Расчет однофазного двухполупериодного выпрямителя с полупроводниковыми диодами. Определение режима работы транзистора

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

1. РАСЧЕТ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1.1 Основные характеристики выпрямителей

1.2 Выбор вентиля

1.3 Построение временных диаграмм и схемы выпрямления

2. РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

2.1 Транзисторы и их классификация

2.2 Выбор транзистора

2.3 Построение нагрузочной линии

2.4 Определение сопротивлений Rк и Rэ

2.5 Определение параметров входной цепи усилителя

2.6 Определение емкостей конденсаторов Ср и СЭ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

1. Первая часть данной курсовой работы заключается в расчете однофазного двухполупериодного выпрямителя с полупроводниковыми диодами, включенными по мостовой схеме. Сглаживающий фильтр - емкостной. Задано: напряжение сети U₁ , частота тока сети f, выпрямленное напряжение U_н , ток нагрузки I_н, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения p, тип вентиля - кремниевые диффузионные диоды типа КЦ-402А - КЦ-402И.

Определить: тип вентиля, токи, напряжения в обмотках трансформатора, типовую мощность трансформатора, емкость конденсатора фильтра. Изобразить принципиальную схему выпрямителя с обозначением заданных и рассчитанных электрических величин. Построить в масштабе временные диаграммы напряжений U₁ = f(t); U₂ = f(t); U_н = f(t). Данные для расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Данные для расчета вентиля

Напряжение сети U1, В	Выпрямленное напряжение Uн, В	Ток нагрузки Iн, мА	Коэффициент пульсации Р, %	Частота тока сети f, Гц
380	200	250	5	100

Тип вентиля определим по таблице 2.

Таблица 2 - Паспортные данные транзисторного усилителя напряжения низкой частоты

Uвых.м. , B	Rн, Oм	fн, Гц	Mн	Eк ,В
2,5	570	110	1,23	25

2. Во второй части курсовой, для транзисторного усилителя низкой частоты с реостатно-емкостной связью, паспортные данные которого приведены в таблице 2, необходимо определить тип транзистора, режим работы транзистора для схемы с общим эмиттером, выполнить расчет сопротивлений R_к и R_э, определить наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока I_вх.м и напряжения U_вх.м, выполнить расчет сопротивлений делителя в цепи базы транзистора R₁ и R₂, определить коэффициент нестабильности работы каскада S, рассчитать емкости разделительного конденсатора С_р и конденсатора в цепи эмиттера С_э, определить коэффициент усиления каскада по напряжению.

Вычертить схему усилительного каскада с общим эмиттером для данного транзистора. Используя справочник по полупроводниковым приборам вычертить входную и выходную статические характеристики выбранного транзистора. По семействам входных и выходных характеристик построить кривые входного тока и выходного напряжения. На семействе выходных характеристик для схемы усилителя с общим эмиттером построить нагрузочную (динамическую) характеристику.



1. РАСЧЕТ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1.1 Основные характеристики выпрямителей

выпрямитель транзистор конденсатор сопротивление

Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

- Силовой трансформатор - устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

- Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость - для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

- Фильтр - для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков: по схеме выпрямления - однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др. По типу выпрямительного элемента - ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др. 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. 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 U_сети - 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 k . Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

- Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя -изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

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 Герца”), 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): U_обр - обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), I_макс - 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, P_тр - расчетная мощность трансформатора.

Основная особенность мостовой схемы - использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения. 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. К недостаткам относят увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них. Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах.



1.2 Выбор вентиля

Для выбора вентиля зададимся числовыми значениями параметров: В = 1, Д = 2, Г = 6…7. При дальнейших расчетах примем Г=6. Далее, определим данные вентиля.

Среднее значение тока вентиля:

I_пр.ср. = 0,5·I_н = 0,5·250 = 125, мА,

где I_н - ток нагрузки, А. Найдем действующее значение тока вентиля:

I_в = 0,5·Д·I_н = 0,5·2·250 = 250, мА.

Амплитудное значение тока вентиля:

I_{пр.макс.}= 0,5·Г·I_н = 0,5·6·250 = 750, мА.

Обратное напряжение на вентиле:

U_обр.= 1,41·В·U_н = 1,41·1·200 = 282, В.

По полученным при расчетах параметрам вентиля U_обр. и I_пр.ср. определяем тип вентиля по таблице 2 и электрические параметры выбранного вентиля. В данном случае вентиль типа КЦ 402-Г, для которого наибольшая амплитуда обратного напряжения U_обр.=300, В; максимально допустимый средний выпрямленный ток I_{пр.ср.маx.}=1, А; падение напряжения в прямом направлении U_пр.= 4, В.

Определим приближенные значения активного сопротивления обмоток трансформатора R_тр., Ом:



Ом,

где U_н - выпрямленное напряжение, В; S - число стержней, несущих обмотки (S = 1 для броневой конфигурации магнитопровода); В - магнитная индукция в сердечнике магнитопровода, Тл. Для трансформаторов мощностью до 1000 ВА k_R = 3,5^.10³ для мостовой однофазной схемы.

Определим сопротивление фазы выпрямителя:

R = R_тр +R_пр = 56+4 = 60, Ом,

где R_пр - суммарное прямое сопротивление всех последовательно включенных вентилей, рассчитываемое по формуле:

Ом.

По заданным значениям U_н, и I_н, а также по определенному значению R, определим параметр А:

где m - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя Он показывает, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напряжения больше частоты тока сети. Для мостовой схемы значение коэффициента m принимаем равным 2.

По значению А, пользуясь графиками на рисунке 1.1, определим значения параметров В, Д, Н. В данном случае примем величины данных параметров равными 0,85; 2,45 и 180 соответственно.

По величинам В и Д для мостовой схемы выпрямления определим параметры трансформатора, действующее значение напряжения вторичной обмотки которого:

U₂ = B^.U_н = 0,85^.200 = 170, В.

Действующее значение тока первичной обмотки:

I₁ = , А,

где k_тр = - коэффициент трансформации.

Действующее значение тока вторичной обмотки:

I₂ = 0,707·Д·I_н = 0,707·2·250· = 0,35, А.

Типовая мощность трансформатора:

Р_тип = 0,707·В·Д·I_н ·U_н = 0,707·1·2·200·250 = 70,7, Вт.

Уточним параметры вентиля:

I_в = 0,5·Д·I_н = 0,5·2,45·250· = 0,3, А;

U_обр. = 1,41·В·U_н = 1,41·0,85·200 = 239,7, В.

Пересчитав параметры I_в и U_обр. с уточненными величинами В и Д видим, что вентиль КЦ 402 - Г выбран верно. Определим емкость конденсатора С:



, мкФ.

1.3 Построение временных диаграмм и схемы выпрямления

Принципиальная схема рассчитанного выпрямителя с обозначением заданных и рассчитанных электрических величин представлена на рисунке 1.1.

Совмещенная временная диаграмма зависимостей U₁(t), U₂(t) и U_н(t) приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема выпрямителя



Рисунок 1.2 - Совмещенная временная диаграмма зависимостей U₁(t), U₂(t) и U_H(t)



2. РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ

2.1 Транзисторы и их классификация

Транзистор - электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах, как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторы. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1- 2 смІ) размещаются несколько миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

Классификация:

- По основному полупроводниковому материалу. Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металл выводов, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «Металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы: германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые. Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов -- полупроводниковые полимеры.

- По структуре. Биполярные - n-p-n структуры, «обратной проводимости», p-n-p структуры, «прямой проводимости». Полевые - с p-n переходом, с изолированным затвором, однопереходные, криогенные транзисторы.

- По рассеиваемой в виде тепла мощности различают: маломощные транзисторы до 100 мВт, транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт, мощные транзисторы (больше 1 Вт).

- По исполнению: дискретные транзисторы, корпусные, для свободного монтажа, для установки на радиатор, для автоматизированных систем пайки, бескорпусные, транзисторы в составе интегральных схем.

- По материалу и конструкции корпуса: металлостеклянный, пластмассовый, керамический.



2.2 Выбор транзистора

Для выполнения расчета предварительно введем дополнительные условия, а именно: считаем, что каскад работает в стационарных условиях при температуре Т = -60..+70 ⁰С. При расчете влиянием температуры на режим транзистора пренебрегаем.

Для выбора типа транзистора определим следующие величины. Напряжение между коллектором и эмиттером(наибольшее допустимое):

, В.

Наибольший допустимый ток коллектора:

, А,

где I_нм - наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки при заданной нагрузке R_н и заданном максимальном напряжении на нагрузке.

По рассчитанным выше значениям U_КЭдоп и I_Кдоп выбираем транзистор МП115, для которого U_{КЭ доп.}=30 В; I_{К доп.}=10 мА; в_мин=9.

2.3 Построение нагрузочной линии

Нагрузочная прямая строиться в семействе статических выходных характеристик выбранного транзистора. В нашем случае для транзистора МТ115. Для построения нагрузочной линии необходимо и достаточно знать две точки. Одна - точка покоя, координатами которой являются ток покоя и напряжение покоя:



I_ко = 1,1·I_нм=1,1·= = 8,7, мА;

U_кэо = U_вых.м + U_{ост .}= 1,7 + 1 = 2,7, В,

где U_ост. - наименьшее допустимое напряжение U_кэ, так как оно определяется в интервале 0,5...1,0 В, в нашем случае U_ост.= 1 В, U_вых.м - величина выходного напряжения, задаваемая исходными данными.

Вторая точка - при нулевом токе коллектора U_кэ= Е_п. = 15 В. По полученным величинам строится нагрузочная линия, она приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - статические выходные характеристики транзистора МТ115.

2.4 Определение сопротивлений R_к и R_э

По статическим выходным характеристикам и нагрузочной линии находим I = 11, мА. Определяем общее сопротивление:

, Ом;

, Ом.

Рассчитаем значение R_Э:

R_Э = R_об + R_к = 1363,6 - 1185,6 = 178, Ом.

2.5 Определение параметров входной цепи усилителя

Определим наибольшие амплитудные значения входного тока и напряжения, необходимые для заданного значения U_вых.м.. По паспортным данным транзистора берем наименьшее значение коэффициента усиления по току для схемы с общим эмиттером в_мин. Минимальное значение тока базы:

. (2.1)

Подставим значения в формулу(2.1), получим:

мкА.

где I_Кмин - минимальное значение тока коллектора. Данная величина получена из рисунка 2.1.

Затем, зная минимальное значение тока базы, найдем амплитудное значение тока:

, (2.2)

где I_КМ - максимальное значение тока коллектора. Данная величина получена из рисунка 2.1. В нашем случае I_КМ = 11,3·10^-3, А. Подставим найденные значения в формулу (2.2), получим:

.

Величина входной амплитуды тока I_вх.м должна быть равна амплитуде тока базы, но не превышать значение, равного 0,5•(I_БМ - I_Бмин):

I_вх.м = 0,5•(1256 - 600) = 328, мА.

По входной статической характеристике для схемы с общим эмиттером, приведенной на рисунке 2.2, определим значение входного напряжения U_вх.м для заданного значения U_КЭ0=2,7 В, получим:

U_БЭМ. = 0,89, В;

U_БЭмин = 0,75, В.

2U_вх.м= U_БЭМ - U_БЭмин.= 0,89 - 0,75 = 0,14, В.

Зная входное значение напряжения и ток базы, найдем полное сопротивление каскада по переменному току:

. (2.3)

Подставим исходные данные в (2.9)

Ом.

Сопротивление делителя:



. (2.4)

Сопротивление по (2.4) равно:

Ом.

Рассчитаем сопротивления R₁ и R₂:

; (2.5)

. (2.6)

Подставив значения в (2.5) и (2.6), получим:

Ом;

Ом.

2.6 Определение емкостей конденсаторов С_р и С_Э

Емкость конденсатора межкаскадной связи С_р определяют из допустимых частотных искажений М_н = 1,25, вносимых на низшей частое f_н = 200 Гц. Пользуясь определением частотных искажений в области низших частот, запишем:

где щ_н = 2·р·f_н; ф_н ? С_р·R_вых.

Отсюда следует, что:

; (2.7)

;

;

Рассчитаем емкость конденсатора межкаскадной связи по (2.7):

.

Сопротивление емкости конденсатора С_Э должно быть больше сопротивления резистора R_Э (на низких частотах), поэтому:

. (2.84)

Найдем С_Э , подставив значения в (2.8):

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен:

. (2.9)

Вычислим коэффициент усиления каскада по формуле (2.9):

Коэффициент нестабильности:



. (2.10)

Вычислим коэффициент нестабильности по (2.10):

S = 8,75 < 10, следовательно, работа рассчитанного каскада достаточно стабильна. Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Схема усилительного каскада

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе были определены: тип вентиля (КЦ402 - Г), токи (I₁ = 0,19, А; I₂ = 0,35, А), напряжения на обмотках трансформатора(U₂ = 170, В), емкость конденсатора-фильтра (С = 60 мкФ); изображены принципиальные схемы выпрямителя, построены в масштабе временные диаграммы напряжений. Выполнен расчет однофазного двухполупериодного выпрямителя с полупроводниковыми диодами, включенными по мостовой схеме с емкостным сглаживающим фильтром, а также расчет транзисторного усилителя напряжения низкой частоты с реостатно-емкостной связью. Построены входные и выходные ВАХ выбранного транзистора для усилителя напряжения низкой частоты (МП 115), для которого также произведен расчет параметров(I_К0 = 8,7, мА; I_БМ = 1256, мкА; I_Бмин = 600, мкА; U_КЭ0 = , В ; R_э = 178, Ом ; C_P = 1,36 ; мкФ; К_U = 12,1). Начерчена схема усилительного каскада на транзисторе p-n-p типа с реостатно-емкостной связью.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шляпников, В. В. Методические указания к расчетно-графическим заданиям № 1 и 2 по теме «Электроника» [Текст]/В. В. Шляпников, Г.Я. Дорохина, Ю.П. Никифоров. - Липецк: ЛГТУ, 1991. - 22 с.

2. Китаев, Г. А. Электрические машины. Электроника. Учебное пособие по курсу «Электротехника и электроника» для студентов очно-заочной формы обучения инженерно-технических специальностей [Текст]/ Г.А. Китаев, В.И. Бойчевский, В.П. Торопцев, А.В. Плотников. - Липецк: ЛГТУ, 2001. - 86 с.

3. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам [Текст] / Горюнова Н.Н. - М.: Энергия, 1972 - 568 с.

Размещено на Allbest.ru