СРРиТ / Контрольная работа ЭПСТК

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 U_c 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.

Рисунок 1.2 – Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя

Рисунок 1.3 – Диаграммы токов и напряжений

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:

Определяем напряжение холостого хода выпрямителя :

где

– число вентилей, включенных последовательно

– число фаз вторичных обмоток.

По величинам , , определяем параметры трансформатора , , , , , :

Определяем напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети .

Уточним величину максимального обратного напряжения:

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:

Определяем максимальную мощность, рассеиваемую стабилитроном

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.

17