Электропреобразовательные устройства: Рабочая программа, задание на контрольную работу и методические указания к выполнению контрольной работы

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Северо-Западный государственный заочный технический университет

_____________________________________________________ Кафедра радиотехники

ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА РЭС Рабочая программа Задание на контрольную работу Методические указания к выполнению контрольной работы

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 654200 – радиотехника 200700 – радиотехника направление подготовки бакалавра 552500 – радиотехника

Санкт-Петербург 2003

Утверждено редакторско-издательским советом университета УДК 621.311. 6: 621. 313 Электропреобразовательные устройства: рабочая программа, задание на контрольную работу и методические указания к выполнению контрольной работы. – СПб.: СЗТУ, 2003, 17 с. Рабочая программа соответствует требованиям государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 654000 (специальность 200700 – “Радиотехника”) и направлению подготовки бакалавра 552500. Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры радиотехники 04 апреля 2003 г. Одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 23 апреля 2003 г. Рецензенты: кафедра радиотехники СЗТУ (зав. кафедрой Г.И. Худяков, д-р техн. наук, проф.; Л.Х. Нурмухамедов, канд. техн. наук, Заслуженный машиностроитель России, доц. кафедры технической электроники Университета кино и телевидения. Составители: канд. техн. наук, доцент Л.В. Бесчетнова канд. физ.-мат. наук, доцент Ю.И. Кузьмин

© Северо-Западный государственный технический университет, 2003

2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ “ЭЛЕКТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА” Уровень развития промышленности на современном этапе определяется научно-техническим потенциалом. Выпускники высшей школы должны иметь высокую общенаучную и профессиональную подготовку, уметь самостоятельно решать задачи расчета и проектирования электропреобразовательных устройств. Основными задачами дисциплины являются: – освоение принципов построения и функционирования источников вторичного электропитания; – умение рассчитывать источники вторичного электропитания при заданных параметрах тока и напряжения в нагрузке; – знать и различать устройства согласования частоты; устройства согласования уровня напряжения; устройства согласования стабильности напряжения. 2. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

Заключение. Основные тенденции развития электропреобразовательных устройств

Электрические машины постоянного и переменного тока

Импульсные источники электропитания. Дроссели и трансформаторы

и постоянного тока

Преобразователи переменного

Стабилизаторы напряжения и тока

Неуправляемые и управляемые выпрямители

Введение. Источники электрической энергии

Электропреобразовательные устройства

3

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 3.1. Рабочая программа (Объем дисциплины 70 час.)

Введение (2 часа) Предмет курса «Электропреобразовательные устройства РЭС» и его задачи. Характеристика дисциплины как целостной системы знаний, охватывающей вопросы использования электрофизических явлений при построении электропреобразовательных устройств. Структура и содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана и место курса в системе подготовки радиоинженера. Принципы построения устройств электропитания сложных РЭС. Первичные и вторичные источники электропитания РЭС. 3.1.1. Источники электрической энергии (2 часа) [1], c. 4, [2], c. 1-3, [3], c. 4-7

Первичные источники электрической энергии и предъявляемые к ним требования. Гальванические элементы, аккумуляторы, солнечные батареи. 3.1.2. Неуправляемые выпрямители (11 часов) [1], c. 63-73, [2], c. 177-179, [3], c. 87-95

Назначение и структурная схема выпрямительного устройства. Принцип выпрямления переменного тока. Основные элементы выпрямительного устройства и их технические характеристики. Требования к вентилям выпрямителя. Классификация выпрямительных схем. Схемы выпрямителей с активной нагрузкой. Физические процессы, эпюры напряжений и токов. Анализ работы выпрямителя, вывод формул для токов и напряжений. Вывод формулы для коэффициента пульсаций. Расчетные формулы для определения габаритной мощности трансформатора выпрямителя. КПД выпрямителя. Внешняя характеристика. Физические процессы в выпрямителе с активно-индуктивной нагрузкой, эпюры токов и напряжений. Формула полного тока. Понятие об угле затягивания. Среднее значение выпрямленного напряжения. Внешняя характеристика. Физические процессы в выпрямителе с емкостно-активной нагрузкой, эпюры токов и напряжений. Вывод формул для среднего значения выпрямленного тока и напряжения. Угол отсечки и влияние на него элементов схемы. Действующие значения токов и напряжений вторичной и первичной цепей трансформатора. Коэффициент пульсаций. Выпрямитель с умножением напряжения. Схемы удвоения напряжения и умножения с любой кратностью. Область применения выпрямителей с умножением напряжения. Внешняя характеристика. Сглаживающие фильтры. Коэффициент сглаживания. Основные 4

схемы и основы расчета сглаживающих фильтров. Переходные процессы в фильтрах. Сравнение схем выпрямления. Методы расчета выпрямителей. 3.1.3. Управляемые выпрямители (6 часов) [1], c. 134–145, [3], c. 125–129

Функциональная схема управляемого выпрямителя на тиристорах. Требования, предъявляемые к элементам выпрямителя. Эпюры напряжений и токов. Вольтамперная характеристика тиристора. Угол регулирования. Вывод формулы выпрямленного напряжения. Влияние характера нагрузки на эпюры токов и напряжений. Коэффициент пульсаций управляемого выпрямителя. Схема управляемого выпрямителя с обратным диодом. Мостовые схемы с тиристорами. Схемы управляемого выпрямителя с вольт-добавкой. Схемы формирования сигналов управления на двухбазовых диодах. 3.1.4. Стабилизаторы напряжения и тока (6 часов) [1], c. 175-200, [2], c. 250–254, [3], c. 175–194

Классификация стабилизаторов и их характеристики. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного и переменного тока. Схемы, основные характеристики, коэффициент стабилизации. Транзисторные параметрические стабилизаторы тока. Принцип действия линейных компенсационных стабилизаторов напряжения и тока. Функциональная схема, коэффициент стабилизации. Импульсные (ключевые) стабилизаторы напряжения. Силовые цепи ключевых стабилизаторов и их схемы управления. Работа стабилизаторов в режимах широтно-импульсной модуляции. Защита стабилизаторов от превышения напряжения и тока. Методы расчета стабилизаторов напряжения. Стабилизаторы с непрерывно-импульсным регулированием. Интегральные стабилизаторы. 3.1.5. Преобразователи переменного и постоянного тока (6 часов) [1], c. 228–257

Классификация устройств для преобразования постоянного напряжения в переменное. Автономные инверторы напряжения и тока. Транзисторные и тиристорные ключи для высокочастотных преобразователей. Инверторы с самовозбуждением и способы их надежного начального запуска. Инверторы с внешним возбуждением. Одно- и двухтактные преобразователи напряжения. Особенности работы выпрямителя в преобразователе напряжения. 5

Основные характеристики преобразователей и их определение. Сравнение основных схем устройств для преобразования напряжения. Методы расчета преобразователей. 3.1.6. Импульсные источники электропитания (10 часов) [1], c. 203–228

Выпрямители с импульсной нагрузкой и модуляторы. Принцип работы, классификация импульсных модуляторов по типу накопителя энергии и коммутатора. Особенности импульсных источников питания лазеров и мощных генераторов высокой частоты. 3.1.7. Дроссели и трансформаторы ИВЭП (6 часов) [1], c. 30–40, [2], c. 90–100

Законы магнитной цепи. Характеристики ферромагнитных материалов. Сетевые трансформаторы. Уравнения ЭДС и МДС двухобмоточного трансформатора. Эквивалентная электрическая схема трансформатора. Потери, КПД и внешняя характеристика трансформатора. Конструктивное выполнение трансформаторов. Основы расчета трансформаторов. Связь электромагнитной мощности с габаритами трансформатора, рабочей частотой и параметрами магнитопровода. Пьезоэлектрические трансформаторы, их характеристики и применение ИВЭП. 3.1.8. Электрические машины постоянного и переменного тока (5 часов) [1], c. 37-63

Области применения электрических машин в РЭС. Принцип действия электрических машин, устройство коллекторных, асинхронных, синхронных машин. Режимы работы: режимы двигателя, генератора, электромагнитного тормоза. Основные характеристики электрических машин: рабочие и регулировочные характеристики двигателей, внешние характеристики генераторов. 3.1.9. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (8 часов) Темы лекций 1. Управляемые и неуправляемые выпрямители 2. Фильтры выпрямителей 3. Параметрические и компенсационные стабилизаторы напряжения и тока 4. Импульсные стабилизаторы и преобразователи напряжения и тока 6

Объем

(часы) 2 2 2 2

3.1.10. Темы лабораторных занятий (8 часов) Темы лабораторных

занятий 1. Исследование неуправляемых выпрямителей

Объем (часы) 2

2. Исследование управляемого выпрямителя

2

3. Исследование сглаживающих фильтров

2

4. Исследование стабилизаторов постоянного напряжения

2

Описание деятельности студента При выполнении работ студент исследует однополупериодный и двухполупериодный выпрямители При выполнении работ студент исследует двухполупериодный управляемый выпрямитель на теристорах При выполнении работы студент исследует пассивные RC и LC фильтры и активный электронный фильтр на транзисторе При выполнении работы студент исследует параметрический, компенсационный и импульсный стабилизаторы постоянного напряжения

4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной 1. Иванов-Цыганов А.И. Электротехнические устройства радиосистем: Учебник. Изд. 3–4, перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1984. 2. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихтин А.Я. Электротехнические устройства / Под ред. Л.Я. Шихтина. Учебник. – М.: Энергоиздат, 1981. 3. Электропитание устройств связи: Учебник. Л.А. Бокунеев, Б.В. Горбачев, Б.Е. Китаев и др.: Под ред. В.Е. Китаева. – М.: Радио и связь, 1988. Дополнительный 4. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника. Учебник (Полный курс) – М.: “Горячая линия – телеком”, 1999. 5. ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ 5.1. Устройства согласования частоты. 5.2. Устройства согласования уровня напряжения. 5.3. Устройства согласования стабильности напряжения. 5.4. Неуправляемые выпрямители напряжения и тока. 5.5. Управляемые выпрямители напряжения и тока. 5.6. Преобразователи постоянного напряжения в переменное. 5.7. Пассивные и активные фильтры выпрямленного напряжения и тока. 5.8. Стабилизаторы напряжения и тока. 5.9. Устройства преобразования напряжения.

7

6. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ 6.1. Какие свойства диодов используются в выпрямительных устройствах? 6.2. Перечислите разновидности источников вторичного электропитания (ИВП) и укажите их различия. 6.3. Назовите основные параметры ИВП. 6.4. Приведите показатели выпрямителей однофазного тока доля одно- и двухполупериодного выпрямления. 6.5. Укажите особенности двухполупериодной схемы выпрямления однофазной цепи. 6.6. Поясните отличия между одно- и двухполупериодной схемами выпрямления трехфазной цепи. 6.7. Как определяется коэффициент пульсаций для выпрямительных схем? 6.8. Расскажите о принципе работы управляемого выпрямителя на тиристорах. 6.9. Как оценить эффективность сглаживающего фильтра? 6.10. Изложите принцип работы и область применения емкостного сглаживающего фильтра. 6.11. Изложите принцип функционирования индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра. 6.12. Изложите принцип работы компенсационного стабилизатора напряжения. 6.13. Сравните характеристики RC и LC-сглаживающих фильтров. 6.14. Докажите, что коэффициент стабилизации компенсационного стабилизатора может быть больше, чем параметрического. 6.15. Чем отличается стабилизация мгновенного значения напряжения от стабилизации его среднего значения? 6.17. Какие функции выполняет управляемый выпрямитель? 6.18. Чем инвертор отличается от конвертора? 6.19. Поясните, на каком принципе строятся схемы деления и умножения напряжения с использованием накопительных конденсаторов. 7. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ Рассчитать выпрямительное устройство по следующим исходным данным: – среднее значение выпрямленного тока в нагрузке I0вых; – среднее значение выпрямленного напряжения в нагрузке U0вых; – допустимый коэффициент пульсаций в нагрузке kп доп; – диапазон температур 20 ... 50°С; – напряжение сети Uс = 220 В, частота fс = 50 Гц. При расчете должны учитываться факторы стоимости, обеспечения наилучших удельных объемных и массовых характеристик, КПД и на8

дежности. Перенапряжения и сверхтоки в нагрузке при переходных процессах желательно свести к минимуму. Исходные данные для расчета приведены в табл. 1; вариант задачи соответствует двум последним цифрам шифра студента. Таблица 1 Вариант 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48

I0 вых, А 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7

U0 вых, В 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25

kп доп 5⋅10-2 4⋅10-2 3⋅10-2 2⋅10-2 3⋅10-2 4⋅10-2 5⋅10-2 4⋅10-2 3⋅10-2 2⋅10-2 1⋅10-2 9⋅10-3 8⋅10-3 7⋅10-3 6⋅10-3 5⋅10-3 6⋅10-3 7⋅10-3 4⋅10-3 5⋅10-3 6⋅10-3 7⋅10-3 8⋅10-3 6⋅10-3 5⋅10-3 4⋅10-3 7⋅10-4 5⋅10-4 3⋅10-4 8⋅10-4 2⋅10-4 1⋅10-4 9⋅10-4 2⋅10-4 5⋅10-4 4⋅10-4 3⋅10-4 2⋅10-3 1⋅10-3 9⋅10-4 8⋅10-4 7⋅10-4 6⋅10-4 5⋅10-4 4⋅10-4 3⋅10-4 2⋅10-4 1⋅10-4

Вариант 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98

I0 вых, А 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

U0 вых, В 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 35 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30 30

kп доп 7⋅10-4 6⋅10-4 5⋅10-4 4⋅10-4 3⋅10-4 2⋅10-4 1⋅10-4 2⋅10-4 3⋅10-4 4⋅10-4 5⋅10-5 6⋅10-5 7⋅10-5 8⋅10-5 9⋅10-5 1⋅10-5 2⋅10-5 3⋅10-5 4⋅10-4 5⋅10-4 6⋅10-4 7⋅10-4 8⋅10-4 9⋅10-4 1⋅10-4 2⋅10-4 3⋅10-4 4⋅10-4 5⋅10-4 6⋅10-4 7⋅10-4 8⋅10-5 9⋅10-5 1⋅10-5 2⋅10-5 3⋅10-5 4⋅10-5 5⋅10-5 6⋅10-5 7⋅10-5 8⋅10-5 9⋅10-5 1⋅10-5 2⋅10-5 3⋅10-5 4⋅10-5 5⋅10-5 6⋅10-5 9

49

1,6

9⋅10-4

30

99

0,8

30

7⋅10-5

8. Методические указания к выполнению контрольной работы Задачей электрического расчета является выбор и обоснование структурной схемы устройства и принципиальной схемы выпрямительного устройства, выбор элементной базы и расчет режимов работы трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра. При выполнении контрольного задания все варианты предусматривают наличие трансформатора. Уровень пульсаций на выходе выпрямителя, как правило, значительно превышает допустимый, поэтому включение сглаживающего фильтра является обязательным. При выборе схемы выпрямителя следует учитывать наиболее характерные качественные показатели: расчетную мощность трансформатора, коэффициент использования трансформатора, уровень пульсаций, обратные допустимые напряжения на вентилях, частоту основной гармоники пульсаций и т. д. Из совокупности этих показателей следует отдать предпочтение однофазной мостовой схеме выпрямителя (рис. 1, а). При выборе вентилей необходимо учитывать их эмиссионную способность, величины допустимых обратных напряжений, сопротивление в прямом направлении, частотные свойства и т. д. а) б) VT1

А

D1 D3

R1

А D4

C2

C1

D2

R2

В

В

в) UT1 А D1

R1 R3

VT2 C1 R2

C2

В

Рис. 1. Мостовая схема выпрямителя с транзисторными фильтрами.

Широкое внедрение в радиосистемы устройств на транзисторах и интегральных микросхемах, работающих при относительно невысоких напряжениях питания (единицы — десятки вольт) и больших токах (единицы— де10

сятки ампер), требует, чтобы источник питания имел малое сопротивление как постоянному, так и переменному току. Проще всего удовлетворить требованию минимальных перенапряжений и сверхтоков в переходном режиме так же, как и требованию минимума выходного сопротивления, можно за счет применения транзисторного сглаживающего фильтра. На рис. 1, б представлена схема транзисторного фильтра с Г-образным Rкб С2 звеном в цепи базы и включением нагрузки в цепь эмиттера V1. Такая схема целесообразна при малых токах нагрузки, когда сопротивление схемы резистора Rкб может быть достаточно велико. Резистор Rкб является не только частью фильтра, но и выполняет функции элемента смещения V1. При больших токах нагрузки R кб уменьшается до единиц — десятков ом, что исключает эффективную фильтрацию. В этом случае более целесообразно использовать высокоомный транзисторный двухполюсник на транзисторе V2 (рис. 1, в). Его динамическое сопротивление в точках «К» и «Б» намного превышает статическое сопротивление, что и обеспечивает нормальное открытие транзистора V1 и высокую эффективность подавления пульсаций. Стабилитрон D1 и резистор R2 являются элементами параметрического стабилизатора, с помощью которого фиксируется потенциал базы V2. Резистором в цепи эмиттера V2 R1 можно значительно изменять сопротивление двухполюсника. Резистором R2 можно устанавливать исходный режим силового транзистора V1 и стабилитрона V3. Вместо обычного включения стабилитронов возможно их включение в прямом направлении, так как потенциал базы V2 невелик. Для обеспечения емкостно-активной реакции нагрузки на выпрямитель, а также с целью уменьшения минимального коллекторного напряжения V1 (повышения КПД фильтра) по всем вариантам предусматривается включение на выходе выпрямителя конденсатора С1 = 1000 мкФ. По изложенным выше соображениям выбираем однофазную мостовую схему выпрямителя. Произведем предварительно расчет выпрямителя без транзисторного фильтра; нагрузкой выпрямителя в этом случае является С1 Rн. Расчет следует проводить по методике для расчета выпрямителей с емкостной реакцией. Для выбора вентиля найдем среднее значение тока вентиля мостовой схемы Iв ср = 0,5 I0 вых. Обратное напряжение на вентиле определим ориентировочно по формуле Uобр m = 2 B(A)U0 вых, предварительно задавшись коэффициентом B(A) ≈ 1,2. По току Iв ср и Uобр m из табл. 2 выбираем конкретный тип вентиля. По величине прямого напряжения вентиля Uпр и среднему значению выпрямленного тока вентиля Iв ср (паспортные данные) определяем сопротивление вентиля rв = Uпр/Iв ср. Рассчитываем заданную нагрузку постоянному току Rн = U 0 вых / I 0âûõ ,

и мощность, рассеиваемую в нагрузке,

11

Pн = U 0 вых I0 вых .

Тип вентиля

КД204В

КЦ402Е КД202Л КД202К КД202В КД202К Д243Б КЦ405Д 2Д213А,Б

Таблица 2 Рабочая часСрок Средний Амплитуда Постоянное Диапазон тота выпрям- обратного прямое на- рабочих службы, напряжеч ленный пряжение температок вен- ния Uвт, В на вентиле тур, °С тиля, не Uпр, В более, А 0,3 400 1,4 до 50 кГц -60÷125 1,0 100 4,0 1000 Гц -40÷85 1,0 400 1,0 -”-60÷130 3,0 300 1,0 8000 1200 Гц -60÷130 3,0 100 1,0 1200 Гц -60÷130 3,0 400 1,0 1200 Гц -60÷130 5,0 600 1,5 1000 Гц -60÷125 1,0 200 4,0 1000 Гц -40÷85 10 200 до 100 кГц 1,0÷1,2 -60÷125

Определяем сопротивление потерь выпрямителя: rп = rт р + 2 rв ,

где rтр — сопротивление постоянному току вторичной обмотки трансформатора, которое выбирается из расчета rтр = (0,04 ... 0,1)Rн при мощностях в нагрузке до 1 кВт. Коэффициент 0,04 соответствует большим мощностям, а 0,1 — меньшим. Определяем вспомогательный коэффициент: A(θ ) = τγθ − θ = πρ / mR ,

(1)

где m — число импульсов тока в нагрузке, приходящихся на один период напряжения сети; для мостовой схемы m = 2. Рассчитав A(θ) по графику на рис. 2, а, находим угол отсечки θ. В дальнейшем расчетные коэффициенты определяются по графикам на рис. 2, б...е в зависимости от коэффициента А(θ), а не от угла отсечки θ. Определив по графику на рис. 2, б коэффициент B(A), уточняем максимальную величину обратного напряжения на вентилях. При превышении расчетной величины обратного напряжения над обратным напряжением вентилей следует выбрать вентили с большей величиной этого параметра или включить в каждое плечо вместо одного два или несколько вентилей последовательно. Для выравнивания обратных напряжений в этом случае необходимо включить шунтовые резисторы с сопротивлением Rш = 10 кОм на каждые 100 В обратного напряжения. Коэффициент пульсаций в нагрузке С1 Rн без транзисторного фильтра определяется как kп = H / rпC1, где H определяется по графику на рис. 2, е. Задавшись емкостью конденсатора С1 = 103 мкФ, рассчитываем kп. По всем вариантам задания при С1 = 103 мкФ коэффициент пульсаций превышает допустимый, т. е. kп > kп доп или kп >> kп доп. Поэтому 12

необходимо включить дополнительное звено сглаживающего фильтра — транзисторный фильтр (см. рис. 1, б). В(А)

б)

а) θο 80

1,4

60

1,2

40

1,0

20

0,8

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Α(θ)

0,6 0

0,2

0,4

0,6

0,8

А (θ)

1,0

Д(А)

в)

г)

3,0

F(A)

14

2,5

12 8

2,0 4

1,5 0 д)

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

А (θ)

1/F(А)

0 е) 1200

0,2

800

0,1

400

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

А (θ)

0,4

0,6

0,8

1,0

А (θ)

H(А)

0,3

0

0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

А (θ)

Рис. 2. Графики расчетных коэффициентов выпрямителя.

По известным kп и kп доп рассчитываем необходимый коэффициент сглаживания транзисторного фильтра: k с г л = kп / kп доп = kфγ ,

(2)

где kф = Um1 вх/Um1 вых — коэффициент фильтрации транзисторного фильтра (Um1 вх и Um1 вых — соответственно амплитуды пульсаций по первой гармонике на входе и выходе фильтра); γ = U0 вых /U0 вх — коэффициент передачи постоянного напряжения со входа на выход транзисторного фильтра. Приняв γ = 0,8, определяем необходимый коэффициент фильтрации транзисторного фильтра kф = kсгл/γ. 13

Для выбора конкретного типа транзистора VT1 определим минимальное напряжение на его коллекторе: U к э1= U н ас 1+ U m1âõ ,

(3)

где Uнас1 — напряжение насыщения VT1; Um1 вх = kпU0 вых.

Таблица 3

Тип транзистора

ПровоIк, В Uк, В Pк, Вт Uк нас, В димость Транзисторы большой мощности

Bmin

fα

Iк0, мА

ГТ703А-германиевый КТ801А-кремниевый П302-германиевый П702-кремниевый КТ802А-кремниевый КТ807Б-кремниевый

p-n-p 3,5 20 1,6 0,6 n-p-n 2,0 80 5,0 2,0 p-n-p 0,5 35 1,0 1,0 n-p-n 2,0 60 2,5 n-p-n 5,0 130 1...5 n-p-n 0,5 100 10 1,0 Транзисторы средней мощности

30 13 10 25 15 30

нч сч

0,05 10

нч сч сч

5 60 5

ГТ403А-германиевый ГТ402Б-германиевый ГТ404А-германиевый КТ603Б-кремниевый КТ606А-кремниевый

p-n-p 1,25 45 1,0 0,5 p-n-p 0,5 25 0,6 n-p-n 0,5 25 0,5 n-p-n 0,3 30 0,5 1,0 n-p-n 0,4 60 2,5 Транзисторы малой мощности

20 60 30 60 30

нч нч нч вч вч

0,8 0,025 0,025 0,010 1,5

15 20 20 20 15

вч вч нч нч

ГТ311Е-германиевый ГТ308А-германиевый МП35-германиевый МП40-германиевый КТ202В-кремниевый

n-p-n p-n-p n-p-n p-n-p p-n-p

0,05 0,05 0,02 0,02 0,01

12 15 15 10 30

0,15 0,15 0,15 0,15 0,15

1,0 1,2 1,0 1,0 1

По известным Uкэ1 и I0 вых из табл. 3 выбираем транзистор фильтра V1 p-n-p проводимости. Коэффициент фильтрации транзисторного фильтра определяется следующей зависимостью: kф =

rк r1к б mω c C 2 = rэк вmω c C 2 , rR1 + rк б

(4) где rкб — сопротивление резистора или высокоомного транзисторного двухполюсника (см. рис. 1, б), включенного параллельно сопротивлению коллектора rк1 транзистора V1. Рассчитываем сопротивление коллектора V1: rђ1 = kβ1

U ђэ1( B ) I ђ1( A)

Ом,

5)

где k = 50 для кремниевых и k = 12 для германиевых транзисторов; Iк1 — ток коллектора V1, примерно равный току эмиттера V1 и току нагрузки Iк1 ≈ Iэ1 = I0 вых. Для обеспечения тока коллектора Iк1 рассчитываем сопротивление резистора rкб как элемент смещения V1: 14

rê á = Rк б = β 1

U к э1 . I э1

При малых напряжениях U кэ1 и больших токах I э1 сопротивление r э1 невелико (единицы — десятки ом), что приводит к снижению r экв и коэффициента фильтрации транзисторного фильтра. Если в результате расчета окажется, что rкб > 0,8rк1, то можно ограничиться схемой транзисторного фильтра с Rкб С2 звеном (см. рис. 1, б). При этом необходимая емкость конденсатора С2 рассчитывается из выражения (4) C2 ≥

kф . rэк вmω п

(6) При этой емкости обеспечивается допустимый уровень пульсаций напряжения в нагрузке. Если же в результате расчета окажется, что rкб < 0,8rк1, то целесообразно вместо резистора Rкб применить высокоомный транзисторный двухполюсник с транзистором V2 (см. рис. 1, в). Проведем его расчет. Ток базы V1 равен току коллектора V2 Iк2 = Iб1 = Iк1/β1. Напряжение на коллекторе V2 меньше напряжения Uкэ1 и в первом приближении можно принять Uкэ2 ≈ Uкэ1. По известным току Iк2 и напряжению Uкэ2 выбираем транзистор V2 n-p-n проводимости. Определим динамическое сопротивление двухполюсника в точках «К» и «Б»: ⎛ ⎞ α2 Rд к б = rк 2⎜ 1 − ⎟, ⎝ 1 + Rэ / rб 2⎠

(7) где rк2 — сопротивление коллектора V2 (5); α2 = β2/(1 + β2) -- коэффициент усиления по току VT2; rб2 = k(β2 ⋅ 10-3)/Iк2 (k = 15 для кремниевых и k = 7 для германиевых транзисторов). Выбираем величину резистора Rэ = (0,5 ... 4)rб2 и по формуле (7) рассчитываем Rд кб, rэкв, а по (6) — емкость конденсатора С2. По данным табл. 4 выбираем стабилитрон VD3 с рабочим напряжением Uст = (Iк2Rэ + 0,1), В. Резистор R рассчитываем по формуле R≥

U к э1+ U 0âûõ , Iá 2 + Iv 3

где Iб2 = Iк2/β2; Iv3 = 1,5 Iстmin. Таблица 4 Тип Напряжение Минималь- Макси- Прямое Дифферен- Относительный циальное мальный напряный ток, стабилитрона стабилизаТКН, жение, сопротивток, мА мА ции, В ление, Ом В %/°С 1С113А 1,17...1,43 1 100 1,0 90 -0,2 2С133А 2,97...3,63 1 81 1,0 180 -0,1 2С156А 5,04...6,16 3 55 1,0 160 ±0,05 Д808 7...8,5 5 33 1,0 12 +0,07 15

Д813 Д815Ж Д816Б

11,5...14 16,2...19,8 24,3...29,7

2 25 25

20 450 180

1,0 1,0 1,0

35 30 150

+0,1 +0,11

Так как резистором R задается исходный режим V1, V2 и V3, то его целесообразно выбрать переменным с запасом расчетной величины на 20 ... 30%. Используя данные графиков (см. рис. 2, б-д), определяем вольтамперную мощность вторичной и первичной обмоток и всего трансформатора: PBA 2 = U 2 I 2 ,

где U2 = U0выхB(A)

;

I2 =

2 I 0 D( A); m PBA1 = U1I1 ,

где I1 = I2/kтр (kтр = U1/U2 = w1/w2 — коэффициент трансформации. PBAт р =

PBA1 + PBA 2 . 2

Коэффициент использования трансформатора kисп = P0/PBA тр. Амплитуда тока через вентиль Iв m = I0 вых/m [A]. Рассчитаем коэффициент полезного действия выпрямительного устройства: η = P0/(P0 + Pп), где Pп — мощность потерь. Вычислим сопротивление выхода фильтра на частоте сигнала: ωн = 2πƒн = 2π⋅30, 1/с, (9) zвых = rэ1 + (1 − α1)rб1 − j(1−α1)xс2, где rэ1 = 0,026/Iк1; xс2 = 1/ωнС2. Рассчитаем эквивалент индуктивности Г-образного звена LфC2 фильтра по отношению к транзисторному фильтру. Так как коэффициент фильтрации Г-образного звена LфC фильтра определяется выражением ⎛ ω ⎞ ( 2 ⋅ 2πf ) 2 ( 2 ⋅ 2πf c ) 2 C 2 , kф = ⎜ ф ⎟ = L = Lф / C 2 то ф kф ⎝ mω c ⎠ . 2

16

СОДЕРЖАНИЕ 1. Цели и задачи изучения дисциплины “Электропреобразовательные устройства”………………………….. 3 2. Структура дисциплины……………………………………………………. 3 3. Содержание дисциплины……………………………………………….. 4 4. Библиографический список……………………………………………… 7 5. Темы рефератов…………………………………………………………… 7 6. Тестовые задания…………………………………………………………. 8 7. Задание на контрольную работу………………………………………… 8 8. Методические указания к выполнению контрольной работы………10

Сводный темплан 2003 г. Редактор И.Н. Садчикова Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 ________________________________________________________________________ Подписано в печать Б. кн.-журн. Тираж

Формат 60х84 1/10 П.л. 1,062. Б.л. 0,531 РТП РИО СЗТУ . Заказ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга ________________________________________________________________________ 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

17