Расчет однофазных выпрямителей

2.1 Однополупериодный выпрямитель

Порядок расчета

Задано : U_H , I_H , K_П

Одолупериодный выпрямитель применяется при небольших токах нагрузки (до 50 мА) и невысоких требованиях к пульсациям (15…20%).

Рисунок 2.1 – Однополупериодный выпрямитель

1. U₂ принимается равным U_Н .

2. Диод должен иметь средний ток не меньше тока нагрузки, а допустимое обратное напряжение :

3. Ёмкость конденсатора должна быть не менее, чем

где I_H – токнагрузки в мА;

K_П – коэффициент пульсации в долях единицы (20%=0,2);

U_H – номинальное выпрямленное напряжение, В;

t – время разряда, мс (для однополупериодного выпрямителя оно составляет ~ 16 мс).

При выборе диода для надежной работы схемы берут запас

.

При выборе конденсатора принимают (выбирают из ряда),

а допустимый коэффициент пульсации конденсатора должен быть больше заданного.

4. Сечение провода вторичной обмотки трансформатора должно быть не менее

.

Пример расчёта

Дано: I=50mA, U=30B, K_п=15%.

1. Принимаем U₂=U_н=30В.

2. Допустимое обратное напряжение диода

U_д.обр>2U_н*1,1*1,4=3 U_н=90В.

3. Емкость конденсатора

при выборе диода для надежной работы схемы берут запас:

Выбираем КД102А с параметрами (приложение Е):

I_пр.ср = 0,1 А;

U_обр.ср = 250 В;

при выборе конденсатора принимаем

Выбираем К50-20, 100 мкФ, 100 В (приложение Д.1).

4. Сечение провода вторичной обмотки

Выбираем с запасом d = 0,2 мм.

2.2 Схема удвоения

Схему удвоения применяют при небольших токах нагрузки и недостаточном напряжении трансформатора или отсутствии конденсаторов на необходимое напряжение.

Порядок расчета

Задано:U_вых , I_н , К_п .

Схема выпрямителя в этом случае имеет вид :

Рисунок 2.2 – Схема удвоения напряжения.

1. Определяем С_ф,для двухполупериодного выпрямителя

;

где : U_вых , I_н , К_п – заданы, а t_р принимаем от 4 до 6мс.

2. Выбираем . .

3. Выбираем диоды U_обр >1,5U_вых , I_пр.доп >I_н.

4. ; (i₂ – допустимый ток вторичной обмотки трансформатора).

Пример расчета

Задано:U_вых = 30В , I_н = 0,2А , К_п = 5% .

1. ;

2.

Выбираем С1=С2=1000мкФ;

К50-6, 1000 мкФ, 25В (приложение Д.1);

3. U_обр >1,5U_вых = 1,5 ·3 = 4,5В

I_пр.доп >I_н = 0,2А

Выбираем КД 109А: I_п = 0,3А, U_обр = 100В (приложение Е.1)

4.

dпровода = 0,38 мм

2.3 Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом

Порядок расчета

Задано:U_вых , I_н , К_п .

Схема выпрямителя представлена на рис.2.3

Рисунок 2.3 – Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

1. Определяем С₁ и выбираем из справочника

,

где I_н , К_п ,U_вых – заданы, t_р = (4-6)мс.

2. Выбираем диоды по следующим требованиям:

; U_обр >3 U_вых.

3. Определяем требования к трансформатору

.

где π = 3,14, – допустимая плотность тока для медных обмоточных проводов.

Пример расчета

Задано:U_вых = 15В , I_н = 5А , К_п = 5% .

1.

2шт К – 50 – 18 – 10000 ·50В (приложениеД.1)

2. Выбор диодов

U_обр >3 U_вых =3 ·15=45В

КД 202А: I = 5А, U_обр = 50В (приложение Е.1)

3.

2.4 Мостовой выпрямитель

Порядок расчета

Рисунок 2.4 - Схема мостового выпрямителя

Задано : U_d , I_max ,K_П.

1. Выбираем схему, представленную на рисунке 2.4

2. Определяем ёмкость конденсатора

;

где – максимальный ток разряда;

– время разряда (принимается от 4 до 6мс);

U_d и K_П – задаются.

3. Определяются требования к конденсатору по напряжению. Полагая, U₂≈ U_d, находим максимально возможное напряжение на конденсаторе.

где коэффициент 1,4 учитывает возможный заряд конденсатора до амплитудногозначения ( в отсутствие нагрузки), а коэффициент 1,1 – возможное отклонение напряжения сети от номинала.

4. Выбираем конденсатор

, , .

5. Выбираем диоды

; ;

6. Определяем требования к трансформатору :

диаметр провода .

Пример расчёта:

Задано: U_d=25В, I_max=0,2A, К_п=5%.

1. Выбираем схему, представленную на рисунке 2.4

2. Определяем ёмкость конденсатора

;

где – максимальный ток разряда;

– время разряда (принимается от 4 до 6мс);

U_d и K_П – задаются.

3. Определяются требования к конденсатору по напряжению. Полагая, U₂≈ U_d, находим максимально возможное напряжение на конденсаторе.

где коэффициент 1,4 учитывает возможный заряд конденсатора до амплитудногозначения (в отсутствие нагрузки), а коэффициент 1,1 – возможное отклонение напряжения сети от номинала.

4. Выбираем конденсатор

, , .

К50-20-470х50В (приложение Д.1)

5. Выбираем диоды

; ;

КД208А, с параметрами (приложение Е.1):

I_{пр ср}=1,5А,

U_{обр max}=100В.

6. Определяем требования к трансформатору :

диаметр провода .

Выбираем d = 0,38 мм

2.5 Бестрансформаторный выпрямитель

Порядок расчёта

Задано:U_н, I_н или R_н, а также k_п.

Внимание:выпрямитель такого типа нельзя включать без нагрузки, т.к. в этом случае напряжение на конденсаторе С₂ будет стремиться к 600В.

1. Бестрансформаторный выпрямитель, показанный на рис.2.5, надо обязательно подключать к сети только так, как показано на рисунке (в противном случае на общей шине может оказаться смертельно опасное напряжение).

Рисунок 2.5 - Схема бестрансформаторного выпрямителя (по схеме удвоения)

2. Величина С₁ определяется по току нагрузки:

;

Этот конденсатор перезаряжается в каждом периоде на от -300 до +300В, поэтому он должен быть рассчитан, как минимум, на 400В.

3. Для того, чтобы после выключения из сети на конденсаторе С₁ не осталось высокого напряжения, он шунтируется резистором R₁, величина которого должна обеспечивать постоянную времени разряда цепочки С₁R₁ порядка 1 сек.

4. Диоды VD₁ и VD₂ работают при обратном напряжении, примерно равном U_н и среднем токе, равном I_н.

Выбирать нужно диоды, у которых U_обр=(1,5…2)U_н и I_пр=(1,5…2)I_н.

5. Конденсатор С₂ должен иметь постоянную емкость, равную

;

и номинальное напряжение .

Схема хорошо работает с параметрическим стабилизатором, имеющим постоянное входное сопротивление.

Пример расчета

Задание:Рассчитать бестрансформаторный выпрямитель, который должен обеспечивать ток нагрузки 10мА на нагрузке 500Ом (нагрузка постоянна). К_п ≤ 5%.

1. Принимаем схему, оказанную на рис.1.

2. Определяем емкость С₁ :

.

Учитывая, что номинальное напряжение С₁ должно быть не менее 400В, выбираем конденсатор К73 – 11, 0,33мкФ ± 5%, 400В. (приложение Д.2)

3. Для разряда конденсатора С₁ включаем параллельно ему резистор МЛТ-0,25, 1МОм (приложение Г).

4. Поскольку номинальное напряжение на нагрузке составляет

, и в средний ток -10мА, выбираем диоды Д106А : i_пр.ср = 30мА; U_обр.max = 30B; i_обр.max = 5мкА. (приложение Е.1)

5. Определяем емкость С₂ :

.

Выбираем конденсатор К50-6, рабочее напряжение 16В, емкость 220мкФ, допустимый коэффициент пульсации 25%. (приложение Д.1)

3. РАСЧЁТ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

3.1 Источник питания на параметрическом стабилизаторе с транзисторным усилителем

Параметрические стабилизаторы применяют при небольших (менее 100мА) токах нагрузки. При токах нагрузки более 100мА, как правило, применяют транзисторные повторители.

При токах 100…300мА достаточно простого повторителя, при больших (до 1А) удобно использовать схему Шиклаи, т.к. ее выходное сопротивление меньше, чем у схемы Дарлингтона. Кроме того, в эту схему легко вводится защита по току, не увеличивая выходного сопротивления.

Если схема Шиклаи не дает требуемого усиления тока, то выходной транзистор можно заменить схемой Дарлингтона.

Ниже приведен порядок расчета источника питания с последовательным стабилизатором на схеме Шиклаи. Другие последовательные стабилизаторы с эмиттерным повторителем рассчитываются аналогично.

Порядок расчёта

Задано:U_вых, I_н.max

1. Выбрать схему (приведена ниже)

Рисунок 3.1 – Схема источника питания на параметрическом стабилизаторе с транзисторным усилителем

2. Для выбора VT1 и VT2 задать U_d (желательно с запасом) U_d= 2,5U_вых.

3. Выбрать VT1 (по I_нагр и U_d) и максимальным усилением тока (h_21Э).

4. Определить R₁ и I_KO транзистора VT1.

; – (0,1В – напряжение на переходе эмиттер-база закрытого транзистора).

5. Определить

,

где – (0,6В – напряжение на переходе эмиттер-база открытого транзистора).

6. Выбрать VT2 по U_d и I_k .

7. Определить

.

Этот ток является максимальным током нагрузки параметрического стабилизатора i_{н max}.

8. Определить требования к параметрическому стабилизатору и выбрать КС. Выписать .

9. Определить R₂ и U_{d расч} , решив систему уравнений:

, где КП = 0,05…0,15

10. Выбрать .

11. Уточнить значение R₂. Выбрать по справочнику.

12. Определить С₁:

Выбрать величину и тип по справочнику.

13. Определить требования к диодам и выбрать по справочнику

, .

14. Задать требования к трансформатору .

15. При необходимости ввести защиту (R_огр включается в коллекторную цепь транзистора VT1, коллектор защитного транзистора соединяется с базой транзистора VT2).

16. Оценить нестабильность

.

Пример расчёта

Задано: , .

1. Выбираем схему (рис. 3.1)

2. Для выбора VT1, VT2 задаемся

3. Выбираем VT1 (по I_нагр и U_d) (приложение В.2):

pnp транзистор КТ818Б с такими параметрами:

Р_к=60Вт;

U_кэ=50В;

h_21э=20;

I_кб0=1мА;

I_kmax=10A.

4.Определим R1 по I_ko транзистора VT1:

5.Определяем:

6. Требования к VT2:

U_кэ>25B; i_kдоп>0,106А;

Выбираем транзистор КТ815А с параметрами (приложение В.2):

Р_к=10Вт;

U_кэ=40В;

h_21э=40…70;

I_кб0=50мкА;

I_kmax=1,5A.

7. Определяем

8. Выбираем стабилитрон Д814Г с такими параметрами

9. Определим R2 и U_{d расч}, решив систему уравнений:

10. Выбираем

11. Уточняем значение R2: R2 = 330Ом. Выбираем

12. Определяем С1:

Выбираем конденсатор К50-6 с параметрами (приложение Е.1):

С=2200мкФ;

U_доп= 50В.

13. Определяем требования к диодам:

Выбираем КД208А с параметрами (приложение Е.1):

14. Задаем требования к трансформатору:

3.2 Расчёт источника питания со стабилизатором на ИМС.

Порядок расчета

Задано:U_вых , I_вых , нестабильность или R_вых и K_ст.

Требуется:выбрать ИМС, определить U_вх(U_d), выбрать тип выпрямителя, диоды, конденсаторы.

1. Выбираем ИМС по заданным параметрам. Если все параметры соответствуют заданию, то можно переходить к расчету выпрямителя.

2. Выписываем из справочника параметры ИМС: U_вых, I_н, U_{вх max} и (U_вх-U_вых)_min и схему включения.

3. Выбираем тип выпрямителя. При низких значениях U_d выгоднее брать двухполуперидный со средней точкой (меньше потери на диодах), а при высоких значениях U_d – мостовой (меньше обратное напряжение на диодах). Составляем схему.

Рисунок. 3.2 - Схема источника питания со стабилизатором на ИМС

4. Определяем U _{вх min}=U _{вых max}+(U_вх – U_вых)_min.

5. Задаемся К_п выпрямителя. Как правило, 0,05≤ К_п ≤ 0,1.

6. Находим ; округляем вверх до ближайшего значения из ряда.

7. Сравниваем с ИМС. Если , то условие выполнено.

8. Находим ,

где і – максимальный ток нагрузки;

t_p – время разряда конденсатора. Для двухполуперидного выпрямителя принимаем t_p от 4 до 6 мс.

(К_п – получено в пункте 5, - в пункте 6).

9. Определяем U₂=U_d.

10. Определяем требования к диодам и выбираем из справочника ; .

11. Определяем диаметр провода вторичной обмотки трансформатора

,

где ;

j_доп – допустимая плотность тока. Для медных проводов j_доп=2 .

Расчет трансформатора здесь не приводится.

Пример расчета

Задание: рассчитать источник питания на ИMC : ; ; остальные параметры определяются из справочника по ИMC.

1. Выбираем ИMC К142ЕН5А (приложение Б);

2. Выписываем параметры: ; ; ; ; ; ; ; и схему включения

Рис.3.3 – Схема включения UMC стабилизатора

3. Выбираем тип выпрямителя и составляем схему источника питания (рис3.2)

4. Определяем ;

5. Задаемся коэффициентом пульсации ;

6. Находим ;

Принимаем .

7. Сравниваем с ИMC, 11В < 15В. Условие выполнено;

8. Находим ёмкость фильтра (принимаем )

.

Выбираем К 50 – 12 – 5000мкФ – 25В (приложение Д.1).

9. Определяем ;

10. Определяем требования к диодам:

.

.

Выбираем из справочника КД 208А (приложение Е.1)

;

11. Определяем диаметр провода вторичной обмотки трансформатора

ЛИТЕРАТУРА

1. Электропитание устройств связи. Учебник для вузов/ А.А.Бокуняев, В.М.Бушуев, А.С.Жерненко и др. Под ред. Ю.Д.Козляева – М., РиС, 1998 –328 с.

2. Костюков В.Г. и др. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование. Учебник для вузов. М., РиС, 1998 – 344 с.

3. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций – 3-е изд. – С.Пб.: Учитель и ученик: Корона принт. 2003 – 416 с.

4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов – М.:В.Ш., 1982 – 496 с.

5. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/ К.М.Брежнева, Е.И.Гонтман, Т.Н.Давыдова и др. Под ред. Б.Л.Перельмана – М.:Радио и Связь, 1981 –656 с.

6. В помощь радиолюбителю: сборники. Вып. 109, 110, 111 (Сост. И.Н.Алексеева – М.: Патриот, 1991)

7. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах, изд.2-е-Л. Энергоатомиздат. 1988 – 304 с.

Интегральные стабилизаторы напряжения (линейные)

ПРИЛОЖЕНИЕ В. ТРАНЗИСТОРЫ [6]

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции, и экстракции не основных носителей зарядов работа биполярного транзистора зависит от носителей полярностей.

Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, и управляемый электрическим полем. Действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности.

Основные параметры транзисторов приведены ниже. Буквенные обозначения параметров даны в соответствии с ГОСТ 20003-74 «Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров».

1. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ

I_kmax (I _k, u max) – максимально допустимый постоянный (импульсный) ток коллектора;

P_kmax (P _k, u max) – максимально допустимая постоянная (импульсная) рассеиваемая мощность коллектора;

P_max – максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора;

U_КЭ – постоянное напряжение коллектор – эмиттер;

U_КЭR – постоянное напряжение коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база – эмиттер;

U_{КЭR гр} – граничное напряжение биполярного транзистора;

U_{КБ max} - максимально допустимое постоянное напряжение коллектор – база;

U_{ЭБ max} - максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер – база;

U_{СИ max} – максимально допустимое напряжение сток – исток;

U_{ЗИ max} – максимально допустимое напряжение затвор – исток;

U_{ЗС max} – максимально допустимое напряжение затвор- сток;

I_{C max} – максимально допустимый постоянный ток стока.

2. СТАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ

I_КБ0 - постоянный обратный ток коллектора;

I_КЭР – постоянный обратный ток коллектор – эмиттер при определенном сопротивлении в цепи база – эмиттер;

I_ЭБ0 – постоянный обратный ток эмиттера;

I_{З уm} - постоянный ток утечки затвора;

I_{C нач} – постоянный начальный ток стока;

U_{КЭ нас} – напряжение насыщения коллектор – эмиттер;

U_{БЭ нас} – напряжение насыщения база – эмиттер;

U_{ЗИ отс} - напряжение отсечки полевого транзистора;

h_{21 Э} – статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером: отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы.

3. ПАРАМЕТРЫ В РЕЖИМЕ МАЛОГО СИГНАЛА

h_{21 Э} - коэффициент передачи тока биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером;

h_{11 Э} входное сопротивление биполярного транзистора в режиме малого сигнала в схеме с общим эмиттером;

h_{22 Э} - полная выходная проводимость биполярного транзистора в режиме малого сигнала при холостом ходе в схеме с общим эмиттером;

S – крутизна характеристики полевого транзистора: отношение тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком;

C_K – емкость коллекторного перехода. При увеличении обратного напряжения емкость уменьшается;

C_Э – емкость эмиттерного перехода. При увеличении обратного смещения на эмиттере емкость уменьшается;

C_11u – емкость полевого транзистора: емкость между затворами соединенными вместе истоком и стоком;

C_12u – емкость полевого транзистора: емкость между стоком и затвором;

C_22u – выходная емкость полевого транзистора.

4. ЧАСТОТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

f₂₁ – предельная частота коэффициента передачи тока биполярного транзистора: частота, на которой модуль коэффициента передачи тока | h_{21 Э} | уменьшается на 3 дБ, т.е. до 0,7;

f_гр – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером: частота, на которой | h_{21 Э} | транзистора, включенного в схеме с общим эмиттером, равен единице;

К_ш – коэффициент шума биполярного (полевого) транзистора;

К_ур – коэффициент усиления по мощности биполярного (полевого) транзистора;

Е_ш – электродвижущая сила шума полевого транзистора;

Р_вых – выходная мощность биполярного (полевого) транзистора.

Параметры транзисторов в табл. 1…8 приведены при нормальной температуре окружающей среды (25ºС).