Электронная техника и преобразователи в электроснабжении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача №1 Расчёт однокаскадного ключевого усилителя на транзисторе

Задание:

1. Составить схему однокаскадного ключевого усилителя на транзисторе типа p-n-p. Усилитель соединяется с источником входных импульсов посредством резистора.

2. Выбрать тип транзистора и номинальные величины резисторов в схеме, обеспечивающих ключевой режим усилителя при потенциалах входа ц_В и ц_Н.

3. Найти значения потенциала входа ц/_вх и ц//_вх, при которых еще обеспечивается ключевой режим каскада в случае плавного изменения сигнала ц_вх=f(t) между ц_В и ц_Н.

4. По диаграмме ц_вх=f(t), найденным ц/_вх и ц//_вх построить диаграмму изменения потенциала коллектора ц_К= f(t) транзистора VТ каскада.

Исходные данные:

U_по=0,5 В - напряжение помехи;

=0,95 - коэффициент;

f_пр=150 кГц - предельная частота следования импульсов;

T_max=55 ⁰С - наибольшая температура окружающей среды;

U_к= -40 В - напряжение питания коллекторных цепей;

U_см=24 В - напряжение источника положительного смещения;

R_к=300 Ом - сопротивление нагрузки каскада.

Решение:

Составим схему однокаскадного ключевого усилителя на транзисторе типа p-n-p (рис.1).

Усилитель соединяется с источником входных импульсов посредством резистора Rc. Необходимый для нормальной работы схемы ток базы транзистора VT (ток смещения) задается резистором смещения Rсм. Источник постоянного тока Ucм необходим для получения напряжения положительной полярности на базе транзистора в режиме отсечки, т. к. при положительной полярности на базе транзистор надежно закрыт. В цепь коллектора транзистора включен резистор Rк, на котором выделяется напряжение выходного импульса.

Рисунок 1 Схема однокаскадного ключевого усилителя

Транзистор VT работает в режиме ключа, это означает, что он может быть открыт (пропускает ток) или закрыт (не пропускает ток). При поступлении на вход схемы верхнего уровня потенциала входного импульса ц_В транзистор открыт, потенциал выходного импульса, снимаемого с коллектора, близок к нулю (доли вольта). При этом на базе транзистора отрицательное напряжение относительно эмиттера, ток базы превышает минимальное значение, нужное для открывания транзистора, поэтому транзистор полностью открыт, находится в состоянии насыщения, сопротивление между коллектором и эмиттером мало, напряжение между коллектором и эмиттером U_КЭ0 близкое к нулю (доли вольта).

При поступлении на вход схемы нижнего уровня потенциала входа ц_Н, транзистор закрыт, потенциал выходного импульса, снимаемого с коллектора, близок к напряжению источника питания U_К. При этом на базе транзистора положительное напряжение относительно эмиттера, поэтому транзистор надежно закрыт, находится в состоянии отсечки, сопротивление между коллектором и эмиттером велико, во много раз превышает сопротивление R_К, поэтому напряжение между коллектором и эмиттером практически равно напряжению источника питания U_К.

Предполагается, что импульс на вход усилителя подается от аналогичных транзисторных схем, причем по модулю нижний ц_Н (отрицательный) потенциал входа относительно зажима +U_К составляет:

ц_Н=·U_К

Верхний потенциал:

ц_В= -ІU_кэ0+ U_ПО,

где U_КЭ0 - напряжение коллектор-эмиттер открытого выходного транзистора каскада, предыдущего по отношению к рассматриваемому усилителю.

Определим максимальный ток коллектора:

Выбор транзистора производится по допустимому току коллектора в ключевом режиме, допустимому напряжению коллектор-эмиттер, рабочему диапазону температур, по предельной частоте, максимальной мощности на коллекторе транзистора. Значения параметров транзистора должны превышать соответствующие значения, действующие в схеме.

Выбираем кремниевый транзистор типа КТ3108Б.

Параметры транзистора:

I_кдоп=200 мА - допустимый ток коллектора;

В=50-150 - Коэффициент усиления;

f_пред=250 МГц - предельная частота;

I_ко=0,2 мкА - обратный ток коллектора;

U_кэ0 = ц`_б = 0,25 В - напряжение коллектор-эмиттер при насыщении;

Р_кmax =300мВт - максимальная мощность на коллекторе транзистора.

U_кэ=45 В - допустимое напряжение коллектор-эмиттер;

Т_с= -40-+85 ⁰С - рабочий диапазон температур

Мощность, выделяющаяся на коллекторе транзистора в режиме насыщения:

,

a = 0.12 - для кремниевых транзисторов.

Мощность, выделяющаяся на коллекторе транзистора в режиме отсечки:

Из расчетов видно, что мощность, выделяющаяся на коллекторе транзистора, не превышает максимально допустимую мощность транзистора Р_КMAX =300мВт, Другие параметры транзистора КТ3108Б также соответствуют исходным данным.

Определяем нижний и верхний уровень потенциала входа:

Рассмотрим работу транзистора в режиме насыщения:

Для того, чтобы транзистор VT находился в открытом состоянии (т.е. в режиме насыщения) ток базы должен иметь достаточную величину. Коэффициент насыщения при этом должен быть (1,5-2), а потенциал входа ц_н. Тогда расчетная схема входной цепи примет вид рис.1.

Ток базы в режиме насыщения транзистора:

,

Принимаем величину коэффициента насыщения 1,75, тогда

Для тока связи в режиме насыщения транзистора согласно рис.1 допустим:

Для тока смещения в режиме насыщения согласно рис.1 определим

По 1 закону Кирхгофа:

 ,

Рассмотрим работу транзистора в режиме отсечки:

Для обеспечения надежного запирания транзистора, выбираем потенциал базы на небольшом положительном уровне ц//_б=1 В.. Потенциал входа найден ранее ц_ВХ = ц_В = - 0.75 В.

Рисунок 2 Ток в режиме отсечки транзистора

Ток базы:

,

Для тока связи в режиме отсечки транзистора и насыщения согласно рис.2 соответственно можно записать:



По 1 закону Кирхгофа:

Из полученных уравнений составляем систему уравнений для нахождения сопротивления связи Rc и сопротивления смещения Rcм:

Решив данную систему уравнений, получим:

R_CМ= 63905 Ом; R_С=3914 Ом.

о шкале номинальных значений резисторов выбираем:

R_СМ= 51 кОм; R_С = 3,9 кОм.

Определение тока базы на границе режима насыщения:

мА.

Определение тока смещения на границе режима насыщения:

мА.

Определение тока связи на границе режима насыщения:

мА.

Находим входной потенциал на границе режима насыщения транзистора:

В

Определение входного потенциала ц//_ВХ на границе режима отсечки транзистора (рассматривается работа схемы транзистора в режиме отсечки, рис.2). ц//вх соответствует моменту, когда транзистор закроется, то есть

, .

Дальнейшее повышение ц_ВХ до ц_В лишь повысит надежность запирания транзистора. Определение тока смещения на границе режима отсечки:

мА.

Ток связи на границе режима отсечки:

мА

Потенциал входа на границе режима отсечки:

Построим временные диаграммы: входного сигнала ц_ВХ= f(t) и потенциала коллектора ц_К= f(t).

Рисунок 3 Диаграмма входного сигнала

Задача №2 Расчёт выпрямителя с идеальным трансформатором

Задание: однокаскадный транзистор сигнал трансформатор

1. Составить схему выпрямления.

2. Рассчитать основные параметры трансформатора при питании активной нагрузки непосредственно от выпрямителя (вариант "a").

3. Рассчитать индуктивность сглаживающего реактора, обеспечивающего заданное отношение kп действующего значения пульсации тока к Id (вариант "б").

4. Для обоих вариантов построить временные диаграммы выпрямленного напряжения и тока, ЭДС и тока вторичной (вентильной) обмотки трансформатора, напряжения на одном из вентилей и тока вентиля.

При выполнении расчётов и построении диаграмм трансформатор и вентили считать идеальными, а активным сопротивлением обмотки сглаживающего реактора можно пренебречь.

Исходные данные:

Ud = 1000В - выпрямленное напряжение;

Id=100 A - выпрямленный ток;

р=3 - кратность пульсации;

Uc=10000 В - напряжение сети;

kn=0,03 - коэффициент пульсаций;

f=50Гц - частота питающей сети.

Решение.

Составляем схему выпрямления.

По заданию кратность пульсации р=3. Такую кратность пульсации имеет трехфазный выпрямитель с нулевым выводом, рис.4.

Степень использования трансформатора в данном выпрямителе по сравнению с другими трехфазными выпрямителями не достаточно высока, кроме того, в этой схеме выпрямления имеет место явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора.

Кривые анодных токов содержат постоянную составляющую, равную ld / 3, которая протекает и через вторичные обмотки трансформатора, создавая в каждом из трех стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора. Этот поток замыкается от верхнего ярма трансформатора к нижнему через воздух, а также детали крепления магнитопровода и стальной бак (в масляных трансформаторах). Это явление может привести к нагреванию и насыщению магнитопровода. Для избегания этого приходится увеличивать размеры трансформатора, применять специальные обмотки и т.д.

К недостаткам данной схемы выпрямления можно отнести то, что к вентилям прикладывается линейное напряжение, в то время как к нагрузке фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора.

Из-за простоты схемы она применяется в выпрямителях малой и средней мощности

Рисунок 4 Схема выпрямления - трехфазная с нулевым выводом

Расчёт основных параметров трансформатора при питании активной нагрузки непосредственно от выпрямителя (ключ Кл замкнут).

Действующее значение ЭДС фазы вторичной обмотки трансформатора:

,

Действующее значение линейной ЭДС вторичной обмотки трансформатора:

Действующее значение тока фазы вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент трансформации трансформатора:

Действующее значение тока фазы первичной (сетевой) обмотки трансформатора:

Мощность, выделяемая в нагрузке:

Типовая мощность трансформатора:

Коэффициент использования трансформатора:

Амплитуда гармонической составляющей порядка n определяется по формуле:

где n=kр - порядковый номер высшей гармонической составляющей по отношению к основной частоте питающей сети, у которой n=1;

k=1;2;3;… - натуральный ряд чисел;

р - число пульсаций за период напряжения питающей сети,

Первая по счету гармоника (k=1) имеет номер n=k*р=1*3=3 , следовательно это третья гармоника с частотой 150Гц ( в три раза большей частоты питающей сети f=50Гц) , тогда

Амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения и основной гармоники (т.е. гармоники с наибольшей амплитудой) имеют близкие значения.

Для оценки качества выпрямленного напряжения пользуются коэффициентом пульсации напряжения, представляющим собой отношение амплитуды переменной составляющей к среднему значению выпрямленного напряжения.

Для построения временных диаграмм найдем амплитудные значения токов и напряжений.

Амплитудное фазное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора:

Амплитудное линейное значение равно максимальному обратному напряжению, приложенному к диоду значению ЭДС вторичной обмотки трансформатора:

Амплитудное значение напряжения питающей сети (амплитудное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора):

Так как через каждый вентиль ток протекает только треть периода, то средний (т.е. постоянный) ток , протекающий через один вентиль:

Кривая выпрямленного напряжения представляет собой огибающую положительных частей синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора.

При чисто активной нагрузке выпрямленный ток

id = ud/R

Он имеет ту же форму, что и выпрямленное напряжение ud.

Форма тока, протекающего через вентиль и фазного тока вторичной обмотки трансформатора, одинаковы, так как вентиль и вторичная обмотка включены последовательно и поэтому через вентиль и вторичную обмотку протекает один и тот же ток.

Сопротивление нагрузки:

Амплитудное значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Амплитудное значение тока нагрузки:

Расчёт индуктивности сглаживающего реактора, обеспечивающего заданное отношение kп действующего значения пульсации тока к Id.

Включение индуктивности Ld в электрическую цепь, питающуюся пульсирующим напряжением, приводит к уменьшению амплитуды пульсаций тока в этой цепи нагрузки, так как индуктивность вырабатывает ЭДС самоиндукции, направленную против изменения тока и пропорциональную скорости изменения тока. Чем больше значение индуктивности Ld и больше скорость изменения тока di/dt, тем больше ЭДС самоиндукции и тем выше степень сглаживания тока на нагрузке.

Степень сглаживания тока (коэффициент пульсации тока kп оценивается относительной пульсацией тока:

kn = Дid/Id

где Дid - величина полной пульсации тока, равная разности максимального и минимального значений выпрямленного тока

Из чего следует:

Дid = knЧId = 0.03Ч100 = 3 (A)

Тогда амплитуда тока основной (n=3) гармоники:

Idm(n) = Дid/2

Idm(3) = Дid/2 = 3/2 = 1.5 (A)

Эффективность работы сглаживающего реактора оценивается коэффициентом сглаживания:

Индуктивность сглаживающего реактора [2, стр.195]:

Индуктивное сопротивление реактора для гармоники n=3:



Так как активным сопротивлением обмотки сглаживающего реактора можно пренебречь по условию, то угол сдвига фазы напряжения на активной нагрузке uн (или фазы тока iн) относительно фазы напряжения ud:

Амплитуда напряжения основной (n=3) гармоники:

Построение временных диаграмм выпрямленного напряжения и тока, ЭДС и тока вторичной (вентильной) обмотки трансформатора, напряжения на одном из вентилей и тока вентиля.

Вариант "a". Активная нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю.



Рисунок 7 Построение временных диаграмм выпрямленного напряжения и тока

Литература

1. Харченко А.Ф. Неуправляемые силовые полупроводниковые выпрямители: Уч. пос. - М.: МИИТ, 2009.

2. Чиженко ИМ., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. -- М.: Высшая школа 1974.

3. Горбачев Г.Н.,Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

4. Методическое пособие 11/1/3 Электронная техника и преобразователи в электроснабжении. - М.: РГОТУПС. 2006.

Размещено на Allbest.ru

...