Основные параметры выпрямителей (при работе на активную нагрузку)

Методические указания

по выполнения контрольной работы

для заочного отделения профилей «Электроснабжение», «Электропривод»

по дисциплине «Электроника»

Подготовил: Доцент Гаврилов Е. Н.

Нижнекамск, 2016 г.

Контрольная работа оформляется в тетради. Задачи выполняются в строгой последовательности, условия и данные задачи указываются в начале задания. Все рисунки и графики должны иметь порядковые номера.

Задания к контрольной работе

ЗАДАЧА 1. Напряжение и частота сети переменного тока заданы в таблице 1. Тип выпрямителя, мощность и номинальное напряжение нагрузки, тип фильтра и допустимый коэффициент пульсации напряжения на нагрузке приведены в таблице 2.

ЗАДАНИЕ.

1. Начертить схему выпрямителя с фильтром, на которой обозначить напряжения и токи в обмотках трансформатора, вентилях и нагрузке. Указать полярность выходных клемм.

2. Рассчитать необходимые параметры и выбрать тип вентилей при условии работы выпрямителя на заданную активную нагрузку. Индуктивностью и сопротивлением обмоток трансформатора пренебречь.

3. Определить расчетную мощность, напряжение вторичной обмотки и коэффициент трансформации трансформатора. Вентили считать идеальными.

4. Рассчитать амплитуды тока и напряжения при работе выпрямителя без фильтра и начертить в масштабе временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке.

5. Рассчитать параметры сглаживающего фильтра, который обеспечит допустимый коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке.

6. Указать на схеме выпрямителя тип вентилей, параметры элементов фильтра, мощность и коэффициент трансформации трансформатора.

Таблица 1

ПримечаниЯ.

1. Для трехфазных выпрямителей в таблице 1 приведены фазные напряжения трехфазной сети.

2. Если приведенные в Приложении 3 диоды по предельным параметрам не удовлетворяют требованиям схемы, их надо включать параллельно или последовательно.

3. Если параметры элементов фильтра оказываются слишком большими (индуктивность >1 Гн, емкость >10000 мкФ) рекомендуется выбрать более сложный или многозвенный фильтр (Приложение 2).

4. Для выпрямителей приняты следующие обозначения:

A - однофазный однополупериодный;

Б - однофазный с нулевым выводом;

В - однофазный мостовой;

Г - трехфазный с нулевым выводом;

Д - трехфазный мостовой.

5. Для обозначения типа фильтра приняты следующие обозначения:

I - простой емкостной фильтр;

II -  простой индуктивный фильтр;

III - Г-образный индуктивно-емкостной фильтр;

IV - П-образный LC-фильтр;

V - Г-образный RC-фильтр.

Таблица 2

ЗАДАЧА 2. На основе операционного усилителя (ОУ) проектируется усилитель низкой частоты с заданным коэффициентом усиления напряжения. Тип ОУ, требуемый коэффициент усиления и минимальное входное напряжение U_{вх min} приведены в таблице 3. Сопротивление нагрузки значительно больше выходного сопротивления ОУ.

ЗАДАНИЕ.

1. Начертить заданную схему усилителя с цепью обратной связи и источниками питания. Указать входное и выходное напряжения.
2. Рассчитать сопротивления резисторов схемы для получения требуемого коэффициента усиления.
3. Определить максимальную амплитуду входного синусоидального сигнала, при которой не будет значительных искажений выходного сигнала.
4. Начертить амплитудную характеристику усилителя.

Таблица 3

ЗАДАЧА 3. На основе операционного усилителя проектируется сумматор для выполнения заданной операции. Тип ОУ, выполняемая операция и сопротивление резистора обратной связи приведены в таблице 4. Сопротивление нагрузки значительно больше выходного сопротивления ОУ.

ЗАДАНИЕ.

1. Начертить схему сумматора для реализации заданной операции с указанием источников питания, входного и выходного напряжений.

2. Рассчитать величину сопротивлений резисторов входных цепей.

Таблица 4

ТИПОВЫЕ РАСЧЕТЫ К ЗАДАЧАМ

ПРИМЕР 1. Схема выпрямителя с П-образным индуктивно-емкостным фильтром приведена на рис. 1. Номинальное напряжение нагрузки 100 В, номинальная мощность – 50 Вт, допустимый коэффициент пульсации 0,5%, напряжение сети переменного тока 220В при частоте 50 Гц.

Выбрать тип вентилей, определить расчетную мощность и коэффициент трансформации трансформатора, параметры фильтра.

РЕШЕНИЕ.

1. Выбор вентилей.

Ток нагрузки

                   Рис. 1

Для однофазного мостового выпрямителя среднее значение прямого тока через вентиль (Приложение 1)

Обратное максимальное напряжение на вентиле

Выбираем вентили КД105Б (Приложение 3), для которых

2. Определение параметров трансформатора.

Для однофазного мостового выпрямителя действующее значение вторичного напряжения

Откуда коэффициент трансформации

Расчетная мощность

Выбираем трансформатор

                                          U₁/U₂ = 220/110 B;

3. Определение параметров фильтра (Приложение 2).

Коэффициент пульсаций на выходе однофазного мостового выпрямителя

Требуемый коэффициент пульсаций

Коэффициент сглаживания фильтра

П-образный фильтр состоит из простого C-фильтра и Г-образного LC-фильтра. Его коэффициент сглаживания

Принимаем емкость конденсаторов фильтра C₁ = C₂ = 100 мкФ. Тогда

,

где m – число пульсаций выпрямленного напряжения за период (Приложение 1);

R_н – сопротивление нагрузки:

Тогда коэффициент сглаживания LC-фильтра

Для LC-фильтра

При C₂ = 100 мкФ

Параметры фильтра C₁ = C₂ = 100 мкФ, L_ф = 0,3 Гн удовлетворяют условиям эффективной работы (Приложение 2):

и .

Пример 2. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен 20. Усилитель на ОУ К140УД2Б, который имеет следующие основные параметры: напряжение источников питания E_п= ±6,3 В, разность входных токов ΔI_вх=0,2 мкА, коэффициент усиления K`<sub>u</sub>=3000, максимальное выходное напряжение U<sub>вых m</sub>= ±3 В, входное сопротивление R`_вх=0,3 МОм, выходное сопротивление R`_вых=1 кОм.

Рассчитать сопротивления резисторов схемы для получения заданного коэффициента усиления, определить входное и выходное сопротивления усилителя с обратной связью и максимальную амплитуду входного синусоидального сигнала, при которой не будет заметных искажений выходного сигнала. Сопротивлением нагрузки пренебречь.

Решение.

Схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис. 2.

Параметры ОУ приведены в Приложении 4.

1. Для инвертирующего усилителя на ОУ входное сопротивление R_вх=R₁. Чтобы не загружать источники сигнала, величину R₁ желательно иметь большой. Но падение напряжения на R₁ от разностного тока ΔI_вх воспринимается усилителем как сигнал. Чтобы отстроить эту помеху от полезного сигнала, надо иметь ΔI_вх·R₁ значительно меньше, чем U_{вх min}.

Принимаем R₁= 5 кОм, тогда ΔI_вх·R₁= 0,2·5= 1 мВ << U_{вх min}= 10 мВ.

Сопротивление обратной связи

R₂=K_u·R₁= 20·5= 100 кОм.

Для уравнивания входных токов ОУ по обоим входам в цепь неинвертирующего входа включают резистор R₃:

2. Входное сопротивление инвертирующего усилителя на ОУ с обратной связью

Выходное сопротивление

3. Амплитуда выходного сигнала не может быть больше максимального выходного напряжения (для данного типа ОУ – 3 В). Поэтому максимальная амплитуда входного синусоидального сигнала составит

Пример 3. Параллельный сумматор для реализации операций U_вых=10U₁+U₂-2U₃-5U₄ выполнен на ОУ К14ОУД8А, который имеет следующие основные параметры: напряжения источников питания E_п= ±15 B, максимальное выходное напряжение U_{вых m}=±10 В, коэффициент усиления K`_u= 50000. Сопротивление обратной связи равно 40 кОм. Определить сопротивления резисторов во входных цепях схемы и максимальную величину входного единичного напряжения U.

Решение.

Схема параллельного сумматора для реализации заданной функции приведена на рис. 3. Число неинвертирующих входов соответствует числу положительных, а число инвертирующих – числу отрицательных членов функции.

1. Выходное напряжение параллельного сумматора U_вых= K_iн·U_iн - K_iи·U_iи, где K_iн, U_iн, K_iи, U_iи – коэффициенты усиления (весовые коэффициенты) и входные напряжения по каждому из неинвертирующих и инвертирующих входов:

где R_oc – сопротивление обратной связи (резистор R₅), R_i – сопротивление в цепи данного входа. По заданному значению R₅ и весовым коэффициентам входов (K₁=10, K₂=1, K₃=2, K₄=5) определяем

Для нормальной работы сумматора надо уравнять сопротивления по обоим входам. В противном случае входные токи ОУ вызовут на них неодинаковое падение напряжений и на входе ОУ появиться разностный сигнал, который будет им усилен. На выходе будет U_вых при отсутствии U_вх. Входное сопротивление по инвертирующему входу

по неинвертирующему входу

Чтобы выровнять входные сопротивления параллельно инвертирующему входу, надо включить резистор R₆ так, чтобы

2. Выходное напряжение при выполнении данной операции U_вых=10U+U-2U-5U=4U. При максимальном выходном напряжении ОУ 10 В единичное входное напряжение (равное по всем входам)

3. При единичном входном напряжении 100 мВ U_вх1=U_вх2=U_вх3=U_вх4=100 мВ. Доля выходного напряжения за счет первого входа U_вых1=K₁U_вх1=10·100=1000 мВ. Для других входов U_вых2=K₂U_вх2=1·100=100 мВ, U_вых3=-K₃U_вх3= -2·100= -200 мВ, U_вых4=-K₄U_вх4 =-5· ·100= -500 мВ. Выходное напряжение сумматора

Литература

1. Бладыков Ю. В. Электроника: Метод. пособие к выполнению расчетно-графической работы по дисц. «Электроника», «Электротехника и электроника», «Электроника и микропроцессорная техника», «Электроника и информационно-измерительная техника» / Ю.В. Бладыко, Г.С.Климович, Л.С. Пекарчик. Под общ. ред. Ю.В. Бладыко. – Мн.: БНТУ, 2004. – 50 с.

Приложение 1

Основные параметры выпрямителей (при работе на активную нагрузку)

U_2ф – действующее значение напряжения вторичной обмотки (фазного для трехфазных схем);

U_d – расчетное среднее значение выпрямленного напряжения: U_d=N_вU_пр+U_н;

N_в – число последовательно включенных диодов;

U_пр – прямое падение напряжения на диоде;

U_н – среднее значение напряжения на нагрузке;

I_2ф – действующее значение тока вторичной обмотки (фазного);

I_d – расчетное среднее значение тока через нагрузку;

I_1ф – действующее значение тока первичной обмотки (фазного);

n=U_1ф/U_2ф – коэффициент трансформации;

S_т – расчетная мощность трансформатора;

P_d – расчетное значение мощности нагрузки: P_d= U_d·I_d;

U_в – максимальное обратное напряжение на диоде;

I_a – среднее значение тока диода;

q₁ – коэффициент пульсаций выходного напряжения (отношение амплитуды основной гармоники к U_d);

m – число пульсаций выходного напряжения за период (отношение частоты основной гармоники пульсаций к частоте сети)

Тип фильтра	Коэффициент сглаживания фильтра	Условия эффективной работы
1. Емкостный
2. Индуктивный
3. Г-образный LC-фильтр		;
4. П-образный LC-фильтр		Cф2=(1…2)Cф1,
5. Г-образный RC-фильтр

Приложение 2

Параметры сглаживающих фильтров

m – число пульсаций выпрямленного напряжения;

- угловая частота сети;

R_н – сопротивление нагрузки

Приложение 3

Предельные параметры некоторых выпрямительных диодов и столбов

Приложение 4

Некоторые параметры операционных усилителей серии 140