Курсовая работа - расчете однофазного двухполупериодного выпрямителя, определение типа транзистора - файл n1.docx
Курсовая работа - расчете однофазного двухполупериодного выпрямителя, определение типа транзистораскачать (276.1 kb.)
Доступные файлы (1):
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 U
1 , частота тока сети f, выпрямленное напряжение U
н , ток нагрузки I
н, 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 U
1 = f(t); U
2 = f(t); U
н = 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 ,В |
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 R
к и R
э, определить наибольшие амплитудные значения входного сигнала тока I
вх.м и напряжения U
вх.м, выполнить расчет сопротивлений делителя в цепи базы транзистора R
1 и R
2, определить коэффициент нестабильности работы каскада S, рассчитать емкости разделительного конденсатора С
р и конденсатора в цепи эмиттера С
э, 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 U
0 и напряжение после фильтра. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.
Номинальный выпрямленный ток I
0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем. Напряжение сети U
сети – 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 (p
0 %) 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: U
0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I
0 – среднее значение выпрямленного тока, p
0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.
- Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): U
обр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), I
макс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.
- Определяющие выбор трансформатора: U
2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I
2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, P
тр – 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:
I
пр.ср. = 0,5·I
н = 0,5·250 = 125, мА,
где I
н – ток нагрузки, А. Найдем действующее значение тока вентиля:
I
в = 0,5·Д·I
н = 0,5·2·250 = 250, мА.
Амплитудное значение тока вентиля:
I
пр.макс.= 0,5·Г·I
н = 0,5·6·250 = 750, мА.
Обратное напряжение на вентиле:
U
обр.= 1,41·В·U
н = 1,41·1·200 = 282, В.
По полученным при расчетах параметрам вентиля U
обр. и I
пр.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 U
обр.=300, В; максимально допустимый средний выпрямленный ток I
пр.ср.маx.=1, А; падение напряжения в прямом направлении U
пр.= 4, В.
Определим приближенные значения активного сопротивления обмоток трансформатора R
тр., Ом:

Ом,
где U
н – 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 k
R = 3,5
.10
3 для мостовой однофазной схемы.
Определим сопротивление фазы выпрямителя:
R = R
тр +R
пр = 56+4 = 60, Ом,
где R
пр – суммарное прямое сопротивление всех последовательно включенных вентилей, рассчитываемое по формуле:
Ом.
По заданным значениям U
н, и I
н, 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:
U
2 = B
.U
н = 0,85
.200 = 170, В.
Действующее значение тока первичной обмотки:
I
1 =

, А,
где k
тр =

– коэффициент трансформации.
Действующее значение тока вторичной обмотки:
I
2 = 0,707·Д·I
н = 0,707·2·250· = 0,35, А.
Типовая мощность трансформатора:
Р
тип = 0,707·В·Д·I
н ·U
н = 0,707·1·2·200·250 = 70,7, Вт.
Уточним параметры вентиля:
I
в = 0,5·Д·I
н = 0,5·2,45·250· = 0,3, А;
U
обр. = 1,41·В·U
н = 1,41·0,85·200 = 239,7, В.
Пересчитав параметры I
в и U
обр. 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 U
1(t), U
2(t) и U
н(t) приведена на рисунке 1.2.

















Рисунок 1.1 - Принципиальная схема выпрямителя
Рисунок 1.2 - Совмещенная временная диаграмма зависимостей U
1(t), U
2(t) и U
H(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 I
нм – наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки при заданной нагрузке R
н и заданном максимальном напряжении на нагрузке.
По рассчитанным выше значениям U
КЭдоп и I
Кдоп выбираем транзистор МП115, для которого U
КЭ доп.=30 В; I
К 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:
I
ко = 1,1·I
нм=1,1·

=

= 8,7, мА;
U
кэо = U
вых.м + U
ост .= 1,7 + 1 = 2,7, В,
где U
ост. – наименьшее допустимое напряжение U
кэ, так как оно определяется в интервале 0,5...1,0 В, в нашем случае U
ост.= 1 В, U
вых.м – величина выходного напряжения, задаваемая исходными данными.
Вторая точка – при нулевом токе коллектора U
кэ= Е
п. = 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 R
к и R
э По статическим выходным характеристикам и нагрузочной линии находим I = 11, мА. Определяем общее сопротивление:

, Ом;

, Ом.
Рассчитаем значение R
Э:
R
Э = R
об + R
к = 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 U
вых.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 I
Кмин – минимальное значение тока коллектора. Данная величина получена из рисунка 2.1.
Затем, зная минимальное значение тока базы, найдем амплитудное значение тока:

, (2.2)
где I
КМ – максимальное значение тока коллектора. Данная величина получена из рисунка 2.1. В нашем случае I
КМ = 11,3·10
-3, А. Подставим найденные значения в формулу (2.2), получим:

.
Величина входной амплитуды тока I
вх.м должна быть равна амплитуде тока базы, но не превышать значение, равного 0,5∙(I
БМ - I
Бмин):
I
вх.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 U
вх.м для заданного значения U
КЭ0=2,7 В, получим:
U
БЭМ. = 0,89, В;
U
БЭмин = 0,75, В.
2U
вх.м= U
БЭМ - U
БЭмин.= 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 R
1 и R
2:

; (2.5)

. (2.6)
Подставив значения в (2.5) и (2.6), получим:

Ом;

Ом.
2.6 Определение емкостей конденсаторов С
р и С
Э Емкость конденсатора межкаскадной связи С
р определяют из допустимых частотных искажений М
н = 1,25, вносимых на низшей частое f
н = 200 Гц. Пользуясь определением частотных искажений в области низших частот, запишем:

где ?
н = 2·?·f
н; ?
н ? С
р·R
вых.
Отсюда следует, что:

; (2.7)

;

;
Рассчитаем емкость конденсатора межкаскадной связи по (2.7):

.
Сопротивление емкости конденсатора С
Э должно быть больше сопротивления резистора R
Э (на низких частотах), поэтому:

. (2.84)
Найдем С
Э , 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 (I
1 = 0,19, А; I
2 = 0,35, А), напряжения на обмотках трансформатора(U
2 = 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(I
К0 = 8,7, мА; I
БМ = 1256, мкА; I
Бмин = 600, мкА; U
КЭ0 = , В ; R
э = 178, Ом ; C
P = 1,36 ; мкФ; К
U = 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.