Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы электроники. Сборник задач и примеры их решения. Учебно-методическое пособие
.pdf
Здесь: Uн – напряжения на нагрузке; Е2 – действующее значение ЭДС
на вторичной обмотке входного трансформатора; U
жения первой гармоники пульсаций выходного напряжения; I
– амплитуда напря-
m1
, I2 – посто-
1
янные составляющие токов первичной и вторичной обмоток трансформатора; Р
– мощность, выделяемая на нагрузке.
н
Напряжение на диоде в области электрического пробоя слабо зависит от протекающего через диод обратного тока. Эта особенность может
быть использована для стабилизации напряжения. Полупроводниковые
диоды, предназначенные для стабилизации напряжения на основе эффекта слабой зависимости напряжения от тока в области электрического
пробоя, называют стабилитронами, а
схемы, выполненные на их основе –
параметрическими стабилизаторами напряжения.
Одним из основных параметров стабилитрона является его напряжение стабилизации U
, т. е. напряжение на стабилитроне при протека-
ст
нии заданного тока стабилизации. При этом током стабилизации считается величина обратного тока диода в режиме электрического пробоя,
ограниченное значениями I
ст. min
и I
(рис. 2.3).
ст. max
Рис. 2.3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
Первое из этих предельных значений, I
, т. е. минимальное зна-
ст. min
чение тока стабилизации, при котором обеспечивается заданная надежность, определяется условиями наступления и развития электрического
пробоя, а второе – I
стимой рассеиваемой мощности на стабилитроне Р
, определяется значением максимально допу-
ст. max
. Данные значе-
max
ния для стабилитронов приводятся в справочной литературе.
В табл. 2.3 представлены предельные параметры для ряда кремневых стабилитронов.
Как правило, она применяется в слаботочных устройствах (несколько
миллиампер) и представляет собой делитель напряжения, выполненный на
21
балластном резисторе Rб и стабилитроне VD, на вход которого подается
,
R
нестабильное напряжение U
, а выходное напряжение Uн снимается с
вх
нижнего плеча делителя. При повышении (понижении) входного напряжения внутреннее сопротивление стабилитрона уменьшается (увеличивается), что позволяет удерживать выходное напряжение на нагрузке на заданном уровне. На балластном резисторе падает разница между входным
напряжением U
и напряжением стабилизации стабилитрона Uст.
вх
Таблица 2.3
Параметры кремневых стабилитронов
Параметры
I
пр, max, mА
U
ст, В
Р
max, mВт
I
ст, min, mА
I
ст, max, mА
10 10 10 4 2 10
7,65–10,35 5,04–6,16 9,1 7,5 20 11
Д818Г КС156А КС191С КС175Ж КС220Ж КС211Д
100 300 200 125 125 280
3 3 3 0,5 0,5 5
11 55 20 17 6,2 33
Тип прибора
На рис. 2.4 представлена схема параметрического стабилизатора
напряжения.
Рис. 2.4. Параметрический стабилизатор напряжения
Для нормальной работы схемы ток через стабилитрон VD должен в
несколько раз (3–10 раз) превышать ток в стабилизируемой нагрузке I
.
н
В связи с этим допускается при расчетах считать, что ток нагрузки не
должен превышать номинального тока
стабилизации.
Расчет параметрических стабилизаторов напряжения сводится, как
правило, к выбору стабилитрона и расчету балансного сопротивления R
или при необходимости коэффициента стабилизации k
.
ст
б
Последний определяется как
вх
U
и U
,
– допустимые откло-
вых
бвх
k
где = U
вых. н
/U
вх. н
; U
вых. н
ст
и U
RU
нвых
– номинальные значения выходного и
вх. н
входного напряжения стабилизатора; U
нения входного и выходного напряжения.
22
Если для решения поставленной задачи нет необходимого стабилитрона с требуемым напряжением стабилизации, то в этом случае,
можно применить последовательное соединение стабилитронов.
К примеру, если соединить последовательно два стабилитрона Д814Г,
то напряжение стабилизации составит 22 В (11 + 11 = 22). Если соединим
Д814Г и Д810, то получим напряжение стабилизации 20 вольт (11 + 10).
Допускается любое число последовательного соединения стабилитронов одной серии. Последовательное же соединение стабилитронов
разной серии допускается только в том случае, если рабочие токи последовательной цепочки
укладываются в паспортные диапазоны токов
стабилизации каждой использованной серии.
Если же для решения поставленной задачи нет необходимого стабилитрона с требуемым током стабилизации, то в этом случае применяется последовательный стабилизатор напряжения с биполярном транзистором (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Параметрический стабилизатор напряжения с биполярным
транзистором
Это, по сути, параллельный параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне, подключенный к входу эммитерного повторителя. Однако следует учесть, что его выходное напряжение меньше
напряжения стабилизации стабилитрона за счет падения напряжения на
переходе база-эммитер транзистора (для кремниевых транзисторов оно
составляет около 0,6 В, а для германиевых – 0,25 В). Данный факт следует
учитывать при выборе стабилитрона.
Данная схема позволяет увеличить максимальный ток стабилизатора
напряжения по сравнению с ранее рассмотренным параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне в β (h
) раз, где β (h
21э
) – коэф-
21э
фициент усиления по току данного транзистора, которое выбирается по
паспортным данным транзистора для наименьшего значения.
Так, как данный стабилизатор состоит из двух частей – источник
опорного напряжения (он же параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне) и усилителя тока на транзисторе (он же эмми-
23
терный повторитель), то расчет такого стабилизатора производится ана-
логично вышеприведенному примеру. Единственное отличие заключается лишь в том, что при выборе транзистора его коэффициент усилению по току должен удовлетворять условию
I
н
.
I
cт
Кроме того, мощность балластного резистора рассчитываем по формуле:
PU I I
()
.
бст н
R
Ток нагрузки можно увеличить еще в несколько раз, если применить схему с составным транзистором, представляющим собой два
транзистора, включенные по схеме Дарлингтона или Шиклаи (рис. 2.6).
а) б)
Рис. 2.6. Составные транзисторы по схеме:
а – Дарлингтона; б – Шиклаи
Рис. 2.5. Графические обозначения и вольт-амперные характеристики
тиристоров:
а – динистор; б – тринистор; в – симистор
24
В отдельный обширный класс полупроводниковых приборов выделяются так называемые тиристоры. Они используются для электронного
переключения и подразделяются на динисторы (диодный тиристор),
тринисторы (триодный тиристор) и симисторы (симметричные тиристры). Тиристоры являются полупроводниковыми устройствами с
двумя устойчивыми состояниями, имеющие три или более переходов.
Они охвачены внутренней положительной обратной связью, позволяющей
получить увеличение амплитуды выходного сигнала путем подачи
части выходного напряжения на вход. Графические обозначения и
вольт-амперные характеристики тиристоров представлены на рис. 2.5.
Тиристоры широко используются для регулирования мощностью
постоянного и переменного тока, для включения и выключения мощности, подаваемой в нагрузку, а также для регулирования величиной этой
мощности, например для управления освещенностью или скоростью
вращения исполнительного двигателя.
Основные параметры тиристоров такие же, как и у диодов. Однако так
как они являются частично управляемыми полупроводниковыми приборами, то для них в паспортных данных указываются еще и параметры цепи
управления, такие, например, как: ток запирания, т. е. такой ток, протекающий по управляющему электроду, который инициирует переход
тиристора
из открытого состояния в закрытое состояние; ток удержания, т. е. минимальный ток такой силы, под действием которого тиристор не переходит в
закрытое состояние; длительность включения, т. е. такой отрезок времени,
за который тиристор переходит в открытое состояние под действием импульса тока, протекающего по управляющему электроду и другие.
2.3. Примеры решения задач
Задача 1
Для однополупериодной схемы выпрямления (рис. 2.2, а) определить габаритную мощность входного трансформатора, если напряжение
сети 220 В. Токи первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно равны: I
входного трансформатора k
= 15 А, I2 = 12 А, а коэффициент трансформации
1
=1.
тр
Решение
Габаритная мощность входного трансформатора определяется как
Р = (Р
+ Р2)/2,
1
где значения мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора при k
=1 рассчитываются соответственно как
тр
111
220 15 3300 ВтPEI ;
222
25
220 12 2640 ВтPEI .
Тогда, габаритная мощность входного трансформатора
3300 2640
.
P
2970 Вт
2
Ответ. Габаритная мощность трансформатора Р = 2970 Вт.
Задача 2
Пользуясь табл. 2.1 провести выбор диодов для однофазного мостового выпрямителя и определить коэффициент трансформации силового трансформатора, если мощность нагрузки составляет Р
напряжение сети U
= 220 В, номинальный ток нагрузки Iн = 1,5 А.
c
= 100 Вт,
н
Решение
Номинальное прямое напряжение на нагрузке определяется как
ннн
100 1 5 66 ВUP/I /, .
Тогда параметры, по которым будет выбираться силовой диод,
определятся согласно табл. 2.2 по выражениям
пр,max н
обр,max н
;
.
314 15 471АII,,,
2 3 14 66 2 103 7 ВUU/,/,
По табл. 2.1 выбираем тип диода, у которого предельные значения
параметров I
пр, max
и U
обр, max
превышают расчетные значения. Таким диодом будет являться, например, КД203Г, для которого прямой максимальный ток 5 > 4,71 А и обратное напряжение 500 > 103,7 В.
Действующее значение ЭДС на вторичной обмотке входного
трансформатора для однопериодной схемы выпрямления
E
= Uн/ kсх = 66/0,45 = 146,7 В,
2
откуда коэффициент трансформации определится как
k
= U2/Uc = 146,7/220 = 0,66.
тр
Ответ. Для данной схемы выпрямления может быть использован
диод типа КД203Г. Коэффициент трансформации входного трансформатора k
= 0,66.
тр
Задача 3
Заданы: номинальное прямое напряжение на нагрузке Uн = 5 В; ток
нагрузки I
= 0,07 А; напряжение питающей сети Uс = 220 В; количество
н
фаз n = 1. Провести анализ исходных данных и выбрать: принципиальную схему выпрямителя и выпрямительные диоды. Рассчитать параметры питающего трансформатора.
26
Решение
Определяем сопротивление и мощность на нагрузке
R
= Uн /Iн = 5/0,07 = 71 Ом,
н
Р
= Uн Iн = 5·0,07 = 0,35 Вт.
н
Исходя из расчетных данных, в соответствии с рекомендациями
(стр. 16), выбираем схему однофазного однополупериодного выпрямления (рис. 2.2, а).
Для выбора выпрямительного диода рассчитаем требуемые значения параметров I
пр, max
и U
обр, max
пр,max н
обр,max н
π 314 007 022АII,,, ;
π 314 5 157ВUU,,
.
По табл. 2.1 выбираем диод Д226Д, для которого I
U
обр, max
= 70 В.
пр, max
= 300 мА,
Рассчитываем параметры силового трансформатора:
мощность первичной обмотки трансформатора
Р
мощность вторичной обмотки трансформатора
Р
габаритная мощность трансформатора
Р = 3,06Р
= 2,69Рн = 2,69·0,35 = 0,94 Вт;
1
= 3,49Рн = 3,49·0,35 = 1,2 Вт;
2
= 3,06·0,35 = 1,07 Вт.
н
Ответ. В качестве выпрямителя выбрана однофазная однополупериодная схема выпрямления, выполненная на выпрямительном диоде
Д226Д. Параметры силового трансформатора составили: Р
Р
= 1,2 Вт, Р = 1,07 Вт.
2
= 0,94 Вт,
1
Задача №
4
Рассчитать величину балансного сопротивления параметрического
стабилизатора напряжения (рис. 2.4), если: сопротивление нагрузки
R
= 500 Ом; напряжение стабилизации Uн = 10 В; входное напряжение
н
U
= 15 В. Предельные параметры стабилитрона составляют:
вх
I
ст.min
= 5 мA; I
= 50 мA; Р
ст.max
= 200 мВт.
max
Решение
Выбираем рабочий ток стабилитрона I
= 10 мА. Тогда, мощность,
ст
которая будет рассеиваться на стабилитроне, составит
Р
= I
что не превышает допустимого заданного значения Р
= 10 · 10 = 100 мВт,
ст Uн
= 200 мВт.
max
Определяем ток нагрузки
I
= U
/ R
н
= 10/500 = 20 мА.
н
н
27
Определяем ток, протекающий по балансному сопротивлению
I
= Iст + Iн = 10 + 20 = 30мА.
Тогда, исходя из второго закона Кирхгофа, величина балансного
сопротивления определится как
15 10
UU
R
вх н
.
б
I
30 10
3
166 Ом
Ответ. Величина балансного сопротивления параметрического
стабилизатора напряжения R
= 166 Ом.
б
Задача 5
Провести выбор стабилитрона и рассчитать балансное сопротивление параметрического стабилизатора напряжения (рис. 2.4) если заданы:
U
= 15 В, U
вх
= 11 В.
н
Решение
По табл. 2.3 определяем, что для наших целей подходит стабилитрон типа КС211Д, имеющий следующие параметры: U
I
= 10 мА; I
ст
ст min
= 5 мА; I
= 33 мА; Р
ст max
= 280 мВт.
max
= 11 В;
ст
Будем считать, что ток нагрузки не должен превышать номинального значения I
Определяем падение напряжения на балластном резисторе R
= 10 мА.
ст
как
б
разность входного и выходного стабилизированного напряжения
UUU В.
бвхн
R
15 11 4
Используя закон Ома, определяем номинальное значение балластного сопротивления как
U
R
R
б
I
cт
4
б
400
Ом.
0,01
Так как резисторов с номиналом 400 Ом нет, из стандартного ряда
сопротивлений берем ближайший больший номинал: R
= 470 Ом.
б
Определяем мощность балластного сопротивления
PUI Вт.
бст
R
40,01 0,04
Так как через резистор протекает не только ток стабилизации стабилитрона, но и ток потребляемый нагрузкой, то полученное значение
увеличиваем минимум в 2 раза. Следовательно, Р = 0,08 Вт, что соответствует ближайшему номиналу 0,125 Вт.
Ответ. В качестве стабилитрона выбран КС211Д, балансное сопро-
тивление составило 470 Ом, мощностью 0,125 Вт.
28
Задача 6
Изобразить для представленной схемы (рис. 2.6) временные зависимости параметров указанных на графиках, считая характеристики полупроводниковых приборов идеальными:
U
прк 1VS
1VS
a
u
c
2VS
U
b
R
прк 2VS
н
i
н
u
ab
2
Рис. 2.6. Принципиальная схема и форма входного напряжения сети
Решение
Согласно рис. 2.6 на исходной схеме изображены два встречнопараллельных включенных динистора. Величины пороговых напряжений,
при которых происходит включение динисторов в проводящее состояние,
определены на графиках значениями U
пркVS1
и U
соответственно.
пркVS2
Рис. 2.7. Диаграммы изменения:
а – тока нагрузки; б – падения напряжения на динисторах
В первый полупериод входного напряжения (напряжения сети) к аноду первого динистора VS1 и к катоду второго динистора VS2 прикладыва-
ется положительное напряжение (интервал от 0 до
). Следовательно,
второй динистор будет всегда закрыт, а первый – откроется, как только
напряжение сети U
станет равным U
с
. При этом через нагрузку начнет
пркVS1
протекать ток iн. Во второй полупериод входного напряжения работа динисторов поменяется местами: VS1 будет закрыт, а VS2 откроется как
только U
станет равным U
с
. В результате временная диаграмма для
пркVS2
мгновенного значения тока нагрузки будет иметь вид (рис. 2.7, а).
29
Так как все элементы схемы соединены последовательно, то падение
напряжение на динисторах U
закону Кирхгофа, как разницу между входным напряжением U
можно определить графически по второму
ab
и напряже-
с
нием на нагрузке. Последнее, в виду того, что характер нагрузки имеет активный характер, будет иметь ту же форму, что мгновенное значение тока
нагрузки. Рис. 2.7, б иллюстрирует результирующую характеристику U
ab
.
2.4. Задачи для самостоятельной проработки
Задача 2.1
Однофазный выпрямитель со средней точкой работает на активную
нагрузку, сопротивление которой составляет 10 Ом. Напряжение на
нагрузке 15 В. Определить необходимые параметры для выбора выпрямительных диодов и рассчитать параметры входного трансформатора.
Ответ. Параметры для выбора диодов: I
В. Параметры входного трансформатора: Р
Р = 33,3 Вт; k
= 0,075.
тр
= 2,36 А; U
пр, max
= 27,7 Вт; Р2 = 39,2 Вт;
1
обр, max
= 47,1
Задача 2.2
Как изменятся параметры трансформатора и предельные параметры по выбору диодов, если заменить однофазную мостовую схему на
однофазную схему выпрямителя со средней точкой. Считать мощность
на грузке и ее сопротивление неизменными.
Ответ. Мощность первичной обмотки трансформатора останется
неизменной, а мощности габаритная и вторичной обмотки уменьшатся,
соответственно в 0,8 и 0,7 раза Предельные параметры для выбора диодов
по току возрастут, а по напряжению уменьшатся, в 2 раза соответственно.
Задача 2.3
Заданы: номинальное прямое напряжение на нагрузке Uн = 100 В;
ток нагрузки I
= 5 А; напряжение питающей сети Uс = 220 В. Провести
н
анализ исходных данных и выбрать: принципиальную схему выпрямителя и параметры выпрямительных диодов.
Ответ. В качестве схемы выпрямителя следует выбрать однофаз-
ную мостовую схему. Предельные параметры диодов должны составлять I
пр, max
= 15,7 А; U
обр, max
= 157 В.
Задача 2.4
Определить, какой необходимо обеспечить коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения, если входное
напряжение параметрического стабилизатора U
ное U
= 10 0,01 В.
н
= 20 0,1 В, а выход-
вх
Ответ. Коэффициент стабилизации параметрического стабилиза-
тора напряжения k
= 5.
ст
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]