Курсовая работа - расчете однофазного двухполупериодного выпрямителя, определение типа транзистора - файл n1.docx

Курсовая работа - расчете однофазного двухполупериодного выпрямителя, определение типа транзистора
скачать (276.1 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx277kb.31.05.2012 19:47скачать

n1.docx

ОГЛАВЛЕНИЕ
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ 3

1 РАСЧЕТ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО

ВЫПРЯМИТЕЛЯ 5

1.1 Основные характеристики выпрямителей 5

1.2 Выбор вентиля 8

1.3 Построение временных диаграмм и схемы выпрямления 11

2 РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ 14

2.1 Транзисторы и их классификация 14

2.2 Выбор транзистора 16

2.3 Построение нагрузочной линии 16

2.4 Определение сопротивлений Rк и Rэ 19

2.5 Определение параметров входной цепи усилителя 19

2.6 Определение емкостей конденсаторов Ср и СЭ 23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 29
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ
1. Первая часть данной курсовой работы заключается в расчете однофазного двухполупериодного выпрямителя с полупроводниковыми диодами, включенными по мостовой схеме. Сглаживающий фильтр – емкостной. Задано: напряжение сети U1 , частота тока сети f, выпрямленное напряжение Uн , ток нагрузки Iн, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения p, тип вентиля – кремниевые диффузионные диоды типа КЦ-402А – КЦ-402И.

Определить: тип вентиля, токи, напряжения в обмотках трансформатора, типовую мощность трансформатора, емкость конденсатора фильтра. Изобразить принципиальную схему выпрямителя с обозначением заданных и рассчитанных электрических величин. Построить в масштабе временные диаграммы напряжений U1 = f(t); U2 = f(t); Uн = f(t). Данные для расчетов приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Данные для расчета вентиля

Напряжение сети U1, В

Выпрямленное напряжение Uн, В

Ток нагрузки Iн, мА

Коэффициент пульсации Р, %

Частота тока сети f, Гц

380

200

250

5

100


Тип вентиля определим по таблице 2.
Таблица 2 - Паспортные данные транзисторного усилителя напряжения низкой частоты

Uвых.м. , B

Rн, Oм

fн, Гц

Mн

Eк

2,5

570

110

1,23

25


2. Во второй части курсовой, для транзисторного усилителя низкой частоты с реостатно-емкостной связью, паспортные данные которого приведены в таблице 2, необходимо определить тип транзистора, режим работы транзистора для схемы с общим эмиттером, выполнить расчет сопротивлений Rк и Rэ, определить наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока Iвх.м и напряжения Uвх.м, выполнить расчет сопротивлений делителя в цепи базы транзистора R1 и R2, определить коэффициент нестабильности работы каскада S, рассчитать емкости разделительного конденсатора Ср и конденсатора в цепи эмиттера Сэ, определить коэффициент усиления каскада по напряжению.

Вычертить схему усилительного каскада с общим эмиттером для данного транзистора. Используя справочник по полупроводниковым приборам вычертить входную и выходную статические характеристики выбранного транзистора. По семействам входных и выходных характеристик построить кривые входного тока и выходного напряжения. На семействе выходных характеристик для схемы усилителя с общим эмиттером построить нагрузочную (динамическую) характеристику.
1 РАСЧЕТ ОДНОФАЗНОГО ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО

ВЫПРЯМИТЕЛЯ
1.1 Основные характеристики выпрямителей
Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

- Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой.

- Выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее.

- Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков: по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др. По типу выпрямительного элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др. По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого. По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основными характеристиками выпрямителей являются:

Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем. Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

- Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

- Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

- Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

- Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k . Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

- Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто - двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Герца”), и схема удвоения(умножения) напряжения(схема Латура). Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова. Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей. Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

- Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

- Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

- Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

Основная особенность мостовой схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения. По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах. К недостаткам относят увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них. Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах.
1.2 Выбор вентиля
Для выбора вентиля зададимся числовыми значениями параметров: В = 1, Д = 2, Г = 6…7. При дальнейших расчетах примем Г=6. Далее, определим данные вентиля.

Среднее значение тока вентиля:
Iпр.ср. = 0,5·Iн = 0,5·250 = 125, мА,
где Iн – ток нагрузки, А. Найдем действующее значение тока вентиля:
Iв = 0,5·Д·Iн = 0,5·2·250 = 250, мА.
Амплитудное значение тока вентиля:
Iпр.макс.= 0,5·Г·Iн = 0,5·6·250 = 750, мА.
Обратное напряжение на вентиле:
Uобр.= 1,41·В·Uн = 1,41·1·200 = 282, В.
По полученным при расчетах параметрам вентиля Uобр. и Iпр.ср. определяем тип вентиля по таблице 2 и электрические параметры выбранного вентиля. В данном случае вентиль типа КЦ 402-Г, для которого наибольшая амплитуда обратного напряжения Uобр.=300, В; максимально допустимый средний выпрямленный ток Iпр.ср.маx.=1, А; падение напряжения в прямом направлении Uпр.= 4, В.

Определим приближенные значения активного сопротивления обмоток трансформатора Rтр., Ом:
Ом,
где Uн – выпрямленное напряжение, В; S – число стержней, несущих обмотки (S = 1 для броневой конфигурации магнитопровода); В – магнитная индукция в сердечнике магнитопровода, Тл. Для трансформаторов мощностью до 1000 ВА kR = 3,5.103 для мостовой однофазной схемы.

Определим сопротивление фазы выпрямителя:
R = Rтр +Rпр = 56+4 = 60, Ом,
где Rпр – суммарное прямое сопротивление всех последовательно включенных вентилей, рассчитываемое по формуле:
Ом.
По заданным значениям Uн, и Iн, а также по определенному значению R, определим параметр А:

где m – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя Он показывает, во сколько раз частота основной гармоники выпрямленного напряжения больше частоты тока сети. Для мостовой схемы значение коэффициента m принимаем равным 2.

По значению А, пользуясь графиками на рисунке 1.1, определим значения параметров В, Д, Н. В данном случае примем величины данных параметров равными 0,85; 2,45 и 180 соответственно.

По величинам В и Д для мостовой схемы выпрямления определим параметры трансформатора, действующее значение напряжения вторичной обмотки которого:
U2 = B.Uн = 0,85.200 = 170, В.
Действующее значение тока первичной обмотки:
I1 = , А,
где kтр = – коэффициент трансформации.
Действующее значение тока вторичной обмотки:
I2 = 0,707·Д·Iн = 0,707·2·250· = 0,35, А.
Типовая мощность трансформатора:
Ртип = 0,707·В·Д·Iн ·Uн = 0,707·1·2·200·250 = 70,7, Вт.
Уточним параметры вентиля:
Iв = 0,5·Д·Iн = 0,5·2,45·250· = 0,3, А;
Uобр. = 1,41·В·Uн = 1,41·0,85·200 = 239,7, В.
Пересчитав параметры Iв и Uобр. с уточненными величинами В и Д видим, что вентиль КЦ 402 – Г выбран верно. Определим емкость конденсатора С:
, мкФ.

1.3 Построение временных диаграмм и схемы выпрямления
Принципиальная схема рассчитанного выпрямителя с обозначением заданных и рассчитанных электрических величин представлена на рисунке 1.1.

Совмещенная временная диаграмма зависимостей U1(t), U2(t) и Uн(t) приведена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.1 - Принципиальная схема выпрямителя


Рисунок 1.2 - Совмещенная временная диаграмма зависимостей U1(t), U2(t) и UH(t)
2 РАСЧЕТ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ
2.1 Транзисторы и их классификация
Транзистор - электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Вся современная цифровая техника построена, в основном, на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах, как более экономичных, по сравнению с БТ, элементах. Иногда их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторы. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1- 2 смІ) размещаются несколько миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Уменьшение размеров МОПТ приводит также к повышению быстродействия процессоров, снижению энергопотребления и тепловыделения.

Классификация:

- По основному полупроводниковому материалу. Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металл выводов, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «Металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы: германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые. Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры.

- По структуре. Биполярные - n-p-n структуры, «обратной проводимости», p-n-p структуры, «прямой проводимости». Полевые - с p-n переходом, с изолированным затвором, однопереходные, криогенные транзисторы.

- По рассеиваемой в виде тепла мощности различают: маломощные транзисторы до 100 мВт, транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт, мощные транзисторы (больше 1 Вт).

- По исполнению: дискретные транзисторы, корпусные, для свободного монтажа, для установки на радиатор, для автоматизированных систем пайки, бескорпусные, транзисторы в составе интегральных схем.

- По материалу и конструкции корпуса: металлостеклянный, пластмассовый, керамический.

2.2 Выбор транзистора
Для выполнения расчета предварительно введем дополнительные условия, а именно: считаем, что каскад работает в стационарных условиях при температуре Т = -60..+70 0С. При расчете влиянием температуры на режим транзистора пренебрегаем.

Для выбора типа транзистора определим следующие величины. Напряжение между коллектором и эмиттером(наибольшее допустимое):
, В.
Наибольший допустимый ток коллектора:
, А,
где Iнм – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки при заданной нагрузке Rн и заданном максимальном напряжении на нагрузке.

По рассчитанным выше значениям UКЭдоп и IКдоп выбираем транзистор МП115, для которого UКЭ доп.=30 В; IК доп.=10 мА; ?мин=9.


2.3 Построение нагрузочной линии
Нагрузочная прямая строиться в семействе статических выходных характеристик выбранного транзистора. В нашем случае для транзистора МТ115. Для построения нагрузочной линии необходимо и достаточно знать две точки. Одна – точка покоя, координатами которой являются ток покоя и напряжение покоя:
Iко = 1,1·Iнм=1,1·= = 8,7, мА;
Uкэо = Uвых.м + Uост .= 1,7 + 1 = 2,7, В,
где Uост. – наименьшее допустимое напряжение Uкэ, так как оно определяется в интервале 0,5...1,0 В, в нашем случае Uост.= 1 В, Uвых.м – величина выходного напряжения, задаваемая исходными данными.

Вторая точка – при нулевом токе коллектора Uкэ= Еп. = 15 В. По полученным величинам строится нагрузочная линия, она приведена на рисунке 2.1.























Рисунок 2.1 – статические выходные характеристики транзистора МТ115.
2.4 Определение сопротивлений Rк и Rэ
По статическим выходным характеристикам и нагрузочной линии находим I = 11, мА. Определяем общее сопротивление:
, Ом;
, Ом.
Рассчитаем значение RЭ:
RЭ = Rоб + Rк = 1363,6 – 1185,6 = 178, Ом.

2.5 Определение параметров входной цепи усилителя
Определим наибольшие амплитудные значения входного тока и напряжения, необходимые для заданного значения Uвых.м.. По паспортным данным транзистора берем наименьшее значение коэффициента усиления по току для схемы с общим эмиттером ?мин. Минимальное значение тока базы:
. (2.1)
Подставим значения в формулу(2.1), получим:
мкА.

где IКмин – минимальное значение тока коллектора. Данная величина получена из рисунка 2.1.

Затем, зная минимальное значение тока базы, найдем амплитудное значение тока:
, (2.2)
где IКМ – максимальное значение тока коллектора. Данная величина получена из рисунка 2.1. В нашем случае IКМ = 11,3·10-3, А. Подставим найденные значения в формулу (2.2), получим:
.
Величина входной амплитуды тока Iвх.м должна быть равна амплитуде тока базы, но не превышать значение, равного 0,5∙(IБМ - IБмин):
Iвх.м = 0,5∙(1256 – 600) = 328, мА.
По входной статической характеристике для схемы с общим эмиттером, приведенной на рисунке 2.2, определим значение входного напряжения Uвх.м для заданного значения UКЭ0=2,7 В, получим:
UБЭМ. = 0,89, В;
UБЭмин = 0,75, В.


2Uвх.м= UБЭМ - UБЭмин.= 0,89 – 0,75 = 0,14, В.
Зная входное значение напряжения и ток базы, найдем полное сопротивление каскада по переменному току:
. (2.3)
Подставим исходные данные в (2.9)
Ом.
Сопротивление делителя:
. (2.4)
Сопротивление по (2.4) равно:
Ом.

Рассчитаем сопротивления R1 и R2:
; (2.5)
. (2.6)
Подставив значения в (2.5) и (2.6), получим:
Ом;
Ом.

2.6 Определение емкостей конденсаторов Ср и СЭ
Емкость конденсатора межкаскадной связи Ср определяют из допустимых частотных искажений Мн = 1,25, вносимых на низшей частое fн = 200 Гц. Пользуясь определением частотных искажений в области низших частот, запишем:

где ?н = 2·?·fн; ?н ? Ср·Rвых.

Отсюда следует, что:
; (2.7)

;
;

Рассчитаем емкость конденсатора межкаскадной связи по (2.7):
.
Сопротивление емкости конденсатора СЭ должно быть больше сопротивления резистора RЭ (на низких частотах), поэтому:
. (2.84)
Найдем СЭ , подставив значения в (2.8):

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен:
. (2.9)
Вычислим коэффициент усиления каскада по формуле (2.9):


Коэффициент нестабильности:
. (2.10)
Вычислим коэффициент нестабильности по (2.10):

S = 8,75 < 10, следовательно, работа рассчитанного каскада достаточно стабильна. Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке 2.3.


Рисунок 2.3 - Схема усилительного каскада

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе были определены: тип вентиля (КЦ402 – Г), токи (I1 = 0,19, А; I2 = 0,35, А), напряжения на обмотках трансформатора(U2 = 170, В), емкость конденсатора-фильтра (С = 60 мкФ); изображены принципиальные схемы выпрямителя, построены в масштабе временные диаграммы напряжений. Выполнен расчет однофазного двухполупериодного выпрямителя с полупроводниковыми диодами, включенными по мостовой схеме с емкостным сглаживающим фильтром, а также расчет транзисторного усилителя напряжения низкой частоты с реостатно-емкостной связью. Построены входные и выходные ВАХ выбранного транзистора для усилителя напряжения низкой частоты (МП 115), для которого также произведен расчет параметров(IК0 = 8,7, мА; IБМ = 1256, мкА; IБмин = 600, мкА; UКЭ0 = , В ; Rэ = 178, Ом ; CP = 1,36 ; мкФ; КU = 12,1). Начерчена схема усилительного каскада на транзисторе p-n-p типа с реостатно-емкостной связью.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


1. Шляпников, В. В. Методические указания к расчетно-графическим заданиям № 1 и 2 по теме «Электроника» [Текст]/В. В. Шляпников, Г.Я. Дорохина, Ю.П. Никифоров. – Липецк: ЛГТУ, 1991. – 22 с.

2. Китаев, Г. А. Электрические машины. Электроника. Учебное пособие по курсу «Электротехника и электроника» для студентов очно-заочной формы обучения инженерно-технических специальностей [Текст]/ Г.А. Китаев, В.И. Бойчевский, В.П. Торопцев, А.В. Плотников. – Липецк: ЛГТУ, 2001. – 86 с.

3. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам [Текст] / Горюнова Н.Н. – М.: Энергия, 1972 – 568 с.



Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации