Ивп характеризуется рядом электрических параметров:

1. Номинальными уровнями входного Uвх ном и выходного Uвых ном напряжений;

2. Предельными отклонениями входного и выходного напряжений от номинальных значений (относительные изменения Uвх и Uвых ). Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки – Uвых(Iн) и напряжения питания – Uвых(Uвх). Иногда величину Uвых(Uвх) задают коэффициентом стабилизации по напряжению

3. Диапазоном изменения выходной мощности PHmax – PHmin. Иногда этот диапазон задается значениями максимального Iвыхmax и минимального Iвыхmin токов нагрузки;

4. Предельным уровнем амплитуды переменной составляющей входного Umвх и выходного Umвых напряжений. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций

Кп= Umi/ Uном ,

где Umi – напряжение первой гармоники, Uном – постоянная составляющая.

5. Способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напряжения задается в виде коэффициента сглаживания

Ксгл = КПвх / КПвых .

Задание

Спроектировать ИВП для преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение.

Дано:

– параметры напряжения сети Uвх = 220 В, f = 50 Гц, ΔUвх = +15...– 20%;

– однофазная мостовая схема выпрямителя;

– фильтры (C1, L1, L2C2, C3L3C4);

– параметрический стабилизатор напряжения;

– параметры потребителя выходного напряжения:

~ RH=100 Ом; ~ КПвх = 0,67;

~ UH [в]=12 В; ~ частота пульсации m = 2;

~ КПвых=0,05.

Выполнение

1. Определим расчетные мощности обмоток трансформатора и коэффициент трансформации n

, где

Вт =>

Вт

Коэффициент трансформации , где U₁=220 В, U₂=1,11U_Н В

2. Рассчитаем параметры сглаживающих фильтров ( C₁, L₁, L₂С₂ , С₃L₃С₄)

2.1. Емкостной фильтр С₁:

С_Ф

R_Н

U_вых

U_вх

(Здесь и далее округляем по ряду Е12)

L_Ф

2.2. Индуктивный фильтр L₁:

R_Н

U_вых

U_вх

, где

2.3. Индуктивно-емкостной (Г-образный) фильтр L₂C₂:

, зададим С₂ < С₁

С₁=0,56 мФ => С₂= 0,47 мФ, далее

L_Ф

U_вых

U_вх

R_Н

С_Ф

2.4. Комбинированный (П-образный) фильтр C₃L₃C₄:

С_Ф

L_Ф

R_Н

U_вых

U_вх

С_Ф

Данный фильтр можно рассмотреть как сочетание фильтров С₃ и L₃C₄, а

Для расчета параметров данного фильтра зададим , а именно

Определим значение C₃ для

Далее рассчитаем L₃C₄ для и из полученной величины найдем L₃, приняв С₄=С₃=0,15 мФ

=>

3. Исследуем на компьютере действие всех фильтров

Экспериментально проверим результаты расчета фильтров путем определения и сравнения полученного результата с расчетным.

3.1. Емкостной фильтр С₁:

Удовлетворяет условию КПвых=0,05. Следовательно, расчет фильтра выполнен, верно.

3.2 Индуктивный фильтр L₁:

Удовлетворяет условию КПвых=0,05. Следовательно, расчет фильтра выполнен, верно.

3.3 Индуктивно-емкостной (Г-образный) фильтр L₂C₂:

Удовлетворяет условию КПвых=0,05. Следовательно, расчет фильтра выполнен, верно.

3.4. Комбинированный (П-образный) фильтр C₃L₃C₄:

Удовлетворяет условию КПвых=0,05. Следовательно, расчет фильтра выполнен, верно.

4. Расчет параметрического стабилизатора

4.1 Выбор стабилитрона по справочнику (по необходимым параметрам)

Выбираем Д815Д

параметр	значение
Uст ном, В	12
Uст min, В	11
Uст max, В	13
Iст min, мА	25
Iст max, мА	650

Определим

4.2 рассчитаем величину балластного сопротивления

, где

4.3 Выберем по справочнику диоды для мостовой схемы выпрямителя по параметрам:

Выбираем 2Д202В

параметр	значение
Uобр доп, В	70
Iср , мА	3000
Uпр, В	1

5. Исследование работы спроектированной схемы ИВП.

Исследование работы спроектированной схемы ИВП будем проводить при помощи программы Electronics Workbench.

Т.к. в схему введено балластное сопротивление, то необходимо изменить параметры трансформатора для повышения вторичного напряжения

Для трех значений напряжения сети (220 В, 176 В, 253 В) проведем исследование работы спроектированной схемы ИВП. Оценку работы схемы дадим по коэффициенту стабилизации.

К_с > 10

II. Активные фильтры.

Благодаря тому, что реактивное сопротивление конденсатора, равное

Zс = – j/ωc, зависит от частоты, с помощью конденсаторов и резисторов можно строить частотно-зависимые делители напряжения, которые будут пропускать только сигналы нужной частоты, а все остальные подавлять – пассивные фильтры.

Активными называются фильтры, использующие для формирования частотных характеристик как пассивные, так и активные (усилительные) элементы, что дает возможность усиливать сигнал, лежащий в полосе пропускания.

Активные фильтры классифицируются на фильтры низких частот (ФНЧ), пропускающие сигналы с частотой от f = 0 до некоторой частоты среза f = f0; фильтры высоких частот (ФВЧ), пропускающие сигналы с частотой от f = f0 до f ; полосовые (ПФ), пропускающие сигналы в диапазоне частот от f1 до f2, и режекторные фильтры (РФ), не пропускающие сигналы в узком диапазоне частот от f1 до f2. На частоте среза f0 сигнал уменьшается до 0,7 К0, что соответствует 3 дБ.

Типовые ЛАЧХ перечисленных фильтров приведены на рис.3.

Электрические фильтры аналитически принято описывать передаточными функциями. Передаточные функции простейших фильтров представляют собой уравнения первого порядка, поэтому и фильтры называются фильтрами первого порядка. Коэффициент усиления у них уменьшается с частотой на 20 дБ/дек. Такие фильтры просты, но имеют малую крутизну спада ЛАЧХ, что свидетельствует о плохих избирательных свойствах. Для улучшения избирательности нужно повышать порядок передаточных функций за счет введения дополнительных RC-цепей или последовательного включения идентичных активных фильтров. На практике наиболее часто используют операционные усилители (ОУ) с цепями обратных связей (ОС), работа которых описывается уравнениями второго порядка – фильтры второго порядка. Коэффициент усиления у них уменьшается с частотой на 40 дБ/дек. При необходимости повысить избирательность системы отдельные фильтры второго порядка включают последовательно.

C₂

R₂

-

оу

+

ё

R₃

R₁

C₁

U_вх

U_вых

Рис.1 Схема ФНЧ второго порядка

С₃

U_вх

U_вых

ё

R₂

C₂

-

оу

+

C₁

R₁

Рис.2 Схема ФВЧ второго порядка

Рис.3. ЛАЧХ фильтров: а) ФНЧ; б) ФВЧ; в) ПФ; е) РФ

Задание.

Спроектировать и исследовать на компьютере активные фильтры нижних и верхних частот второго порядка с максимально плоской характеристикой.

Дано:

- f0=40 кГц – частота среза;

- К0=10 – коэффициент усиления в полосе пропускания;

- – коэффициент затухания;

- n = 40 дБ/дек – наклон ЛАЧХ в полосе ограничения.

Выполнение.

1. Расчет фильтра низкой частоты (ФНЧ) второго порядка. (рис. 1)

1.1 Зададим некоторое значение емкости конденсатора С₂= 1800 рФ (не более 2200 pФ.)

Найдем значение вспомогательного коэффициента

1.2 Рассчитаем значения всех элементов схемы фильтра C₁, R₁, R₂, R₃

1.3 Проверим значения частоты среза f₀ и к₀

Следовательно расчеты верны.

1.4 рассчитаем коэффициент усиления к₀ в децибелах для построения ЛАЧХ

1.5 определим параметры операционного усилителя

1.6. Исследуем работу ФНЧ на компьютере.

Экспериментальные данные сходны с расчетными в допустимых пределах.

2. Расчет фильтра высокой частоты (ФВЧ) второго порядка. (рис. 2)

2.1 Зададим некоторое значение емкости конденсаторов С₁=С₃=С=1800 рФ (не более 2200 pФ.)

Найдем значение вспомогательного коэффициента

2.2 Рассчитаем значения всех элементов схемы фильтра С₂, R₁, R₂

2.3 Проверим значения частоты среза f₀ и к₀

Следовательно, расчеты верны.

2.4 рассчитаем коэффициент усиления к₀ в децибелах для построения ЛАЧХ

2.5 определим параметры операционного усилителя

2.6. Исследуем работу ФВЧ на компьютере.

Экспериментальные данные сходны с расчетными данными в допустимых пределах.

III. Усилители мощности.

Под мощным каскадом понимают такой усилительный каскад, для которого задаются нагрузка RH и мощность PH, рассеиваемая в этой нагрузке. Обычно мощность имеет значения от нескольких до десятков-сотен ВТ. Поэтому мощные каскады, как правило, бывают выходными – оконечными. В качестве нагрузки могут выступать различные исполнительные устройства систем управления (например, обмотки реле, электродвигатели).

Мощный выходной каскад, работающий с большими токами и напряжениями, вносит основную часть нелинейных искажений и является главным потребителем энергии. Поэтому при выборе и проектировании выходного каскада основное внимание обращают на возможность получения малых нелинейных искажений и наибольшего кпд.

Усилители мощности могут быть однотактными и двухтактными. Однотактные усилители чаще применяют при относительно малых выходных мощностях (до 3-5 Вт). Как правило, в однотактной схеме транзистор работает в режиме А, в двухтактных схемах – в режимах АВ или В.

Усилители мощности подразделяются на трансформаторные и бестрансформаторные. Несмотря на то, что трансформаторы характеризуются незначительными потерями энергии и позволяют оптимизировать условия работы усилительного элемента, при которых обеспечивается необходимая выходная мощность, высокий кпд и низкий уровень нелинейных искажений, тем не менее они сравнительно редко применяются в транзисторных и особенно в аналоговых микросхемах, так как при их использовании увеличиваются габаритные размеры, масса и стоимость усилителя. Вместе с тем применение в оконечных каскадах глубокой отрицательной обратной связи для улучшения согласования плеч транзисторных двухтактных схем и повышения их линейности привело к использованию в качестве бестрансформаторных оконечных каскадов повторителей напряжения, которые практически вытеснили трансформаторные оконечные каскады.

Все бестрансформаторные двухтактные схемы можно разделить на две группы: с одним или двумя источниками питания и с управлением от однофазного или от парафазного напряжения. При управлении однофазным напряжением каскады реализуются на комплементарных транзисторах ( p-n-p и n-p-n типов).

Двухтактный оконечный каскад на комплементарных транзисторах с двумя источниками питания

-

E_k1

+

R₁

VT

R₂

R_H

С

U_вх

R₃

VT

-

R₄

E_k2

+

В рассматриваемом каскаде транзисторы включены по схеме с ОК (эмиттерные повторители) режим работы В или АВ. При отсутствии входного сигнала ток в сопротивлении нагрузки Rн практически отсутствует, так как небольшие начальные токи, протекающие через транзисторы VT1 и VT2, взаимно вычитаются. При подаче входного сигнала на базы обоих транзисторов один из транзисторов в зависимости от фазы сигнала закрывается, а открытый транзистор работает как усилительный каскад, собранный по схеме с ОК. Следовательно, выходной сигнал Ukm на сопротивлении нагрузки Rн практически равен входному, а усиление мощности достигается за счет усиления тока Iэm. Во время другого полупериода открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

Расчет двухтактного усилителя производят графоаналитическим методом по семействам статических характеристик одного транзистора. При этом рассчитывается одно плечо схемы.