Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки

Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки

До виконання розрахунково-графічної роботи

1.1 Випрямлячі

Випрямляч - це пристрій, призначений для перетворення енергії джерела змінного струму в енергію постійного струму. У загальному випа­дку випрямляч мас таку будову, як зображено на рисунку 11.

TV -трансформатор знижувальний;

VD - випрямний пристрій:

Ф - фільтр;

Н - навантаження

Рисунок 1.1 - Будова випрямляча

Принцип випрямлення полягає у пропусканні змінного струму через вентильні елементи електричного кола. В результаті на виході форму­ється однополярна (випрямлена) напруга, миттєве значення якої змінюєть­ся у часі - пульсуюча напруга. Для одержання на навантаженні постійної напруги між вентильною схемою - випрямним пристроєм VD і навантаженням II - ставлять згладжувальний фільтр Ф, який забезпечує зменшен­ня пульсацій (згладжування) випрямленої напруги. У результаті на наван­таженні формується напруга, яка за параметрами наближається до постій­ної напруги

Головним елементом випрямляча є вентильна схема - випрямляю­чий пристрій VD, який забезпечує отримання однополярної напруги на на­вантаженні.

Найчастіше в електронних пристроях використовуються однофазні двопівперіодні випрямлячі і випрямлячі з помноженням напруги, зображе­ні на рисунку 1.2.

а) двопівперіодна з виводом нульової (середньої) точки трансформатора;

б) двопівперіодна мостова;

в) з подвоєнням напруги

Рисунок 1.2 - Схеми випрямлячів

Якщо порівняти мостову (рисунок 1.2 б) і нульову (рисунок 1.2 а) схеми, які забезпечують однакові параметри випрямленої напруги, можна виділити такі переваги мостової схеми:

1)зворотна напруга на вентилях у два рази менша, ніж у нульовій схемі,

2)у два рази менша кількість витків вторинної обмотки трансформатора.

3)простіша конструкція трансформатора, оскільки не треба мати вивід точки вторинної обмотки.

4)мостова схема випрямляча, на відміну від нульової, може працювати і без трансформатора, якщо напруга мережі U₁ забезпечує одержання необхідного значення випрямленої напруги U₂, а також, якщо не треба ма­ти розв'язку між навантаженням R_H мережею живлення.

Проте мостова схема порівняно з нульовою має такі недоліки:

• використовується у два рази більше вентилів, ніж у нульовій
схемі,

• більші втрати потужності у вентилях, оскільки у мостовій схемі
струм навантаження послідовно проходить через два вентилі, а у
нульовій - через один.

Переваги мостової схеми випрямлення зумовлюють її найширше застосування. Нульова схема випрямлення найчастіше використовується для отримання низьких значень випрямленої напруги (U ₀< 10 В)

У низьковольтних випрямлячах ця схема забезпечує виший ККД. ніж мостова схема, а підвищена зворотна напруга на вентилях тут не має суттєвого значення.

Напруга, випрямлена однофазними випрямлячами, має досить ве­ликі пульсації. Якщо навантаження випрямляча мaє активно-індуктивний або активно-ємнісний характер, пульсації струму (напруги) на наванта­женні значно менші.Чисто активне навантаження потребує для зменшення пульсації випрямленої напруги (струму) згладжувального фільтра між ви­прямлячем і навантаженням.Оскільки згладжувальні фільтри, як правило, складаються з реактивних елементів (дроселів і конденсаторів), загальний характер навантаження випрямляча також буде або активно-індуктивним, або активно-ємнісним.

Однією зі сфер використання випрямлячів з активно-ємнісним на­вантаженням є схеми випрямлення з помноженням напруги. Такі схеми дають змогу одержати на навантаженні випрямлену напругу, яка у кілька разів перевищує напругу на вторинній обмотці трансформатора. Принцип роботи будь-якої схеми помноження полягає в тому, що кілька конденса­торів, які відносно джерела живлення приєднані паралельно, одночасно або почергово заряджаються через вентильні елементи. Щодо навантажен­ня ці конденсатори ввімкнені послідовно. У результаті напруга на наван­таженні дорівнює сумі напруг на конденсаторах. На рисунку 1.2 в зобра­жено схему з подвоєнням напруги.

Вихідними даними для розрахунку випрямляча зі значення випрям­леної напруги на навантаженні U₀ (випрямленого струму I₀). напруга ме­режі живлення U₁ і коефіцієнт пульсації випрямленої напруги на наванта­женні (на виході згладжувального фільтра) K_nlвих або допустима пульсація напруги на навантаженні ∆U_H у процентах від U_H.

Для вибору діодів при розрахунках випрямляча визначають середнє значення струму I_сер який проходить через діоди, і зворотну максимальну допустиму напругу U_зв.тах.

Для розрахунку трансформатора визначають струм первинної об­мотки I₁ вторинної І₂, напругу на вторинній обмотці U₂; опір трансформа­тора R_Тр;кількість витків первинної W₁ і вторинної W₂ і обмоток, а також переріз проводів обмоток.

У радіотехнічних пристроях випрямлячі працюють на навантаження ємнісного характеру (навантажуються на фільтр з ємністю С₀). Від цієї єм­ності залежить, коефіцієнт пульсації випрямленої напруги на вході фільтра K_п.вх.

Нижче наведені основні розрахункові співвідношення для трьох го­ловних схем випрямлячів, працюючих на ємнісне навантаження при жив­ленні від мережі частотою ƒ= 50 Гц. У цих співвідношеннях напруга пода­ється у вольтах, струм - у міліамперах, опір - в омах, ємність - у мікрофарадах, коефіцієнт пульсацій - у процентах.

 

Для схеми з виводом нульової точки

де R₁ - опір діода. Для малопотужних діодів (R₁ = 1,5 -- 2 Ом) або за паспортними даними вибраного діода.

Для мостової схеми

 

Розрахунок випрямляча

За вихідними даними згідно зі своїм варіантом (таблиця А1 додат­каА) розрахувати малопотужний випрямляч.

Вихідними даними при розрахунках є: номінальна напруга мережі живлення U₁, В, вихідна напруга на навантаженні U_н, В, опір навантаження

, Ом. де U₀= 1,1 ¸ 1,2 U_Н, амплітуда пульсацій напруги на наванта­женні (для схеми з подвоєнням напруги - коефіцієнт пульсацій), %.

Накреслити повну схему заданого типу випрямляча (із фільтром) та нанести на ній вихідні дані, одержані розрахункові дані, типи і параметри вибраних елементів.

У розрахунковій частині випрямляча виконати таке:

1. Для двопівперіодних схем із виводом нульової точки і мостової:

• виконати розрахунок LC або транзисторного фільтра, вибра­ти відповідні елементи та перевірити спад напруги на фільт­рі, при цьому напруга на навантаженні має відповідати зада­ній U_н,

• розрахувати випрямний пристрій - діоди вибираються за се­реднім випрямленим струмом І_{вип.сер} і амплітудою зворотної напруги U_зв.max,

• розрахувати трансформатор чи автотрансформатор з визна­ченням струмів І₁, І₂, потужності трансформатора та необхід­ної кількості витків первинної і вторинної обмоток, а також діаметрів проводів d₁ і d₂.

2. Для випрямляча з подвоєнням напруги:

• за вихідними даними випрямляча розрахувати параметри та вибрати із довідника випрямні діоди;

• розрахувати систему живлення - автотрансформатор (трансформатор) з вибором магнітопроводу і параметрів обмоток;

• розрахувати транзисторний фільтр з вибором транзистора та всіх елементів фільтра;

• провести перевірку значення випрямленої напруги на навантаженні, вона має відповідати заданій.

Вихідні дані

U₁ = 380В; U_Н = 29В;

R_H = 36 Ом, ∆ U_Н = 2,6% U_H.

 

Розрахунок LC фільтра

3.1.1 Визначаємо струм навантаження І_н (І₀):

3.1.2. Відносна частота пульсацій випрямленої напруги на навантаженні ∆ U_Н

 

∆ U_Н =2,6·10^-2 × 29 = 0,75 В.

 

3.1.3 Ємність конденсатора С_о на вході фільтра:

Вибираємо два електролітичні конденсатори типу К50-7 по 300 мкФ. При цьому С₀ =600 мкФ. Номінальна напруга конденсаторів U_с ³1,5 × U₀ = 1,5 × 29 = 43,5 В» 50 В.

 

3.1.4 Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги на вході фільтра:

 

Необхідний коефіцієнт згладжування

 

 

Таким чином, К_згл < 25, то вибираємо одноланковий П-подібний фільтр. При К_згл > 25 необхідно вибирати дволанкові фільтри.

 

3.1.5 Визначаємо добуток L_фС_ф за формулою

 

Вибираємо ємність С_ф так, щоб індуктивність дроселя не переви­щувала 5¸10 Гн. Приймаємо С_ф = 30 мкФ. При цьому маємо

 

 

3.1.6 Виходячи з повної довжини зазору в осерді дроселя /=1 мм, визначаємо переріз осердя Q_С.:

 

 

кількість витків фільтра

диметр проводу обмотки

переріз обмотки

За добутком Q_с Q_w = 10,5 ×2 = 21 см⁴ із таблиці А2 (додаток А) ви­бираємо Ш-подібніпластини типу Ш20 з перерізом вікна Q₀ = 3 см²

Для вибраного типу пластин ширина середнього стержня а = 2 см, ширина вікна

b = 1см, висота вікна h =3 см.

3.1.7 Перевіряємо значення випрямленої напруги на навантаженні, для чого визначаємо середню довжину обмотки L _w та опір проводу обмот­ки R_w:

спад напруги на фільтрі ∆ U_Ф = R_W I₀ = 4,32 ×0,67 = 2,98В» З В,

а напруга на навантаженні U_H = U₀- ∆U_Ф = 29 - 3 = 26 В, що прак­тично допускається.

Розрахунок випрямляча

3 1.8 Для вибору типів діодів розрахуємо зворотну напругу на діодах:

U_зв = 1,57- U₀ = 1,57-29 = 45,5 В.

Середній струм через діод І_с = 0,5 × І₀ = 0,5 × 670 = 375 mА.

Вибираємо діод КД205Д за такими даними: максимально допустимий (середній) прямий струм І_доп.пр =0,5А; максимально допустима зворо­тна напруга U_{зв доп} = 100 В.

Розрахунок трансформатора

3.1.9 Визначаємо опір трансформатора:

3.1.10 Для мостової схеми напруга на вторинній обмотці трансформатора:

 

 

де Ri — активний опір діода, дорівнює 2 Ом. Тому приймаємо, що U₂ = 31 В.

3.1.11 Струми:

 

 

3.1.12 Розраховуємо габаритну потужність трансформатора за формулою

 

 

3.1.13 Якщо обмотки трансформатора будуть виконані проводом марки ПЕЛ, що в більшостівипадків так і є, то добуток площини осердя трансформатора Q_с на площину вікна осердя Q_о буде

Q_c Q₀ =1,6- P_Г =1,6-53,4 = 85,5см⁴.

Із таблиці А2 за значенням добутку Q_c×O_o вибираємо пластини Ш-28 з площиною вікна Q₀ = 5.88 см². шириною середнього стержня а = 2,8 см, висотою h = 4,2 см і шириною вікна

b =1.4 см. При цьому пере­різ осердя Q_c буде

необхідна товщина пакета пластин

Відношення . Це відношення рекомендується брати вмежах 1¸2. Якщо це відношення вийде за межі, то необхідно вибрати ін­ший вид пластин

 

3.1.14 Визначаємо кількість витків W₁ і W₂ та діаметри проводів d₁ і d₂ первинної і вторинної обмоток трансформатора із таблиці A3 додатка А

 

 

Таблиця А1 – Вихідні данні для розрахунку випрямлячя

 

Варіант	Первинна напруга U1, B	Напруга на на­вантаженні UH, В	Опір навантаження	Тип випрямляча	Система живлення	Амплітуда пульсацій напруга на навантаженні % від UH, В	Тип згладжувального фільтра
					Транс.	1,75	LC
					Автотр.	1.2	Транзист.
					Транс.	0.5	LC
					Транс.	1,1	LC
					Транс.	1,9	Транзист.
					Автотр.	1,6	Транзист.
					Транс.	1.5	LC
					Транс.	1,1	LC
					Транс.	0,8	LC
					Автотр.	0,9	Транзист
					Автотр.	1,9	Транзист.
					Транс.	1,3	І.С
					Автотр.	1,7	Транзист.
					Транс.	1,9	LC
					Транс.	1,2	Транзист.
					Автотр.	2,0	Транзист.
					Транс.	0,9	LC
					Транс.	0.8	LC
					Транс.	0.5	Транзист.
					Транс.	0.9	Транзист.
					Транс.	1.1	LC
					Транс.	1,3	LC
					Автотр.	0,8	І,С
					Транс.	1.0	LC
					Транс.	1,1	Транзист.
					Транс	1,1	І.С

 

Таблиця А2 - Maгнітопроводи із Ш-подібних пластин

 

 

	Розміри	Межі Qс, Q0. см^4
Тип пластини	Ширина середнього стержня a, см	Ширина вікна b, см	Висота вікна h, см	Площина вікна Q0 = b h, см
Ш-10		0:5	1,5	0.75	0,75-1,5
Ш-10		0.65	1,8	0,17	1.17-2.34
Ш-10		1,2	3.6	4,32	4,32-8,64
Ш-12	1.2	0,6	1,8	1,08	1-56-3.12
УШ-19	1.2	0,8	2,2	1,76	2,53-5,00
Ш-12	1,2	1,6	4,8	7,68	11.1-22.2
Ш-14	1,4	0,7	2,1	1,47	2.88-5,76
Ш-14	1,4	0.9	2.5	2,25	4.41-8,82
Ш-15	1,5	1,35	2,7	3.65	8,21-16,4
Ш-16	1,6	0,8	2.4	1,92	4.91-9.82
Ш-16	1,6		2.8	2.8	7,17-14,3
Щ-18	1,8	0.9	2 7	2,43	7,87-15-7
Ш-19	1,9	1.2	3.35	4.02	14,5-29
Ш-20					19-74
Ш-20		1.7	4.7	7,99	32-64
УШ-22	2,2	1,4	3,9	5,45	26-4-52,8
УШ-25	2.5	2,5			93,7-180,7
Ш-25	2,5	3,15	5,8	18,3	' 11-4-228
Ш-28	2,8	1,4	4,2	5,88	46,5-93
УШ-30		1.9	5.3	10,1	91-182
Ш-32	3.2				265-539
УШ-35	3,5		6,15	13,5	165-540
УШ-40		2,6	7.2	18,7	300-600

 

Таблиця A3 - Найбільш поширені дані обмоткових проводів

 

Діаметр проводу по міді, мм	Переріз проводу, мм	Діаметр проколу з ізоляцією, мм^2	Вага 1 км про­воду без ізоляції). кг	Опір 1 км проводу при -+20^оС, Ом
ПЕЛ й ПЕТ	ПЕВ-2	ПЕЛШО Й ІІЕЛШКО	ПБД
0,05	0,00196	0,065	0,08	0,12	—	0,0175
0,06	0,00283	0,075	0,09	0,13	—	0,0252
0,07	0,00385	0,085	0,1	0,14	—	0,0343
0,08	0,00502	0,095	0,11	0,15	—	0,0448
0,09	0,00686	0,105	0,12	0,16	—	0,0567
0,1	0,00785	0,12	0,13	0,175	—	0,070
0,11	0,0095	0,13	0,14	0,185	—	0,085
0,13	0,0132	0,15	0,16	0,205	—	0,118
0,15	0,0176	0,17	0,19	0,225	—	0,158
0,17	0,0227	0,19	0,21	0,245	—	0,202
0,19	0,0283	0,21	0,23	0,265	—	0,253
0,21	0,0346	0,235	0,25	0,3	0,4	0,309
0,23	0,0415	0,255	0,28	0,32	0,42	0,370
0,25	0,044	0,275	0,3	0,34	0,44	0,437
0,29	0,066	0,325	0,34	0,39	0,51	0,589
0,31	0,0754	0,35	0,36	0,415	0,53	0,673
0,33	0,0855	0,37	0,38	0,435	0,55	0,762
0,35	0,0962	0,39	0,41	0,455	0,57	0,857
0,41	0,132	0,45	0,47	0,52	0,63	1,011
0,47	0,173	0,515	0,53	0,58	0,69	1,545
0,53	0,22	0,58	0,6	0,645	0,75	1,956	79,5
0,59	0,273	0,64	0,66	0,705	0,81	2,437	64,3
0,64	0,321	0,69	0,72	0,755	0,86	2,877	54,6
0,69	0,374	0,74	0,77	0,805	0,91	3,333	46,9
0,74	0,43	0,80	0,83	0,865	0,96	Ї,833	40,8
0,8	0,503	0,86	0,89	0,925	1,02	4,43	34,9
0,86	0,581	0,92	0,95	0,985	1,08	5,177	30,2
0,93	0,679	0,99	1,02	1,055	1,15	6,054	25,8
	0,785	1,07	1,11	1,135	1,27		22,4
1,12	0,985	1,196	1,23	1,255	1,39	8,81	17,8
1,25	1,21	1,33	1,36	1,385	1,52	10,937	14,3
1,5	1,77	1,58	1,6!	1,655	1,77	15,86	9,95
1,74	2,37	1,82	1,85	1,895	2,01	21,22	7,45
1,81	2,57	1,89	1,93	1,965	2,08	23,12	6,8
2,02	3,2	2,1	2,11	2,175	2,29	28,563	5,48
2,26	4,02	2,34	2,39	2,415	2,53	35,753	4,38
2,44	4,65	2,52	2,57	2,595	2,71	41,675	3,75

 

 

Короткі теоретичні відомості та методичні вказівки