Вариант 9. 1 Расчет выпрямителя Исходные данные Параметры сети и выпрямителя: 1. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке . 2. Максимальный ток нагрузки . 3. Минимальный ток нагрузки . 4. Средняя мощность нагрузки . 5. Напряжение сети . 6. Частота напряжения сети . 7. Коэффициенты напряжения сети , . 8. Тип сети – однофазная.
Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от числа фаз переменного напряжения различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. Структурная схема выпрямителя приведена на рис. 1.
Рисунок 1.1 – Структурная схема выпрямителя
Выпрямитель содержит трансформатор Т, необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки; вентильную группу В, которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение U2 преобразуется в пульсирующее; фильтр Ф, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения. Выпрямитель может быть дополнен схемой стабилизации, подключаемой к выходу фильтра и предназначенной для поддержания напряжения на нагрузке неизменным при изменении напряжения U2 на трансформаторе. Однофазная мостовая схема (рис. 1.2) строится на однофазном трансформаторе Т. Диодная группа образует мост, к одной диагонали которого подводится переменное напряжение, а в другую диагональ включается нагрузка. Диоды работают парами поочередно (рис. 1.3): в положительные полупериоды напряжения U2 ток проводят диоды VD2 и VD3, иначе – диоды VD1 и VD4.
Через нагрузку протекает пульсирующий ток в оба полупериода напряжения u2. Преимуществами данной схемы выпрямления (по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления) являются увеличение среднего значения выпрямленного тока и напряжения в два раза и значительное уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, при этом значение обратного напряжения на закрытых диодах такое же, как и в однополупериодной схеме выпрямления. Исходя из требуемых тока и напряжения на выходе выпрямителя выбирают следующие схемы выпрямителей: Схема выпрямителя Ток нагрузки Напряжение на нагрузке Требования к пульсациям Однополупериодная Со средней точкой Мостовая (схема Греца) Схема Латура 1..100 мА до 0.5 мА до 10 мА < 100 мА до 100 В до 100 В > 1 кВ низкие средние высокие высокие Исходя из заданных параметров выпрямленного тока, выберем мостовую схему. Исходя из малого коэффициента пульсаций напряжения на выходе фильтра и довольно высокого тока нагрузки следует применить LC-фильтр. Поэтому выпрямитель будем рассчитывать при работе на индуктивную нагрузку (т.е. фильтр начинается с дросселя). Схема выпрямителя с фильтром приведена на рисунке 1.4.
Рис. 1.4 – Схема фильтра и выпрямителя
Максимальное значение выпрямленного напряжения:
Определим параметры вентилей: обратное напряжение на вентиле , среднее значение выпрямленного (прямого) тока , действующее значение тока вентиля , габаритную мощность трансформатора .
При выборе вентилей необходимо выполнить следующее условие:
Данному условию удовлетворяет диод Д202Г со следующими параметрами:
Определяем активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:
где – плотность тока в обмотках трансформатора, . – амплитуда магнитной индукции, Тл. Плотность тока и амплитуда магнитной индукции определяется по величине габаритной мощности из графиков:
Рисунок 1.5 – Ориентировочные зависимости от полной мощности трансформатора: а - максимального значения магнитной индукции, б – плотность тока в обмотке Исходя из графиков на рисунке 3, , . Рассчитаем активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:
Реактивное сопротивление обмотки трансформатора равно:
Выбранный тип вентилей удовлетворяет максимальному значению обратного напряжения. Значение выпрямленного напряжения при минимальном напряжении сети:
Определим частоту основной гармоники выпрямленного напряжения и коэффициент пульсаций :
Определим угол перекрытия фаз из выражения:
С помощью рисунка 4 уточняем величину
Рисунок 1.6 Определим внутреннее сопротивление выпрямителя при изменении тока нагрузки от максимального значения до нуля.
Определим коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора из рис.5.
Рисунок 1.7 – К определению КПД трансформатора. КПД трансформатора равен Потери трансформатора:
Общее количество диодов равно . Потери диодов равны:
Определим КПД выпрямителя:
2 Расчет сглаживающего фильтра Исходные данные Коэффициент пульсаций на выходе фильтра – Коэффициент пульсаций на выходе фильтра – Напряжение . Тип фильтра – LC
Для расчета выбран LC-фильтр. Требуемый коэффициент сглаживания равен:
Определим произведение LC, обеспечивающее требуемый коэффициент сглаживания:
Для обеспечения индуктивного характера нагрузки выпрямителя (отсутствия перерывов тока в дросселе) индуктивность дросселя должна быть больше
Где и - значения постоянной составляющей напряжения и тока соответственно на выходе выпрямителя. Найдем значение :
Выберем дроссель, индуктивность которого не менее расчетной: Номер дросселя: Д62 Индуктивность: L1=0,05 Гн Ток подмагничивания: 2.5 А Сопротивление дросселя: =0.5 Ом Определим величину емкости конденсатора при выбранном дросселе:
Значение емкости требует использования большой батареи конденсаторов. Поэтому применим трехзвенный фильтр. Определим произведение:
Определим величину емкости конденсатора при выбранном дросселе
Выберем емкость конденсатора с запасом по емкости:
Произведем оценку перенапряжений при резком изменении тока нагрузки. Максимальное напряжение на конденсаторе LC-фильтра определим следующим образом:
Где , - коэффициент затухания, - внутреннее сопротивление выпрямителя, - резонансная частота фильтра Сопротивление нагрузки равно:
Коэффициент затухания фильтра равен:
По величине отношения и графику определим величину . Тогда максимальное напряжение на конденсаторе LC-фильтра при сбросе нагрузки будет равно:
Рис. 2.1. Номинальное значение конденсатора должно быть не менее
3 Расчет стабилизатора Исходные данные Параметры стабилизатора: 1. Величина выходного напряжения 2. Диапазоне температур окружающей среды 3. Температурный коэффициент стабилизатора 4. Коэффициент стабилизации напряжения Примем относительное отклонение напряжения сети в сторону уменьшения и увеличения равными: , . Максимальный и минимальный токи нагрузки равны:
По заданному выбираем прецизионный стабилитрон типа 2С113А с параметрами: - напряжение стабилизации - ток стабилизации - дифференциальное сопротивление - температурный коэффициент Уточняем величину выходного напряжения стабилизатора
Проверим соответствие температурного коэффициента стабилитрона: или Данное условие выполняется. Выбираем относительную амплитуду переменной составляющей входного напряжения (выбирается в пределах 0.02..0.05). Тогда максимально возможный коэффициент стабилизации однокаскадного параметрического стабилизатора равен:
Определяем номинальное, минимальное и максимальное значения входного напряжения стабилизатора. Примем .
Вычисляем сопротивление гасящего резистора :
Примем Определяем максимальное значение и уточняем минимальное значение токов через стабилитрон:
Находим переменную составляющую выходного напряжения и внутреннее сопротивление стабилизатора:
где –коэффициент сглаживания пульсаций. Тогда
Определяем номинальный КПД стабилизатора:
Определяем максимальный ток, потребляемый стабилизатором от выпрямителя:
4 Расчет инвертора Исходные данные Напряжение питания Относительные отклонения напряжения сети Выходное напряжение Ток вторичной обмотки Частота работы инвертора КПД
Определяем максимальное и минимальное значения напряжения питания преобразователя:
Определяем значение тока коллектора открытого транзистора. Для преобразователей со средней точкой:
Где для германиевых транзисторов, - для кремниевых. Примем
Определяем максимальное напряжение на закрытом транзисторе преобразователя:
По значениям тока и напряжения из справочника выбираем транзистор типа КТ8282В и определяем его основные параметры:
Зададим минимальный коэффициент насыщения . Определим ток базы, необходимый для насыщения транзистора:
Как только сердечник трансформатора входит в насыщение, индуктивное сопротивление первичной обмотки резко уменьшается, ток коллектора открытого транзистора начинает увеличиваться – рабочая точка транзистора входит в активную область. Максимальное значение тока коллектора зависит от значения тока базы транзистора и коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером. Значение можно определить следующим образом:
Данное значение является допустимым. Определим мощность, рассеиваемую транзистором преобразователя:
Где
- коэффициент динамических потерь. Определяем напряжение базовых обмоток и значения сопротивлений резисторов и . Напряжение базовой обмотки выбирается из условия:
Определяем значения сопротивлений резисторов , :
Напряжение для кремниевых транзисторов выбирается равным 1,5..2 В. Для улучшений условий запуска преобразователя и для уменьшения динамических потерь в транзисторах параллельно резистору включается конденсатор :
Выберем конденсатор: напряжение 6,3 В, емкость 2200 мкФ. Исходными данными для расчета трансформатора являются действующие значения напряжения и тока вторичной обмотки и . Действующие значения напряжения и тока первичной обмотки для данной схемы равны:
Расчетная мощность трансформатора определяется для различных нагрузок на основании соотношений: Активное сопротивление:
Выпрямитель со средней точкой:
Литература
1. Климович В.В. Электропитание систем телекоммуникаций. Метод. указ. и контр. задания. Мн: БГУИР, 2006. 2. Китаев В.Е. и др. Расчет источников электропитания устройств связи. Уч. пособие для ВУЗов. М.: Радио и связь, 1993.
