Проектирование двухполупериодного выпрямителя и Г-образного индуктивно-емкостного фильтра

1. Расчет двухполупериодного выпрямителя

2. Расчет Г-образного фильтра Заключение Список литературы

Электроника это наука, которая охватывает не только технику слабых токов, но технику сильных токов, обычно относящихся к электротехнике, поскольку она оперирует с мощностями от микроватт до миллионов киловатт, и в этом связь электротехники и электроники в единой дисциплине «Общая электротехника и электроника». Электронные устройства применяются практически во всех технологических процессах, и степень оснащённости электроники является показателем научно-технического прогресса технологического процесса в современных условиях. Поэтому знание электроники необходимо любому инженеру, не говоря уже об инженере по автоматизации.

Обычно различают:

а) информационную электронику, занимающуюся процессами сбора, передачи, переработки и хранения информации;

б) энергетическую электронику, занимающуюся процессами преобразования какого-либо вида энергии в электрическую;

в) технологическую электронику, разрабатывающую методы осуществления или улучшения тех или иных технологических процессов.

Элементная база электроники прошла много этапов развития — от радиоламп, рождение которых относят к 1897 г. (Флеминг) до микропроцессоров и компьютеров, производство которых началось в 1976 г.

Основой современной электроники является полупроводниковый диод, созданный в 1886 г. (Браун), т. е. ещё до электронной лампы, и транзистор. Появление транзистора относится к периоду господства электронных ламп. Патент на полевой транзистор с изолированным затвором был выдан в 1925 г. (Лилиенфельд). Потребность промышленности в большом количестве миниатюрных маломощных переключателей и переход систем на цифровую технику привели к замене радиоламп транзисторами. Совершенствование транзистора шло в направлении улучшения технологии их изготовления и уменьшения цены за штуку. Растущая сложность схем требовала развития технологии, исключающей внешние соединения между элементами. Интегральные схемы (выполнение целых схем на одном кристалле полупроводника) появились в 1959 г., а с 1962 г. началось их массовое производство.

Появились и новые принципы усиления. С развитием полупроводниковой технологии появилась возможность реализовать идею Лилиенфельда, и в 1962 изготовлен полевой транзистор с изолированным затвором, позволяющий создавать схемы из многих тысяч транзисторов. (Полевой транзистор с управляющим pn-переходом изготовлен в 1958 г.). Эти транзисторы проще в изготовлении, чем биполярные, потребляют меньше энергии, допускают более высокий уровень интеграции и стоят дешевле.

Сегодняшний этап развития электроники характеризуется массовым применением микропроцессоров, способных осуществлять обработку данных в месте их получения. Электроника тесно связана с другими науками. Теоретические знания, полученные в курсе «Общая электротехника и электроника», являются основой изучения курсов «Теория автоматического управления», «Электродвигатели в системах автоматического управления», «Вычислительные машины, системы и сети», «Технические средства автоматизации», «Электрические измерения», «Комплексы технических средств в САУ», а лабораторный практикум даёт практические навыки при работе с электронными приборами и устройствами.

1. Расчет двухполупериодного выпрямителя

Если ток в нагрузке будет протекать в течении обоих полупериодов входного переменного напряжения, могут быть получены большая мощность постоянного тока и больший к.п.д. Поэтому двухполупериодная выпрямительная схема, значительно чаще используется в реальных выпрямительных устройствах, чем однополупериодная. Двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 1.) представляет собой две однополупериодные схемы с обще нагрузкой, причем эти две части схемы питаются переменными входными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 180?. Так как каждый диод проводит электрический ток в течении только одной половины периода, когда анод диода положителен относительно катода, лампы первого и второго диода будут находиться в проводящем состоянии в различные половины периода входного переменного напряжения, благодаря чему ток в общей нагрузке диода будет иметь вид, показанный на рис 2.

Рисунок 1 — Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.

В данном разделе будет рассматриваться именно этот выпрямитель. Рассчитать выпрямитель — значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными будут служить выходное напряжение нагрузка R = 10 Ом.

Рисунок 2 — Форма импульса токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя.

Входное значение выпрямляемого напряжения:

Действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке:

Cреднее значение выпрямляемого тока в нагрузке:

Среднее значение тока проходящего через каждый вентиль в два раза меньше чем ток проходящий через нагрузку, т. е.

Действующее значение тока вентиля равно действующему значению тока вторичной обмотки трансформатора и определяется следующим образом:

Аналогично коэффициент формы тока вентиля:

Вентиль, не работающий в отрицательную часть периода, оказывается под воздействием обратного напряжения, равного двойному значению выходного напряжения, так как положительный потенциал вывода вторичной обмотки трансформатора через проводящий диод подается к катоду диода, а анод закрытого вентиля имеет отрицательный потенциал.

Максимальное значение обратного напряжения:

Оценка качества производится посредством коэффициента пульсации, который представляет собой отношение амплитуды первой (основной гармонической как наибольшей из всех к среднему значению действительного напряжения и определяется по формуле:

где m — число фаз выпрямителя. Для рассматриваемой схемы частота первой гармоники пульсации при частоте питающей сети составляет 100 Гц. Подставим в формулу m = 2, определим коэффициент пульсации: q = 0,67, т. е. амплитуда первой гармонически для данной схемы составляет 67%.

Выбираем диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные:

Выпрямительный диод Д2Г, с обратным напряжение 40 В и прямым током 4 А.

2. Расчет Г-образного фильтра

двухполупериодный выпрямитель емкостный фильтр Ни с шунтирующей нагрузку емкостью, не с последовательно включенной индуктивностью не удается получить достаточно малой величины коэффициента пульсации, необходимой при питании выпрямительным напряжением большинства радиоэлектронных устройств.

Поэтому очень часто применяют комбинированные фильтры, состоящие из индуктивности и емкости, соединённых в Г-образные фильтры.

Схема Г-образного звена, или одно звеньевого фильтра с индуктивностью на входе, приведена на рис. 3.

Рисунок 3 — Схема однозвеньевого LC-фильтра.

Индуктивность уменьшает амплитуды переменных составляющих тока в нагрузке, а емкость шунтирует нагрузку по переменным составляющим. В результате их совместного действия пульсации оказываются значительно меньше той величины, которую можно получить при раздельном использовании емкости или индуктивности.

Так как емкостный фильтр обеспечивает хорошее сглаживание выпрямленного напряжения при малых нагрузках, а индуктивный фильтр при больших, их совместное действие позволяет получить хорошую фильтрацию выпрямленного напряжения при самых различных выпрямленных токах. Кроме того не редко требуется, чтобы выходное сопротивление фильтра было достаточно мало для тех переменных составляющих напряжений токов питаемой выпрямителями аппаратуры, которые замыкаются через фильтр. Иначе возможно возникновение «паразитных» обратных связей по цепям питания между различными блоками аппаратуры, питаемыми от общего выпрямителя.

Для получения малого выходного сопротивления фильтра конденсатор Г — образного фильтра должен быть достаточно велик. Увеличение этого конденсатора обеспечивает одновременно большее постоянство выходного напряжения выпрямителя, особенно при большем токе в нагрузки, а так же и при резких изменениях выходного тока или прохождении импульсов.

Для предварительного расчета предварительно берем величины и Во входном напряжении фильтра превалирует вторая гармоника переменного напряжения, питающего выпрямитель. Для нее при частоте 50 Гц реактивные сопротивления элементов фильтра будут соответственно равны Поэтому можно считать что реактивное сопротивление конденсатора пренебрежительно мало по сравнению с сопротивлением параллельной цепи, состоящей из сопротивления нагрузки и балластного сопротивления. Следовательно, переменные составляющие выпрямленного тока потекут через С, а его постоянные составляющие потекут через R.

Из графика зависимости коэффициента пульсации находим произведения (рис. 4.), для проектируемого фильтра (для данного случая коэффициент пульсации равен 5% или 0,05, тогда

Рисунок 4 — График для определения произведения LC.

Эффективное значение второй гармоники обмотки тока находим из уравнения соответствующего члена ряда:

Ток второй гармоники, протекая через С, вызывает появление напряжения второй гармоники равно:

Считая приближенно, что пульсации определяются целиком напряжением второй гармоники, можно найти коэффициент пульсации на выходе Г — образного фильтра, который будет:

Для дальнейшего уменьшения коэффициента пульсации выпрямительного напряжения включаем второе дополнительное звено фильтра, после чего достигаем допустимого значения коэффициент 4,9%.

Если включить n-звеньев Г — образного фильтра и обозначить допустимый коэффициент пульсации, то можно получить требуемую величину произведения LC для каждого из звеньев при двухполупериодном выпрямлении:

Индуктивность дросселя фильтра принимаем равную 20 Гн, а емкость конденсатора 37 мкФ. В данной работе будем использовать электролитический конденсатор.

При расчете фильтра также необходимо определить величину балластного сопротивления, обеспечивающего работу на плоском участке нагрузочной характеристики выпрямителя.

Для частоты 50 Гц Критический ток в балластном сопротивлении:

Заключение

В данном задании для нагрузки 10 Ом и выходным напряжением 12 В необходимо использовать выпрямительный диод Д2Г, с обратным напряжение 40 В и прямым током 4 А, двух звеньевой Г-образный индуктивно-емкостный фильтр с L = 20 Гн и С = 37 мкФ, балластное сопротивление фильтра 18,9 кОм, значение критического тока 4,4 мА.

1. Тугов Н. М. и др. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Н. М. Тугов, Б. А. Глебов, Н. А. Чарыков; Под ред. В. А. Лабунцова. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 576 с.: ил.

2. Электронные промышленные устройства: Учебник для студ. вузов спец. «Пром. электрон» / В. И. Васильев, Ю. М. Гусев, Н. М. Миронов и др. — М.: Высш. шк., 1988. — 303 с.: ил.

3. Промышленная электроника. Учебник для вузов / А. И. Котлярский, С. П. Миклашевский, Л. Г. Наумкина, В. А. Павленко. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1990, 284 с.

4. Каяцкас А. А. Основы радиоэлектроники: Учеб. пособие для студ. вузов по спец. «Констр. и производство радиоаппаратуры». — М.: Высш. шк., 1988. — 464 с.: ил.

5. Агаханян Т. М. Интегральные микросхемы: Учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 464 с., ил.