Проектування генератора прямокутних імпульсів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вихідні дані

1. Генератор прямокутних імпульсів (ГПІ) у загальмованому режимі

Основні дані до розрахунку:

схема на логічних елементах з додатнім зворотнім зв'язком з диференціюючою RC ланкою

амплітуда вихідного імпульсу Uвих мах = 5 В;

тривалість вихідного імпульсу ф_іОВ = 1 * 10^-3 С

2. Блок живлення

схема випрямлення змінного струму: випрямна з подвоєнням напруги

схема стабілізатора: параметричний стабілізатор напруги з емітер ним повторювачем на VT

напруга мережі Uм = 220 В;

частота fм = 50 Гц;

середнє значення випростаної напруги U = 20 В;

напруга на навантаженні U0 = 15 В;

потужність на навантаженні P0 = 4,0 Вт

номінальний струм навантаження Ін = 0,26 А

1. Проектування генератора прямокутних імпульсів (ГПІ)

1.1 Аналіз схем реалізації очікувальних генераторів прямокутних імпульсів

Очікувальні мультивібратори, або одновібратори - це пристрої, здатні почергово знаходитися в двох станах: довготривалому стійкому стані і короткочасному (квазистійкому) стані [6]. Очікувальні генератори прямокутних імпульсів (одновібратори ОВ) призначені для формування прямокутного імпульсу заданої тривалості під час вступу на вхід короткого запускаючого імпульсу. Такі генератори мають один стійкий і один квазістійкий стани, перехід в які здійснюється регенеративно. Для переведення з стійкого стану в квазистійкий на вхід схеми треба подати зовнішній запускаючий імпульс, після якого вона формує одне переключення, а потім постійно повертається в початковий стан.

Якщо використовувати тільки момент закінчення квазистійкого стану, який може мати регульовану довжину, довжина вихідного імпульсу, тобто визначить затримку вихідного сигналу по відношенню до фронту вхідного імпульсу і одновібратор працює як схема регульованої затримки сигнала.

Одновібратори широко використовуються в пристроях автоматики та систем управління різноманітних модифікацій. Вони можуть бути реалізовані на дискретних елементах, логічних мікросхемах або операційних підсилювачах. Схеми на дискретних елементах використовуються в нестандартній апаратурі систем автоматичного регулювання і контролю процесів виробництва, в перетворювальній техніці, ядерній фізиці, де необхідні підвищені значення напруги і струму. В якості активних елементів в таких системах частіше всього використовуються біполярні транзистори, але також можуть використовуватись і польові та одноперехідні транзистори, діодні та тріодні тиристори.

Схеми на логічних елементах найбільш широко використовуються в різного роду цифровій апаратурі в силу своєї простоти, універсальності живлення (як правило, одне джерело +5В використовується для живлення всього пристрою) та зручності роботи з іншими інтегральними елементами [6].

1.1.1 Одновібратор на дискретних елементах

Типова схема такого одновібратора показана на рис. 1.1 а. У стійкому положенні транзистор VT1 закритий позитивним зміщенням U_cм на базі від джерела напруги +Е_зм1 , а транзистор VT2 відкритий негативним зміщенням -Е_зм2 , підключеним до бази через резистор часозадаючого ланцюга R. Конденсатор С заряджений практично до напруги Е_к (рис. 1.1, б). З приходом у момент часу t₁ негативного запускаючого імпульсу u_вх у базу VT1 останній відкривається, конденсатор С підключається до входу транзистора VT1, закриваючи його. Колекторна напруга и_к2 , VT2 стрибком збільшується до напруги -Е_к , забезпечуючи протікання через базу VT1 струму бази і_Б1 , більшого І_Бн1 . Схема перейшла у квазістійкий стан, тривалість якого визначається часом перезаряду конденсатора часозадаючого ланцюга С від напруги Е_к до нуля під дією напруги -Е_зм2 . В момент часу t₂ напруга на конденсаторі С зменшується до нуля і відбувається регенеративне відновлення початкового стану, який закінчується після заряду конденсатора С [3].



Рис. 1.1. Одновібратор на дискретних елементах

1.1.2 Одновібратори на логічних елементах

Принципова схема ОВ і часові діаграми, що ілюструють його роботу, показані на рис. 1.2. В початковому стані на и_вх1 подано напругу логічної одиниці U¹. Величина и_вх2=U⁰. На виході елементу D2 - напруга логічної 1, яка по ланцюжку зворотного зв'язку подається на другий вхід елементу D1. Конденсатор С розряджений [3].

В момент t₁ напруга и_вх1 стає рівна логічному 0. Напруга на виході D1 стає рівною логічній 1, і так як в перший момент заряд на конденсаторі не змінюється, вона повністю поступає на вхід елементу D2, скидаючи її в нульовий стан. Логічний 0 з виходу D2 по ланцюжку зворотного зв'язку поступає на другий вхід D1, забезпечуючи його відкритий стан після закінчення вхідного імпульсу и_вх1.

Схема переходить у квазістійкий стан, тривалість якого визначається параметрами часозадаючого ланцюга RC. В міру заряду конденсатора С через вихідний опір R_вих1 закритого елементу D1 струм заряду зменшується і напруга на резисторі спадає. В момент t₂, коли и_вх2=U_пор, напруга на виході D2 починає рости, що приводить до зменшення напруги и_вих1, а значить, ще більшому зменшенню и_вх2.



Рис. 1.2. Одновібратор на логічних елементах

У схемі ОВ (рис. 1.3 а) формування імпульсу t_і відбувається в процесі заряду конденсатора С джерела живлення Е.

В початковому стійкому стані вентиль D2 відкритий, на обох його входах - напруга логічної 1, а вентиль D1 закритий, на входах - нулі. Конденсатор С розряджений, на обох його обкладаннях високі рівні напруги. В момент t₁ на вхід D2 поступає негативний запускаючий імпульс і елемент D2 переключається із стану 0 у стан 1. Вихідний сигнал D2 поступає на вхід D1, який переключається при цьому у стан 0.

Негативний перепад напруги передається через конденсатор С на вхід D2 і утримує його в закритому стані. По мірі заряду конденсатора зростає напруга на вході вентиля D2.

При досягненні цією напругою рівня U_пор вентиль D2 починає відкриватися, напруга на його виході зменшується і досягає значення, при якому закривається вентиль D1.

Рис. 1.3. Одновібратор з одним виходом

1.1.3 Одновібратори на операційних підсилювачах

Приклад схеми ОВ з часозадаючим ланцюгом, конденсатор якого підключений між виходом і прямим входом ОП, показаний на рис. 1.4 а [3].

В початковому стійкому стані прямий (неінвертуючий) вхід ОП через резистор R підключений до землі і U_вх⁺=0.

Напруга на інвертуючому вході менша, ніж на інвертуючому, і ОП переключається у протилежний стан. Напруга на виході ОП росте і через конденсатор передається на неінвертуючий вхід.

Одновібратор стрибком переходить у протилежний стан з виходом +Е. Починається перехідний процес перезаряду конденсатора від напруги +Е до напруги -Е через резистор. В момент t₂ починається процес відновлення стану схеми, який також протікає лавиноподібно.

Схема повертається у стійкий стан і повністю відновлюється після заряду конденсатора до напруги Е.



Рис. 1.4. Одновібратор на ОП

1.2 Вибір схеми реалізації ГПІ

До таких схеми обов'язково входять логічні елементи, які в свою чергу складаються з підсилюючих елементів.

Для формування імпульсу можуть використовуватися схеми без додатного зворотного зв'язку ПЗЗ, коли формування крутого фронту імпульсу досягається за допомогою підсилення крутизни нарощування вхідної напруги логічного елемента, і схеми з ПЗЗ подібні схемам на дискретних елементах, коли формування фронту здійснюється за рахунок дії ПЗЗ з підсиленням, більше за одиницю.

Часові зсуви в схемах таких одновібраторів забезпечується за рахунок повільних процесів зміни напруги в інтегрувальних і диференціюючих RC-ланках.

Найпростіші ОВ без ПЗЗ є схема рис. 1.1 а, побудованому на RC-ланці і ТТЛ-інверторі.

Роботу цієї схеми зручно розглядати на основі схеми заміщення і амплітудної характеристики ТТЛ інвертора. В стійкому стані u_вх=0 і на конденсаторі С встановлюється напруга U⁰_С , яке можна визначити з еквівалентної рис. 1.1 б.



Рис. 1.1. Одновібратор на логічних елементах

У момент t1 (точка 1, рис. 1.1 в) на вхід схеми надходить імпульс із амплітудою U_вх.мах?Е. На ділянці t1-t2 постійна часу заряду конденсатора

ф₁ = (R||R_Б)C,

а напруга, до якої прагне зарядитися конденсатор, U¹_C (?) ? U_вх.мах .

При досягненні напруги на конденсаторі C значення u_C = U⁰_пор починається формування попереднього фронту вихідного імпульсу u_вих , що закінчується в момент часу t2 (точка 2) при u_C = U¹_пор .

На ділянці t2-t3 перехідного процесу вхід мікросхеми практично не навантажує RC-ланка і подальше наростання u_C відбувається із постійної часу

ф₁ = RC.

З моменту t3 імпульс закінчується й конденсатор починає розряджатися з постійної часу ф₂, причому напруга на ньому прагне до нуля. При досягненні значення U¹_пор вхід мікросхеми відкривається й постійна часу розряду приймає значення ф₁ , а напруга, до якого прагне

u_C = U⁰_C .



Рис. 1.2. Одновібратори без ПЗЗ

Приклад ОВ без ПЗЗ на основі диференціюючого RC-ланки та тимчасової діаграми її роботи показані на рис. 1.2 а і б. Характерною рисою таких схем є стрибок негативної напруги на вході навантаженого на цей ланцюг логічного елемента, для виключення якого рекомендуються входи мікросхем шунтувати назад включеними діодами. Ці діоди шунтують вхідний опір мікросхеми при розряді конденсатора й тим самим зменшують час відновлення схеми.

На ділянці t1-t2 після стрибка вхідної напруги починається заряд конденсатора C з постійною часу

ф₁ = (R¹_вих + R)C ,

де R¹_вих -- вихідний опір елемента 2 при напрузі логічної одиниці на виході. У міру заряду конденсатора струм заряду, а значить і напруга u_R на вході мікросхеми DD3 зменшується й при u_R = U¹_пор вентиль DD3 закривається, а його вхідний ланцюг відкривається. Це приводить до зміни постійної часу заряду конденсатора , що стає рівною

ф₂ = (R¹_вих + R||R_Б)C.

По закінченні вхідного імпульсу елемент відкривається, ліва обкладка конденсатора заземлюється й він швидко розряджається через вихідний опір R⁰_вих відкритого елемента DD2 й діод на вході елемента DD3.

Схеми ОВ з ПЗЗ у своїй структурі використовують розглянуті схеми включені таким чином, щоб організувати позитивний зворотний зв'язок. Приклад такої схеми показаний на рис. 1.3 а. Вона відрізняється від схеми рис. 1.2 а, наявністю зв'язку між виходом елемента DD3 й входом елемента DD2.



Рис. 1.3. Одновібратори з ПЗЗ

У стійкому стані елементи DD1 й DD3 закриті й мають логічні одиниці на виході, а елемент DD2 відкритий. При надходженні вхідного імпульсу інвертор DD1 відкривається, закриваючи елемент DD2 . На його виході встановлюється одиниця, що негайно передається на вхід елемента DD3 , перемикаючи його. Далі, як й у розглянутій вище схемі рис. 1.2.а, починається процес повільного заряду конденсатора, однак він закінчується не по закінченні вхідного імпульсу, а при u_R = U¹_пор , коли починаєся перемикання елемента DD1 й за ним перемикання елемента DD2 . Замикається ПЗЗ і відбувається зворотне перемикання одновібратора.

Схема генератора прямокутних імпульсів на логічних елементах з додатнім зворотнім зв'язком та диференціюючою RC-ланкою включає в себе резистор, діод, конденсатор і мікросхема. Вибираємо схему:

1.3 Розрахунок і вибір елементної бази

Для розрахунку і виробу елементної бази необхідні такі початкові параметри ОВ:

- амплітуда вихідного імпульсу U_{вих мах} = 5 В,

- тривалість вихідного імпульсу ф_іОВ = 1 * 10^-3 С,

- максимальний колекторний струм I_К2мах = 5 * 10^-3 А.

а) визначаємо напругу джерела живлення E_к за даною амплітудою вихідних імпульсів U_{вих мах} :

Е_к = (1.1-1.4) * U_{вих мах} = (1.1-1.4) * 5 = 6 В; /1/

б) транзистор відповідно до завдання вибираємо типу - n-p-n за максимальними значеннями колекторних струму і напруги та швидкодією:

U _Кдоп > 1.5 * U_Кмах , I_Кдоп > 1.5 * I_Кмах , F_доп > 1.5 * F_мах, де

U_Кмах = E_к = 6 В, I_Кмах = 5 * 10^-3 А , F_мах = 1/ ф_іОВ = 1 * 10³ Гц; /2/

(за умовою).

Для вказаних значень параметрів вибираємо транзистор BC107, що має такі основні паспортні дані якого наступні:

в) U_Кдоп = 50 В, I_Кдоп = 200 * 10^-3 А, F_доп = 60 * 10³ Гц,

коефіцієнт = 40 - 120, позначення виводів: емітер - з білою позначкою, колектор - середній вивід;

г) значення R_Е :

R_Е = U_Е2 / I_Е2мах U_Е2 / I_К2мах = 3 / 5 *10^-3 600 Ом; /3/

д) значення R_К2 і R_Б2:

R_К2 = (/Е_к / - / U_{К2 мін} /) / I_К2мах (/Е_к / - / U_Е2 /) / I_К2мах =

= (6 - 3) / 5 * 10^-3 = 0.6 * 10³ Ом; /4/

R_Б2 = 0.7 * R_К2 * _min = 0.7 * 0.6 * 10^-3 * 40 17 * 10³ Ом; /5/

е) оскільки

/ U_{Е2 мах} / > / U_Б1 / > / U_{Е1 мах} / і U_{Е2 мах} = 3 В

(за умовою), то вибираємо

U_Б1 = 2 В і U_{Е1 мах} = 1 В;

є) значення максимального колекторного струму I_К1мах

I_К1мах I_Е1мах = U_Е1 / R_Е = 1 / 600 = 1,6 * 10^-3 А; /6/

ж) значення R_К1

R_К1 = (/Е_к / - / U_{К1 мін} /) / I_{К1 мах} (/Е_к / - / U_{Е1 max} /) / I_{К1 mах} = (6 - 1) / 1,6 * 10^-3 3.1 * 10³ Ом; /7/

з) значення резисторів R_Б11 і R_Б12 :

I_К1мах = 1,6 * 10^-3 А; I_Б1мах = I_К1мах / = 1,6 * 10³ / 0.1*10^-3 А; /8/

I_{діл VT1} = ( 0.5ч10) * I_Б1мах = 1* 10^-3 А; U_Б1 = 2 В, /9/

тоді

R_Б12 = U_Б1 / I_{діл VT1} = 2 * 10³ Ом; /10/

R_Б11 = (Е_к - U_Б1 ) / I_{діл VT1} = 4 * 10³ Ом; /11/

и) значення С_і :

C = ф_іОВ / ( R_Б2 * ln2 ) = 1 * 10^-3 / (17 * 10³ * 0.7 ) = 0.08 * 10^-6 Ф; /12/

і) визначення часу відновлення заряду С_і :

ф_зарС = R_К1 * C * ln 2 = 3.1 * 10³ * 0.08 * 10^-6 * 0.7 = 0.174 *10^-3 С; /13/

1.4 Моделювання роботи спроектованого ГПІ на ЕОМ

Моделювання роботи схем ГПІ здійснювалось в Electronics Work Bench з метою перевірки правильності розрахованих даних.

Для схеми генератора прямокутних імпульсів значення ємності конденсатора С1 = 0,08 мкФ, опору резистора R1 = 600 Ом.

В результаті моделювання отримано такі імпульси.

Рис. 1.1 Моделювання схеми генератора.

Оскільки генератор прямокутних імпульсів симетричний, то тривалість імпульсів та паузи є однакова.

Розрахункові значення тривалості вихідного імпульсу та визначення часу відновлення заряду С такі:

Тривалість вихідного імпульсу

ф_іОВ = 1 * 10^-3 С;

Тривалість паузи

Ф_пОВ = 1 * 10^-3 С;

Визначення часу відновлення заряду С

ф_зарС = 0.174 * 10^-3 С.

Експерементальні значення:

Тривалість вихідного імпульсу

ф_{іОВ екс} = 4,8 гориз. кл. * 0,20 = 0,96 * 10^-3 С;

Тривалість паузи

Ф_{пОВ екс} = 0,2 гориз. кл. * 0,20 = 0,04 * 10^-3 С;

Визначення часу відновлення заряду С

ф_зарС = 1 гориз. Кл. *0,20 = 0,20 * 10^-3 С.

Отже, експерементально доведено, що генератор є симетричний.

Збільшимо ємність конденсатора вдвічі, що призведе до зміни значень тривалості імпульсу і паузи. С = 0,16 мкФ.



Рис. 1.2 Моделювання схеми генератора зі збільшеною вдвічі ємністю конденсатора

Таким чином значення тривалостей будуть такі:

Тривалість вихідного імпульсу

ф_{іОВ екс} = 4,5 гориз. кл. * 0,20 = 0,9 * 10^-3 С;

Тривалість паузи

Ф_{пОВ екс} = 0,5 гориз. кл. * 0,20 = 0,1 * 10^-3 С;

Визначення часу відновлення заряду С

ф_зарС = 2 гориз. Кл. *0,20 = 0,40 * 10^-3 С.

Збільшимо опір резистора вдвічі.



Рис. 1.3 Моделювання схеми генератора зі зменшеним опором резистора вдвічі.

Результати значень тривалостей імпульсу та паузи змінились:

Тривалість вихідного імпульсу

ф_{іОВ екс} = 4 гориз. кл. * 0,20 = 0,8 * 10^-3 С;

Тривалість паузи

Ф_{пОВ екс} = 1 гориз. кл. * 0,20 = 0,2 * 10^-3 С;

Визначення часу відновлення заряду С

ф_зарС = 2,5 гориз. Кл. *0,20 = 0,50 * 10^-3 С.

2. Проектування блоку живлення

Джерела живлення є одним з найрозповсюдженіших вузлів радіоелектронних пристроїв. Параметри джерел живлення - надійність, економічність, експлуатаційні властивості, габарити - в значній мірі визначають технічні показники пристрою в цілому.

Найбільш розповсюдженішою є система вторинного електричного живлення, що складається з джерела змінної напруги, випрямляча і стабілізатора постійної напруги. Джерелом змінної напруги є, зазвичай, розподільча електрична мережа енергосистеми.

2.1 Випрямлячі змінного струму

Випрямлячі використовуються в блоках живлення радіоелектронних пристроїв для перетворення перемінної напруги в постійне. Схема будь-якого випрямляча містить 3 основних елементи [8]:

Силовий трансформатор - пристрій для чи зниження підвищення напруги живильної мережі і гальванічної розв'язки мережі з апаратурою.

Випрямний елемент (вентиль), що має однобічну провідність - для перетворення перемінної напруги в пульсуюче.

Фільтр - для згладжування пульсуючого напруги.

Випрямлячі можуть бути класифіковані по ряду ознак:

за схемою випрямлення - однопівперіодні, двопівперіодні, бруківки, з подвоєнням (множенням) напруги, багатофазні й ін.

По типі випрямного елемента - лампові(кенотронні), напівпровідникові, газотроні й ін.

По величині випрямленої напруги - низької напруги і високого.

По призначенню - для харчування анодних ланцюгів, ланцюгів сіток, що екранують, ланцюгів керуючих сіток, колекторних ланцюгів транзисторів, для зарядки акумуляторів і ін.

Основні характеристики випрямлювачів:

Основними характеристиками випрямлювачів є:

Номінальна напруга постійного струму - середнє значення випрямленного напруги, задана технічними вимогами. Звичайно вказується напруга до фільтра U0 і напруга після фільтра (чи окремих його ланок - U. Визначається значенням напруги, необхідним для що живляться випрямителем пристроїв.

Номінальний випрямленний струм I0 - середнє значення випрямленного струму, тобто його постійна складова, заданими технічними вимогами. Визначається результуючим струмом усіх ланцюгів що живляться випрямителем.

Напруга мережі Uмер - напруга мережі перемінного струму, що харчує випрямлювач. Стандартне значення цієї напруги для побутової мережі -220 вольтів з відхиленнями, що допускаються, не більш 10 %.

Пульсація - перемінна складова чи напруги струму на виході випрямляча. Це якісний показник випрямляча.

Частота пульсацій - частота найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча. Для самої простой-однополуперіодної схеми випрямляча частота пульсацій дорівнює частоті живильної мережі. Двопівперіодні, мостові схеми і схеми подвоєння напруги дають пульсації, частота яких дорівнює подвоєній частоті живильної мережі. Багатофазні схеми випрямлення мають частоту пульсацій, що залежить від схеми випрямляча і числа фаз.

Коефіцієнт пульсацій - відношення амплітуди найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча до середнього значення чи напруги струму. Розрізняють коефіцієнт пульсацій на вході фільтра (p0 % ) і коефіцієнт пульсацій на виході фільтра (p %). Значення коефіцієнта, що допускаються, пульсацій на виході фільтра визначаються характером навантаження.

Коефіцієнт фільтрації (коефіцієнт згладжування) - відношення коефіцієнта пульсацій на вході фільтра до коефіцієнта пульсацій на виході фільтра

k з = p0 / p.

Для багатоланкових фільтрів коефіцієнт фільтрації дорівнює добутку коефіцієнтів фільтрації окремих ланок.

Коливання (нестабільність) напруги на виході випрямляча - зміна напруги постійного струму щодо номінального. При відсутності стабілізаторів напруги визначаються відхиленнями напруги мережі.

2.1.1 Опис роботи основних схем випрямлячів

Випрямлячі, застосовувані для однофазної побутової мережі виконуються по 4 основним схемам: однопівперіодної, двопівперіодної з нульовою крапкою(чи просто- двопівперіодної), двопівперіодної бруківки(чи просто -бруківки, рідше називається як “схема Греца”), і схема подвоєння(множення) напруги(схема Латура). Для багатофазних промислових мереж застосовуються два різновиди схем: Однопівперіодна багатофазна і схема Ларионова.

Найчастіше використовуються трифазні схеми випрямлювачів [8].

Основні показники, що характеризують схеми випрямлювачів можуть бути розбиті на 3 групи:

Стосовні до усьому випрямителю в цілому: U0 -напруга постійного струму до фільтра, I0 - середнє значення випрямленного струму, p0 - коефіцієнт пульсацій на вході фільтра.

Визначальні вибір випрямного елемента (вентиля): Uобр - зворотна напруга (напруга на випрямному елементі(вентилі) у непровідну частину періоду), Iмакс - максимальний струм минаючий через випрямний елемент (вентиль) у провідну частину періоду.

Визначальні вибір трансформатора: U2 - діюче значення напруги на вторинній обмотці трансформатора, I2 - діюче значення струму у вторинній обмотці трансформатора, Pтр - розрахункова потужність трансформатора.

2.1.2 Основні характеристики різних схем випрямлення.

Порівняння схем випрямлення й орієнтований розрахунок випрямляча можна зробити використовуючи дані з таблиці [8].

Тип схеми	Uобр	I макс	I 2	U 2	C 0 *	P0 %	U C0
Однопівперіодна	3 U0	7 I 0	2 I 0	0,75U0	60 I 0/U0	600 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	1,2U0
Двопівперіодна	3 U0	3,5 I 0	I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	1,2U0
Бруківка	1,5 U0	3,5 I 0	1,41 I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	1.2U0
Подвоєння напруги	1,5 U0	7 I 0	2,8 I 0	0,38U0	125 I 0/U0	1250 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	0,6U0

* Значення ємності конденсатора розраховане для P0 % = 10 %

Задавши значенням напруги на виході випрямляча U0 і значенням номінального струму в навантаженні(середнього значення випрямленного струму) I0, можна без праці визначити напруга вторинної обмотки трансформатора, струм у вторинній обмотці, максимально припустимий струм вентилів, зворотна напруга на вентилях, а також робоча напруга конденсатора фільтра. Задавши необхідним коефіцієнтом пульсацій, можна розрахувати значення ємності на виході випрямляча.

Однопівперіодний випрямлювач.

Принципова схема й осцилограми напруги випрямляча приведені на малюнку.



Рис. 1.1U2 - напруга на вторинній обмотці трансформатора

Uн - напруга на навантаженні.

Uн0 - напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

Як видно на осцилограмах напруга з вторинної обмотки трансформатора проходить через вентиль на навантаження тільки в позитивні напівперіоди перемінної напруги. У негативні напівперіоди вентиль закритий і напруга в навантаження подається тільки з зарядженого в попередній напівперіод конденсатора. При відсутності конденсатора пульсації випрямленного напруги досить значні.

Недоліками такої схеми випрямлення є: Високий рівень пульсації випрямленного напруги, низький ККД, значно більший, ніж в інших схемах, вага трансформатора і нераціональне використання в трансформаторі міді і стали.

Дана схема випрямляча застосовується вкрай рідко і тільки в тих випадках, коли випрямлювач використовується для харчування ланцюгів з низьким струмом споживання.

Двопівперіодний випрямлювач з нульовою крапкою.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.



Рис. 1.2U2 - Напруга на одній половині вторинної обмотки трансформатора

Uн - Напруга на навантаженні.

Uн0 - Напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

У цьому випрямлячі використовуються два вентилі, що мають загальне навантаження і дві однакові вторинні обмотки трансформатора(чи одну із середньою крапкою). Практично схема являє собою два однопівперіодних випрямляча, що мають два різних джерела і загальне навантаження. В одному напівперіоді перемінної напруги струм у навантаження проходить з однієї половини вторинної обмотки через один вентиль, в іншому напівперіоді - з іншої половини обмотки, через інший вентиль.

Перевага: Ця схема випрямляча має в 2 рази менше пульсації в порівнянні з однопівперіодної схемою випрямлення. Ємність конденсатора при однаковому з однопівперіодної схемою коефіцієнті пульсацій може бути в 2 рази менше.

Недоліки: Більш складна конструкція трансформатора і нераціональне використання в трансформаторі міді і стали.

Мостова схема випрямляча.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку



Рис. 1.3

U2 - напруга вторинної обмотки трансформатора

Uн - напруга на навантаженні.

Uн0 - напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

Основна особливість даної схеми - використання однієї обмотки трансформатора при випрямленні обох напівперіодів перемінної напруги.

При випрямленні позитивного напівперіоду перемінної напруги струм проходить по наступній ланцюзі: Верхній висновок вторинної обмотки - вентиль V2 - верхній висновок навантаження - навантаження - нижній висновок навантаження - вентиль V3 - нижній висновок вторинної обмотки - обмотка.

При випрямленні негативного напівперіоду перемінної напруги струм проходить по наступній ланцюзі: Нижній висновок вторинної обмотки - вентиль V4 - верхній висновок навантаження - навантаження - нижній висновок навантаження - вентиль V1 - верхній висновок вторинної обмотки - обмотка.

Як ми бачимо, в обох випадках напрямок струму через навантаження (виділено курсивом) однаково.

Переваги: У порівнянні з однопівперіодної схемою мостова схема має в 2 рази менший рівень пульсацій, більш високий ККД, більш раціональне використання трансформатора і зменшення його розрахункової потужності. У порівнянні з двопівперіодної схемою бруківка має більш просту конструкцію трансформатора при такому ж рівні пульсацій. Зворотна напруга вентилів може бути значно нижче, ніж у перших двох схемах.

Недоліки: Збільшення числа вентилів і необхідність шунтування вентилів для вирівнювання зворотної напруги на кожнім з них.

Ця схема випрямляча найбільше часто застосовується у всіляких пристроях. На основі цієї схеми, при наявності середнього висновку з вторинної обмотки трансформатора можна одержати ще два варіанти схем випрямлення:

Рис. 1.4

На лівій схемі відвід від середини вторинної обмотки дозволяє одержати ще одна напруга, менше основного в 2 рази. У такий спосіб основна напруга виходить з мостової схеми випрямлення, додаткове - із двопівперіодної.

На правій схемі виходить двополярна напруга амплітудою в 2 рази менше ніж одержуване в основній схемі. Обоє напруги виходять за допомогою двопівперіодних схем випрямлення.

Схема подвоєння напруги.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.



Рис. 1.5

U2 - напруга вторинної обмотки трансформатора

Uн - напруга на навантаженні.

Відмінною рисою даної схеми є те, що в одному напівперіоді перемінної напруги від вторинної обмотки трансформатора “заряджається” один конденсатор, а в другому напівперіоді від тієї ж обмотки- іншої. Оскільки конденсатори включені послідовно, те результуюче напруга на обох конденсаторах ( на навантаженні) у два рази вище, ніж можна одержати від тієї ж вторинної обмотки в схемі з однопівперіодним випрямлячем.

Переваги: Вторинну обмотку трансформатора можна розраховувати на значно меншу напругу.

Недоліки: Значні струми через вентилі випрямляча, Рівень пульсацій значно вище, ніж у схемах двопівперіодних випрямлювачів.

Ця ж схема може використовуватися ще в двох варіантах:



Рис. 1.6, 1.7

Ліва схема призначена для одержання двох напруг харчування однієї полярності, права - для одержання двуполярного напруги з загальною крапкою.

В другому варіанті схеми характеристики випрямляча відповідають характеристикам однопівперіодного випрямляча.

Багатофазні випрямлячі.

Багатофазні випрямлячі застосовуються як правило тільки в промисловій і спеціальній апаратурі.

Звичайно в промисловій апаратурі застосовуються трифазні випрямлячі двох типів - трифазний випрямлювач і випрямлювач Ларионова.



Рис.1.8

ФА, ФС, ФВ - напруги на вторинних обмотках трифазного трансформатора.

Uva, Uvb, Uvc - напруги на навантаженні одержувані з відповідного вентиля.

Uн - сумарна напруга на навантаженні.

Трифазний випрямлювач.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

Випрямлювач являє собою однопівперіодний випрямлювач для кожної з трьох фазних вторинних обмоток. Усі три вентилі мають загальне навантаження.

Якщо розглянути осцилограми напруги на навантаженні при відключеному конденсаторі для кожної з трьох фаз, то можна помітити, що напруга на навантаженні має такий же рівень пульсацій як і в схемі однопівперіодного випрямлення. Зрушення фаз(тобто зрушення за часом) напруг випрямлювачів між собою в результаті дасть у 3 рази менший рівень пульсацій, чим в однофазної однопівперіодної схемі випрямлення.

Достоїнства: Низький рівень пульсацій випрямленного напруги.

Недоліки: Так само як і в однофазної однопівперіодної схемі випрямлення низький ККД, нераціональне використання трансформатора. Даний випрямлювач не застосуємо для звичайної однофазної мережі.

Схема Ларионова.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

Цей випрямлювач являє собою бруківки випрямлячі для кожної пари трифазних обмоток, що працюють на загальне навантаження. З'єднуючи в собі достоїнства мостового випрямляча і трифазного харчування, він має настільки низький рівень пульсацій, що дозволяє працювати майже без конденсатора, що згладжує, чи з невеликою його ємністю.

Недоліки: Збільшена кількість вентилів. Випрямлювач також не може бути застосований для роботи в однофазній побутовій мережі.

Випрямлячі для безтрансформаторного харчування апаратури.

Безтрансформаторні випрямлячі є найпростішими неавтономними джерелами постійного струму. Вони застосовуються при напругах близьких до напруги чи мережі перевищуючих його в 1,5 - 2,5 рази і струмах до декількох десятків міліамперів.

Обмежене застосування безтрансформаторних випрямлювачів порозумівається в першу чергу вимогами техніки безпеки, тому що обоє полюса випрямленного напруги гальванически зв'язані з мережею. Другий недолік таких випрямлювачів - відсутність гнучкості при виборі випрямленного напруги. Для радіоапаратури можна використовувати в якості безтрансформаторних випрямлячі: Однопівперіодний, бруківки, подвоєння напруги. Основні характеристики такі ж як і у випадку з трансформаторним харчуванням. Сіткову напругу підключають до точок підключення вторинних обмоток трансформаторів(замість трансформатора).

Безтрансформаторні схеми небезпечні для використання!

Для харчування малогабаритної портативної апаратури зі струмами до 15-20 міліамперів можна застосовувати однопівперіодні чи бруківки схеми з конденсаторами, що гасять.

У цій схемі конденсатор Сгас виконує роль “безватного” реактивного опору, що утворить з активним опором навантаження своєрідний дільник напруги.

Рис. 1.9

Реактивний опір конденсатора, що гасить, зазначено у формулі.

Дана схема може знайти застосування для заряду малогабаритних акумуляторів радіоприймачів, радіостанцій і радіотелефонів.

При конструюванні й експлуатації випрямляча також необхідно дотримувати обережність!

Деякі рекомендації з роботи з випрямлячами.

Вторинні обмотки трансформаторів необхідно завжди захищати плавкими запобіжниками. У цьому випадку коротке замикання в ланцюзі навантаження не приведе до таких наслідків як вихід з ладу трансформатора і тим більше не приведе до загоряння апаратури.

Часто при конструюванні випрямлювачів виявляється, що немає потрібних вентилів(діодів) чи конденсаторів з потрібними характеристиками. У такому випадку можна застосувати рівнобіжне чи послідовне з'єднання чи вентилів конденсаторів.

Що при цьому потрібно пам'ятати?

Якщо наявні вентилі (діоди) по припустимому струмі менше розрахункового максимального струму, можна застосувати рівнобіжне з'єднання таких діодів, помноживши їхній припустимий струм на кількість діодів у “зв'язуванні”.

У випадку, якщо припустима зворотна напруга вентилів (діодів) менше розрахованого значення, можна застосувати їхнє послідовне з'єднання, уключивши паралельно кожному діоду шунтирующі резистори, що вирівняють зворотна напруга між діодами. Величину опору шунта розраховують по формулі:

Rш = 700 * Uобр / N

для діодів з Uобр менше 200 В и Імакс = 1 - 10 А

Чи

Rш = 150 * Uобр / N

для діодів з Uобр більш 200 В и Iмакс менш 0,3 А

У випадку якщо ємність конденсатора менше розрахункової, можна застосувати рівнобіжне включення декількох конденсаторів, що мають робочу напругу не менше розрахункового.

У випадку, якщо робоча напруга конденсаторів менше припустимого для конкретної схеми, можна застосувати послідовне включення конденсаторів, не забуваючи, що загальна ємність у цьому випадку зменшиться в стільки разів, скільки конденсаторів буде включено в послідовний ланцюг.

Таку схему застосовувати можна тільки в крайньому випадку, оскільки в такій схемі пробій(коротке замикання) одного конденсатора викликає “ланцюгову реакцію”, тому що на, що залишилися в роботі конденсатори буде прикладене більша напруга, чим було до замикання одного з них. Шунтування конденсаторів резисторами в цьому випадку не рятує апаратуру від послідовного виходу з ладу конденсаторів у всьому ланцюжку. Краще застосувати послідовне з'єднання декількох випрямлювачів, розрахованих на більш низьку напругу. Тоді при пробої одного з конденсаторів вихідна напруга проста знизиться.

2.1.3 Вибір схеми випрямляча, розрахунок та вибір елементної бази

Розрахунок випрямляча здійснюється відповідно до технічного завдання (ТЗ), у якому містяться дані про мережу, що живить выпрямляч, і його вихідні параметри.

При розрахунку выпрямляча визначаються: схема выпрямляча, кількість і тип вентилів, схема фільтра і його елементи, режими роботи вентилів, струми і напруги обмоток трансформатора і параметри згладжувального фільтра.

Таблиця №1Основні параметри схем некерованих випростувачів

№ схеми	Назва схеми випростувача	I2/Id	U2/Ud	Iv/Id	Uзв.макс/Ud	Sm/Pd	КПвх
1.	Однопівперіодна	1,57	2,22	1	3,14	3,5	1,57
2.	Двопівперіодна з нульовою точкою	0,785	1,11	0,5	3,14	1,48	0,67
3.	Мостова	1,11	1,11	0,5	1,57	1,23	0,67

Розраховуємо випрямляч, що працює на ємнісно-активне навантаження. Вихідні дані: напруга мережі U_m = 220 В з частотою f_м=50 Гц; середнє значення випростаної напруги U = 20B; напруга на навантаження U₀= 15В; потужність на навантаження P₀= 4.0Вт.

Потужність навантаження

P_o = U_oI_o =>I0 = P0/U0 = 4/15 = 0,26 A; /1/

Опір навантаження

R_н = U_o/I_o= 15 / 0,26 =57,7 Ом; /2/

З таблиці №1 визначаємо параметри випростувача:

діюче значення струму

I₂ = 0,26*1,57 = 0,4 А; /3/

діюче значення напруги

U₂ = 15*2,22 = 33,3 В; /4/

значення струму вентиля

I_v = 1*0,26 = 0,26 А; /5/

максимальну допустиму зворотню напругу

U_{зв.макс} = 15*3,14 = 47,1 В; /6/

потужність трансформатора

S_m = 4*3.5 = 14 В/А; /7/

Вибір типу вентилів випростувала та їх кількість здійснюється за такими параметрами, дотримуючись умов:

за допустимим струмом: I_доп ? I_v;

за допустимою зворотньою напругою: U_зв.доп ? U_{зв.макс}.

Виходячи з цих умов приймаємо вентиль KD106A з такими параметрами:

допустимий випростаний струм I_доп = 0,3 А;

допустима зворотна напруга U_зв.доп = 100 В;

постійна пряма напруга U_пр = 2 В.

Визначаємо параметри трансформатора:

Напруга вторинної обмотки U₂ = 33,3 В.

Струм вторинної обмотки І₂ = 0,4 А.

Напруга первинної обмотки U₁ = 52,28 В.

K = U1/U2; /8/

K = 1,57; /9/

U1 = k*U2; /10/

U1 = 1,57*33,3 = 52,28 B; /11/

Струм первинної обмотки

I₁ = 0,37 A; /12/

S2 = I2*U2 = 0,4*52,28 = 20,9 B/A; /13/

Sm = 14 = 0,5S1+0,5S2; /14/

S1 = (Sm-0,5S2)/0,5 = 7 B/A; /15/

I1 = S1/U1 = 7/52,28 = 0,13 A; /16/

Габаритні потужності первинної і вторинної обмоток трансформатора однакові:

S₁ = S₂ = I₁ * U₁ = 6,8 В/А; /17/

Габаритна потужність трансформатора S_тр = 6,8 В/А;

Для визначення ємності потрібно знайти:

Rн_ = Rб+(Rб+Rн)/(Rд*Rн) = 9,7 /18/,

де R_б - баластний опір і визначається за такою формулою

Rб = (U-U0)/ I = (20-15)/0,54 = 9,26 Ом; /19/

R_д - динамічний опір; R_н - опір навантаження.

I = Iст+Ін = 0,54 А; /20/

I = (Iстмах+Iстмін)/2 = (25+550)/2 = 0,28 A; /21/

I = 0,26 A;

Rн = 57,7 Ом;

Rд = 2,5 Ом;

Стабілізатор обираємо Д815Е.

Визначаємо ємність конденсатора C₀:

C=1/(2Пf*0,1*Rн_) =3,28*0,001 Ф; /22/

Змінна складова вихідної напруги

U_0m1 = U₀ k_п = 15 * 1,57 = 23,55 В; /23/

На зворотньому ходу конденсатор зарядиться до напруги

U_2m = U₂ 2^0,5 = 33,3 * 1,41 = 46,95 В; /24/

2.2 Стабілізація напруги та струму

Стабілізатором напруги називають електронну схему (прохідний чотириполюсник), номінальна напруга на виході якого U_вих підтримується практично незмінною при заданих допустимих відхиленнях від номінальних значень напруги U_вх на вході стабілізатора, струму І_вих (чи опору навантаження R_н ) на виході стабілізатора, а також температури Т навколишнього середовища. Стабілізатором напруги називається пристрій, який вмикається в канал передавання енергії з метою зменшення відносних змін напруги на споживачі енергії під дією різних дестабілізуючих факторів.



Рис.1.1

Стабілізатори напруги характеризуються такими параметрами.

Вихідна напруга стабілізатора, яка залежить від перелічених чинників, тобто

U_вих=f(U_вх , I_вих , T).

Приріст напруги ДU_вих на виході стабілізатора з урахуванням цієї залежності опишемо співвідношенням:

/1/

Частинні похідні у /1/ при малих приростах величин ДU_вх , ДI_вих , ДТ мають такий фізичний зміст:

- коефіцієнт передавання пульсації вхідної напруги при І_вих= сonst, T=const;

- внутрішній опір стабілізатора при U_вих= сonst, T=const;

- температурний коефіцієнт нестабільності вихідної напруги при U_вх= сonst, І=const.

Ці параметри дозволяють сформувати основні характеристики стабілізаторів напруги, які використовують для розрахунку та порівняння різних типів стабілізаторів.

Стабілізатором струму називають електронну схему, яка забезпечує практично стабільний струм І_вих в опорі навантаження R_н при допустимих змінах напруги U_вх на вході стабілізатора, опору навантаження R_н та температури Т навколишнього середовища.

Отже,

І_вих =f(U_вх, R_н, T).

Використовуючи дану залежність, можна визначити параметри стабілізатора струму, як і у випадку стабілізатора напруги.

Важливим параметром стабілізаторів напруги та струму є коефіцієнт корисної дії (к.к.д.), який чисельно дорівнює відношенню потужності на виході стабілізатора до споживаної ним потужності на вході від джерела живлення:

Ю = P_вих / Р_вх = (U_вихІ_вих) / (U_вхІ_вх). /2/

Найбільш поширені стабілізатори напруги, тому далі в основному розглядатимемо саме їх.

Обов'язковим елементом схеми стабілізатора є регулюючий елемент (РЕ), який призначений для керування вихідною напругою (струмом) стабілізатора.

2.2.1 Класифікація стабілізаторів та їх основні параметри

Найпростіші стабілізатори складаються з одного РЕ, увімкненого безпосередньо в силове коло, яким напруга поступає на навантаження. При цьому, якщо РЕ працює як керований опір протягом усього часу роботи стабілізатора, то такі стабілізатори називають стабілізаторами неперервної дії або стабілізаторами з неперервним регулюванням [7].

Залежно від призначення, способу під'єднання та режиму роботи регулюючого елемента, наявності чи відсутності зворотного зв'язку стабілізатори поділяють на такі типи:

стабілізатори змінної та постійної напруги;

послідовні та паралельні стабілізатори;

стабілізатори неперервної та імпульсної дії;

стабілізатори параметричного та компенсаційного типу.

Стабілізатори змінної напруги призначені для забезпечення на опорі навантаження змінної напруги заданої форми зі стабільними параметрами (наприклад, гармонічної напруги зі стабільною амплітудою). Стабілізатори постійної напруги підтримують на виході постійну за величиною та полярністю напругу.

Послідовні та паралельні стабілізатори відрізняються способом під'єднання регулюючого елемента до опору навантаження.

Принцип дії імпульсних стабілізаторів грунтується на періодичному під'єднанні на час Т₁, до джерела живлення з напругою Е і від'єднанні на час Т-Т₁. Недоліком таких стабілізаторів є значні пульсації вихідної напруги, для усунення яких вмикають у схему стабілізатора фільтр нижніх частот між ключем і навантаженням і використовують достатньо високу (десятки кГц) частоту перемикання ключа.

Стабілізатори компенсаційного типу являють собою електронні схеми з від'ємним зворотним зв'язком, який виконує функцію автоматичного регулювання опору РЕ. В ролі РЕ тут застосовують електронні компоненти, опір яких автоматично змінюється під дією сигналу схеми керування.

2.2.2 Параметричні стабілізатори напруги

Принцип дії параметричних стабілізаторів ґрунтується на використанні приладів, які мають нелінійні вольт-амперні характеристики. Для побудови параметричних стабілізаторів широко використовуються кремнієві стабілітрони [1].

а).

б).

Рис. 1.2. а) схема параметричного стабілізатора;

б) вольт-амперна характеристика стабілітрона

Схему найпростішого параметричного стабілізатора напруги подано на рис. 1.2 а. Робочу точку 0 вибирають між точками 1…2 на вольт-амперній характеристиці стабілітрона (рис. 1.2, б). На цій ділянці при зміні струму через стабілітрон від I_ст.min до І_ст.max напруга на ньому мало змінюється на ?U_ст. Оскільки навантаження R_d з'єднане паралельно із стабілітроном VD, напруга на ньому буде практично постійною. При збільшенні вхідної напруги U_вх зростає струм, який протікає через баластний резистор R_б. Цей струм, згідно з першим законом Кірхгофа, дорівнює сумі струмів стабілітрона і навантаження. Оскільки напруга на стабілітроні, а отже, і на навантаженні R_d практично не змінюється, струм навантаження І_d залишається сталим. Отже практично весь приріст струму баластного резистора проходитиме через стабілітрон VD. При цьому робоча точка стабілітрона 0 зміщуватиметься донизу. Таким чином, майже всі зміни вхідної напруги у цій схемі будуть виділятися на баластному резисторі R_б.

Якщо напруга на вході стабілізатора U_вх стала, струм через баластний резистор R_б також буде сталий:

І_Rб=І_VD+I_d=const.

Якщо струм навантаження збільшиться на ?І_d, струм через стабілітрон зменшиться так само: ?І_VD = -?I_d. При цьому робоча точка 0 зміститься вгору, а вихідна напруга практично не зміниться. Коефіцієнт стабілізації параметричного стабілізатора

,

де r_d - диференційний опір стабілітрона ( r_d = ?U_ст /( І_стmax.-I_ст.min)).



Рис. 1.3

Вихідний (внутрішній) опір параметричного стабілізатора

r_i=?U_d / ?I_d=r_d.

При використанні узгоджувального емітерного повторювача на транзисторі VT (рис. 1.3) вихідний опір параметричного стабілізатора може бути зменшений у в разів, де в - коефіцієнт передачі базового струму транзистора VT.

Роботу стабілізатора перевіряють за умови його здатності забезпечувати задане значення U_н при коливаннях вхідної напруги U. Для прикладу, якщо вхідна напруга змінюється в межах ±10%, то на виході стабілізатора коливання напруги U_н становить ±0,1%. Побудова навантажувальних прямих при зміні напруги мережі в межах ±10% здійснюється шляхом паралельного зсуву навантажувальної характеристики при номінальній напрузі мережі відповідно вліво і вправо на 0,1U. За допомогою цієї побудови можна з'ясувати, чи при таких коливаннях напруги мережі забезпечуються умови стабілізації, тобто, чи точки перетину зсунених навантажувальних характеристик з ВАХ стабілітрона не виходять за межі значень струмів стабілітрона І_ст.мін і І_{ст.макс} [4].

Параметричні стабілізатори найчастіше використовують для живлення малопотужних навантажень. Головна їх перевага - проста схема. Недоліки:

1) неможливо регулювати вихідну напругу на навантаженні; 2) невисокий коефіцієнт стабілізації (одиниці, десятки).

2.2.3 Розрахунок параметричного стабілізатора напруги