторы. Те части сердечника, на которых размещены о6мотки, называются стержнями, те части, которые соединяют между собой стержни и служат для замыкания магнитной цепи, называют ярмами. Пространства между стержнями и ярмами, через которое проходят обмотки, называются окнами сердечника.

Пластины сердечника после сборки стягиваются планками или уголками при помощи шпилек с гайками либо специальными обжимами. Стяжные планки, уголки или обжимки служат одновременно для крепления трансформатора на шасси.

Из полос электротехнической стали навивают Ш-образные и тороидальные магнитопроводы.

Ш-образный и тороидальный витые магнитопроводы показаны на рис.7.1.

Самыми лучшими свойствами обладают тороидальные магнитопроводы, использование которых приводит к уменьшению уровня помех и взаимных связей в трансформаторах вследствие меньшего потока рассеяния. При одинаковых ампервитках индукция тороидальных магнитопроводов больше, чем в броневых и стержневых. Это позволяет уменьшать размеры и вес трансформаторов. В трансформаторах с тороидальными магнитопроводами лучше условия охлаждения обмоток, поскольку витки распределяются по тороиду. При этом уменьшается длина витка, расходуется меньше провода и повышается КПД трансформатора.

Для высокочастотных трансформаторов рекомендуется выбирать сердечники из ферритов. Ферритами называют ферромагнетики на основе двойных окислов железа и одновалентных или двухвалентных металлов: никеля, цинка, марганца и др. Ферриты имеют кристаллическую структуру и относятся к числу полупроводников с электронной электропроводностью. Для сердечников используют только магнитомягкие материалы. Конструкция ферритовых сердечников разнообразна, но чаще используют стержневые, кольцевые, броневые, Ш- и П-образные сердечники.

КАРКАСЫ

Служат для наматывания обмотки трансформаторов, их прессуют из пластмасс, склеивают из электрокартона или собирают из отдельных деталей, изготовленных из гетинакса, прессшпана, текстолита или электрокартона. Иногда применяют бескаркасную намотку (на гильзу).

ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Обмоткам трансформаторов придают преимущественно форму цилиндрических (круглых) катушек, концентрически нанизываемых на стержень магнитопровода. При такой форме обмотки лучше противостоят механическим усилиям, возникающим во время работы трансформатора.

В некоторых случаях применяют прямоугольные, овальные и другие формы. При малых токах обмотки наматывают из медного или алюминиевого изолированного провода круглого поперечного сечения, а при больших - прямоугольного сечения. В трансформаторах для малогабаритной аппаратуры используют провод с эмалевой изоляцией (ПЭЛ или ПЭВ). Обмотки высокого напряжения наматывают из провода с шелковой или эмалево-шелковой изоляцией (ПЭЛШО, ПЭЛШД). Между слоями обмотки помещают прокладки из лакоткани или тонкой бумаги (чаще изолируют только обмотки первичную и вторичную).

Порядок расположения обмоток на каркасе не имеет принципиального значения. В трансформаторах большой мощности (выше 1 кВА) ближе к стержню располагают обмотку низшего напряжения, так как её легче изолировать от магнитопровода. Для снижения стоимости и удобства перемотки маломощных трансформаторов обмотки из тонких проводов помещают ближе к магнитопроводу (тонкие провода дороже).

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ТРАНСФОРМАТОРОВ

Рассчитать трансформатор - это значит определить размеры магнитопровода, диаметры проводов и числа витков обмоток при известных трансформируемых напряжениях и мощностях.

Изменением размеров окна и сечения магнитопровода можно получить ряд вариантов конструкции одного и того же трансформатора. При изготовлении трансформаторов в расчете часто приходится исходить из наличия имеющегося магнитопровода или пластин для его сборки.

Типовой расчет сетевого трансформатора. Исходные данные для расчёта: U1; U2 ? напряжения первичной и вторичной обмоток; Р2 ? мощность вторичной обмотки, т.е. мощность нагрузки.

Таблица 7.1

Мощность трансформатора 1 , B?A	Амплитуда магнитной индукции в сердечнике Вm , Тл	КПД з, %	Плотность тока в обмотках д, А/мм2
400	1,15	95	1,6

Расчет однофазного трансформатора с учетом частоты напряжения сети

В основу расчета положен геометрический фактор Гф ? это произведение площади окна сердечника Qo, на площадь сечения сердечника (стержня) - Qc, т. e. Qo?Qc. Исходными данными являются первичное и вторичное напряжения (U1; U2) и мощность вторичной обмотки (Р2).

1. Определение расчетного геометрического фактора:

Гфрасч. = (Qо?Qc)расч. = Р2 ? 10²/(2 з f?у?д?Bm) см³,

Гфрасч. = 120?10²/(2?0,95?50?0,3?1,6?1,15)=228,83 (см³),

где Р2 = РН - мощность, потребляемая нагрузкой трансформатора; з - КПД трансформатора из табл.7.1; f - частота, Гц; у = 0,3 - коэффициент заполнения окна медью; д - плотность тока в обмотке ( д = 1...5 А/мм2. При f = 50 Гц д берут из табл.7.1. Чем выше частота тока, тем меньше плотность тока.; Вm - максимальное значение индукции в сердечнике (для трансформаторной стали Вm из табл.7.1).

2. По величине Гфр а с ч . из табл.П.1 (Приложение 1) путём перемножения Qо на Qc подбирается сердечник трансформа тора, таким образом, чтобы:

Гфр е а л ь н о е ? Гфр а с ч е т .

325 см⁴ ? 228,8 см⁴

Броневой сердечник составляют из двух стержневых, размеры которых представлены в Приложении 1, Таблица П.1.

Приложение 1

Таблица П.1

Магнитопроводы типа ПЛ (П-образный, ленточный

Типоразмер магнитопровода	а, мм	y1, мм	b, мм	h, мм	SC, см2	SОК , см	SC SОК , см4	lCP, см
ПЛ25х50х65	25	50	40	65	12,5	26	325	28,8

Рис. 4. Ленточные магнитопроводы. а - стержневой; b - броневой.

3. Расчет числа витков обмоток:

w 1 = U1104/(4,44 f QсBm) = 120?10⁴/(4,44?50?12,5?1,15)=376

w 2 = U2104/(4,44 f QсBm) = 3,6?10⁴/(4,44?50?12,5?1,15)=11

4. Выбор проводов обмоток.

4.1. Расчёт тока обмоток:

I1 = P1/U1=120/120=1 (А);

I2 = P2/U2=120/3,6=33,3(А).

4.2. Расчёт сечения проводов обмоток:

Sпр.1 = I1/д= 1/1,6=0,625 (мм²);

Sпр.2 = I2/д=33,3/1,6=20,81 (мм²),

где д ? плотность тока, выбранная в пункте 1.

4.3. Расчёт диаметра проводов обмоток:

Из стандартного ряда выбирают провод с ближайшим диаметром (табл.П.2, Приложение 2), ориентируясь в сторону увеличения и выписывают расшифровку марки провода и его паспортные данные.

Приложение 2

Таблица П. 2

Основные данные обмоточных проводов

Диаметр без изо- ляции, мм	Сечение меди, мм2	Сопротивление 1 м при 20 оС, Ом	Допустимая нагрузка при плотности тока 2 А/мм2, А	ПЭЛ, ПЭТ	ПЭЛШО
				Диаметр с изоляцией, мм	Вес 100 м с изоляцией, г	Диаметр с изоляцией, мм	Вес 100 м с изоляцией, г
1	2	3	4	5	6	7	8
0,93	0,679	0,026	1,36	0,96	612	1,04	627,3
5,2	21,23					-	-

Приложение 3

Таблица П.3

Характеристика изоляции обмоточных проводов

Марка провода	Характеристика изоляции	Диаметр медной жилы, мм
ПЭЛ	Лакостойкая эмаль	0,03--2,44
ПЭТ	Эмалевая повышенной сто йкости	0,1--5,2
ПЭЛШО	Лакостойкая эмаль (утолщенный слой) и один слой обмотки из натурального шелка	0,05--2,1

5. Проверка заполняемости окна сердечника медью.

(w1 S'пр1 + w2 S'пр2 + ...)/0,3 ? Qореальное,

(376?0,679+11?21,23)/0,3 ? 2600мм²

1629,45 мм² ? 2600мм²

где w1; w2 - числа витков и S'np1 ? Sпр.1, S'np2 ? Sпр.2 - площади сечения проводов первичной и вторичной обмоток. Выбирают по стандартному ряду (табл.П.2, Приложение 2) в соответствии с выбранными диаметрами.

Если это условие выполняется, то данный сердечник можно использовать для трансформатора.

Расчет окончен. Данный сердечник можно использовать для трансформатора.

Размещено на Allbest.ru