Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

Факультет фізики, електроніки та комп'ютерних систем

Кафедра експериментальної фізики та фізики металів

Курсова робота

з дисципліни Основи сучасної електроніки

на тему: Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

Студента ІІ курсу групи КА-12-1

Тарана А.А.

Керівник ас. Гасанов Е.М.

Дніпропетровськ 2014



Зміст

Вступ

1. Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

2. Генератори на таймері NE555

2.1 Генератор імпульсів форми меандр

3. Розробка макетів генератора прямокутних та пилоподібних імпульсів

3.1 Генератор пилоподібних імпульсів

3.2 Генератор прямокутних імпульсів

Висновки

Список використаної літератури



Вступ

Метою курсової роботи є створення прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

Випрямляч ( електричного струму) - перетворювач електричної енергії; механічне, електровакуумне, напівпровідниковий або інший пристрій, призначений для перетворення змінного вхідного електричного струму в постійний вихідний електричний струм. [1] [2]

Більшість випрямлячів створює не постійні, а пульсуючі односпрямовані напруга і ток, для згладжування пульсацій яких застосовують фільтри.

Пристрій, що виконує зворотну функцію - перетворення постійних напруги та струму в змінні напруга і струм - називається інвертором.

Через принципу оборотності електричних машин випрямляч і інвертор є двома різновидами однієї і тієї ж електричної машини (справедливо тільки для інвертора на базі електричної машини).

Для досягнення поставленої мети у роботі необхідно розв'язати такі задачі:

Обрання та вдосконалення принципових схем.

Перевірка на макетній платі.

Розробка друкованих плат у програмному забезпеченні PCAD PCB.

Створення макету в лабораторних умовах.

Дослідження даних макету за допомоги цифрового осцилографа.



1. Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

прецизійний випрямляч електричний генератор

Ртутний випрямляч

Випрямлячі класифікують за такими ознаками:

механічні синхронні з щіочноколлекторним комутатором струму [3];

механічні синхронні з контактним перемикачем (випрямлячем) струму;

з електронною керованою комутацією струму (наприклад, тиристорні);

електронні синхронні (наприклад, транзисторні) - як різновид випрямлячів з керованою комутацією;

з електронною пасивної комутацією струму (наприклад, діодні);

по потужності:

силові випрямлячі [4];

випрямлячі сигналів [5];

по мірі використання напівперіодів змінної напруги

однополуперіодні - пропускають в навантаження тільки одну півхвилю [6];

двухполуперіодні - пропускають в навантаження обидві напівхвилі;

неполноволновие - не повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;

полноволновие - повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;

за схемою випрямлення - мостові, з множенням напруги, трансформаторні, з гальванічною розв'язкою, бестрансформаторних і пр.;

по кількості використовуваних фаз - однофазні, двофазні, трифазні і багатофазні;

за типом електронного вентиля - напівпровідникові діодні, напівпровідникові тиристорні, лампові діодні ( кенотронні), газотроні, ігнітроном, електрохімічні та ін;

по керованості - некеровані (діодні), керовані (тиристорні);

за кількістю каналів - одноканальні, багатоканальні;

по величині випрямленої напруги - низьковольтні (до 100В), средневольтовие (від 100 до 1000В), високовольтні (понад 1000В);

за призначенням - зварювальний, для харчування мікроелектронної схеми, для харчування лампових анодних ланцюгів, для гальваніки і пр.;

за ступенем повноти мостів - полномостовие, полумостовой, четвертьмостовие;

по наявності пристроїв стабілізації - стабілізовані, нестабілізованим;

з управління вихідними параметрами - регульовані, нерегульовані;

по індикації вихідних параметрів - без індикації, з індикацією (аналогової, цифровий);

за способом з'єднання - паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;

за способом об'єднання - роздільні, об'єднані зірками, об'єднані кільцями;

по частоті випрямляється струму - низькочастотні, середньочастотні, високочастотні.

Застосування

Випрямлення електричного струму

Випрямлячі зазвичай використовуються там, де потрібно перетворити змінний струм в постійний струм. Застосування випрямлячів для перетворення змінного струму в постійний викликало поняття середнього значення струму за модулем (тобто без урахування знака ординати) за період. При двопівперіодним випрямлянні середнє значення по модулю визначається як середньоарифметичне значення всіх ординат обох напівхвиль за цілий період без урахування їх знаків (тобто вважаючи всі ординати за період позитивними, що і має місце при двопівперіодним ідеальному випрямленні).

Приймачами електроенергії з нелінійними характеристиками є в першу чергу всілякі перетворювальні установки змінного струму в постійний, використовують різні вентилі.

Сюди відносяться випрямні установки для:

залізничної тяги

міського електротранспорту

електролізу (виробництво алюмінію, хлору, їдкого натру та ін)

харчування приводів прокатних станів

збудження генераторів електростанцій

В якості вентилів до останнього часу використовувалися в основному ртутні випрямлячі (некеровані і керовані). В даний час широке застосування знаходять переважно кремнієві напівпровідникові випрямлячі. Впроваджуються тиристорні випрямлячі.

Зазвичай випрямні установки виконуються великої потужності і приєднуються через спеціальні трансформатори до мережі живлення на напрузі 6 - 10 кВ. Випрямні установки невеликої потужності виконуються за трифазною схемою з нульовим виводом.

Блоки живлення апаратури

Застосування випрямлячів в блоках живлення радіо-і електроапаратури обумовлено тим, що зазвичай в системах електропостачання будівель або транспортних засобів (літаків, поїздів) застосовується змінний струм, і вихідний струм будь-якого електромагнітного трансформатора, застосованого для гальванічної розв'язки ланцюгів або для зниження напруги, завжди змінний, тоді як в більшості випадків електронні схеми і електродвигуни цільової апаратури розраховані на харчування струмом постійногонапруження.

Блоки живлення промислової і побутової радіо-і електроапаратури (в т.ч. так звані адаптери ( англ. AC-DC adaptor )).

Блоки живлення бортової радіоелектронної апаратури транспортних засобів.

Випрямлячі електросилових установок

Випрямлячі харчування головних двигунів постійного струму автономних транспортних засобів і бурових верстатів.

Як правило, на автономних транспортних засобах ( автомобілях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, літаках) для отримання електроенергії застосовуютьгенератори змінного струму, так як вони мають велику потужність при менших габаритах і вазі, ніж генератори постійного струму. Але для приводів рушіїв транспорту зазвичай застосовуються двигуни постійного струму, так як вони дозволяють простим перемиканням полюсів живлячого струму керувати напрямком руху, і мають необхідну тягову характеристику (великий крутний момент при низькій частоті обертання ротора). Це дозволяє відмовитися від складних, важких і ненадійних коробок перемикання передач. Також застосовується і для приводу бурильних верстатів бурових вишок.

Перетворювачі бортового електропостачання постійного струму автономних транспортних засобів: автотракторної, залізничної, водної, авіаційної та іншої техніки.

Генерація електроенергії на транспортному засобі зазвичай проводиться генератором змінного струму, але для живлення бортової апаратури необхідний постійний струм. Наприклад, в легкових автомобілях застосовуються електромеханічні або напівпровідникові випрямлячі.

Зварювальні апарати

У зварювальних апаратах постійного струму застосовуються найчастіше мостові схеми на потужних кремнієвих випрямних діодах - вентилях, з метою отримання постійного зварювального напруги і струму. Він відрізняється від змінного тим, що при використанні його сильніше нагрівається область дуги близько позитивного (+) її полюса, що дозволяє або здійснювати щадну зварювання деталей, що зварюються переважно плавким зварювальним електродом, або економити електроди, здійснюючи різання металу електродуговим зварюванням.

Вентильні блоки перетворювальних підстанцій систем енергопостачання

Для харчування головних двигунів постійного струму прокатних станів, кранів та іншої техніки

Енергопостачання заводів здійснюється електромережею змінного струму, але для приводів прокатних станів та інших агрегатів вигідніше використовувати двигуни постійного струму з тієї ж причини, що і для двигунів транспортних засобів.

Для гальванічних ванн ( електролізерів) для отримання кольорових металів і стали, нанесення металевих покриттів і гальванопластики.

Установки електростатичного очищення промислових газів ( електростатичний фільтр)

Установки очищення та знесолення води

Для електропостачання контактних мереж електротранспорту постійного струму ( трамвай, тролейбус, електровоз, метро)

Для несинхронно зв'язку енергосистем змінного струму [7]

Для дальньої передачі електроенергії постійним струмом [8].

Випрямлячі високочастотних коливань

У складі ректенн :

в перспективних системах збору енергії оточуючих шумових електромагнітних сигналів.

в перспективних системах бездротової передачі електроенергії.

Детектування високочастотного сигналу

У найпростішому випадку детектор амплітудно-модульованого сигналу влаштований аналогічно випрямлячу. Принцип роботи заснований на припущенні, що частота несучої значно вище частоти модульованого сигналу, а коефіцієнт модуляції менше одиниці. У цьому випадку сигнал на вході пристрою випрямляється і фільтрується за допомогою ФНЧ із частотою зрізу більшою, ніж максимальна частота модулюючого сигналу.

Найпростіший доданий АМ детектор

Схема АМ детектора на базі однополуперіодного випрямляча.

Демодулятор амплітудно модульованого високочастотного сигналу в простому випадку являє собою однополуперіодний випрямляч на одному діоді з вихідним фільтром зконденсатора і резистора. Співвідношення номіналів резистора і конденсатора вибирається так, щоб оптимально згладжувати напівперіоди несучої високої частоти. При перевищенні амплітуди напівперіодів несучої вище напруги на конденсаторі ємність заряджається, при зменшенні амплітуди напівперіодів несучої нижче напруги на конденсаторі ємність розряджається, тим самим обвідна відновлює модулюючий (низькочастотний) сигнал. При демодуляції сигналу звукових частот (20-20000 Гц) як правило, застосовується кремнієвий або германієвий діод і конденсатор ємністю близько 10-47 нФ. Розглянута схема діодного АМ детектора отримала назву детектор з відкритим входом, тому що постійна складова амплітудно модульованого високочастотного сигналу (при її наявності) безперешкодно проходить на навантаження детектора.

Схема АМ детектора з закритим входом або параллелльного детектора.

Якщо ж поміняти місцями діод і конденсатор, вийде детектор з закритим входом або паралельний детектор, не пропускає постійну складову на навантаження. За такою схемою будуються детекторні головки (ВЧ-пробники), для вимірювання змінної напруги радіочастотного діапазону за допомогою вольтметра постійного струму.

Балістичний випрямляч

Балістичний випрямляч, описаний у статті Room-Temperature Ballistic Nanodevices. Aimin M. Song [9], може знайти застосування для детектування дуже високочастотних сигналів (до 50 ГГц).

Характеристики

Номінальна вихідна напруга постійного струму і допустимий діапазон його зміни;

Номінальний струм навантаження;

Діапазон ефективного вхідної напруги змінного струму (наприклад 220 В 10%);

Допустима вихідна пульсація, її амплітудно-частотні характеристики;

Навантажувальна характеристика.

Еквівалентна внутрішнє комплексне (у першому наближенні активне) опір.

Коефіцієнт використання габаритної потужності трансформатора.

Двуполуперіодного випрямляча

Може будуватися за мостовий або полумостовой схемою (коли, наприклад, у випадку випрямлення однофазного струму, використовується спеціальний трансформатор з виводом від середньої точки вторинної обмотки і удвічі меншою кількістю випрямляючих струм елементів. Така схема нині застосовується рідко, так як більш металомістких і має більшу еквівалентне активне внутрішній опір, тобто великі втрати на нагрів обмоток трансформатора. При побудові двухполупериодного випрямляча зі згладжуючим конденсатором слід завжди пам'ятати, що змінна напруга завжди вимірюється в "чинному" значенні, яке в 1,41 рази менше його максимальної амплітуди, а випрямлена напруга на конденсаторі, у відсутність навантаження, буде завжди одно амплітудному. Це означає, що, наприклад, при вимірюванні напруги однофазного змінного струму 12 вольт до мостового однофазного випрямляча зі згладжуючим конденсатором, на конденсаторі, (у відсутність навантаження), буде напруга до 17 вольт. Під навантаженням випрямлена напруга буде нижчою, (але не нижче величини діючої напруги змінного струму, якщо внутрішній опір трансформатора - джерела змінного струму - прийняти рівним нулю) і залежати від ємності згладжуючого конденсатора.

Відповідно, вибір величини змінної напруги вторинної обмотки трансформатора, повинен будуватися виходячи з максимальної допустимої величини напруги, що подається, а ємність згладжуючого конденсатора - повинна бути досить великою, щоб напруга під навантаженням не знизилося менше мінімально допустимого. На практиці також враховується неминуче падіння напруги під навантаженням - на опорі проводів, обмотці трансформатора, діодах випрямного моста, а також можливе відхилення від номінального величини живлячої трансформатор напруги електричної мережі.

Во багатьох пристроях обробки аналогових сигналів, наприклад, у вимірювальних схемах,потрібне виділення або складових тільки однієї полярності (однополуперіодне випрямлення), або визначення абсолютного значення сигналу(двуполуперіодне випрямлення). Ці операції можутьбути реалізовані на пасивних діодно-резистивних ланцюгах, але значне пряме падіння напруги на діодах(0,5 - 1 В) і нелінійність його вольт-амперно їхарактеристики вносять в цьому випадку значні погрішності, особливо при обробці слабких сигналів. Застосування ОП дозволяє значною мірою ослабити вплив реальних характеристик діодів.

Однополуперіодні випрямлячі. Схеми однополуперіодних випрямлячів, приведені на мал. 1, відрізняються один від одного передаваною хвилею вхідного сигналу (позитивною або негативною) і знаком коефіцієнта передачі (що інвертують і не інвертують). Неінвертуючі однополуперіодні випрямлячі мають більш високий вхідний опір, ніж ті що інвертують. У інвертуючому випрямлячі діод VD1 відкривається на відповідній півхвилі сигналу, забезпечуючи його передачу на вихід з коефіцієнтом, визначуваним відношенням резисторів R1 і R2. Діод VD2 зміщений при цьому у зворотньому напрямі. Неінвертуючий випрямляч при передачі півхвилі, що попускається, працює приблизно так само, проте їх функціонування в режимі відсічення істотно розрізняється.

Схеми однополуперіодних випрямлячів

Як у інвертуючому, так і в неінвертуючому випрямлячах діод VD2 введений для підвищення їх швидкодії. Якщо виключити цей діод, то в режимі відсічення ОП входить в стан насичення.

При переході в режим пропускання ОП спочатку повинен вийти з насичення, а потім його вихідна напруга достатньо довго наростатиме до рівня відкривання діодаVD1. Введення діода VD2 запобігає насичення ОП іобмежує перепад його вихідної напруги при зміні полярності вхідного сигналу. У неінвертуючій схемі діод VD2 забезпечує обмеження вихідної напруги ОП шляхом замикання його виходу на землю, тому ОП повинен допускати коротке замикання на виході впродовжне обмеженого часу. Крім того, в неінвертуючій схемі операційний підсилювач повинен мати велику допустиму диференціальну вхідну напругу і малий час відновлення з режиму обмеження вихідного струму. Істотним недоліком представлених вище схем є їхвисокий вихідний опір, що має, до того ж, нелінійний характер.

Двуполуперіодні випрямлячі. Найпростіше реалізуються прецизійні двуполуперіодні випрямлячі з незаземленим навантаженням, наприклад, стрілочним міліамперметром. Схема такого пристрою приведена на мал. 2. Тут операційний підсилювач служить в якост ікерованого по напрузі джерела струму. Тому вихідний струм не залежить від падіння напруги на діодах і опору навантаження Rн.

Двуполуперіодний випрямляч з незаземленим навантаженням

Мостова схема випрямляє обидві півхвилі вхідного сигналу, при цьому випрямлений струм протікає через навантаження:

Iвых=|Uвх|/R.

Ця схема не вимагає узгодження резисторів і має високий вхідний опір.

Проста схема двуполуперіодного випрямляча із заземленим навантаженням приведена на мал. 3а. Тут використовується диференціальне включення ОП.

Двуполуперіодний випрямляч з заземленним діодом

Позитивна півхвиля вхідної напруги замикає діод, внаслідок чого схема працює в режимі неінвертуючого підсилювача з коефіцієнтом передачі, рівним одиниці і Uвых = Uвх. Негативна півхвиля відкриває діод. Якби пряме падіння напруги на діоді дорівнювала нулю, то схема працювала б в режимі інвертуючого підсилювача з одиничним коефіцієнтом і Uвых=-Uвх. Схема дуже проста, але із-за нерівності нулю прямої напруги на діоді остання рівність виконується з великою погрішністю. Точність можна підвищити, якщо в схемі на мал. 3а замінити діод VD1 моделлю ідеального діода на ОП2 (мал. 3б). Тут при позитивній півхвилі вхідного сигналу вихідна напруга ОП2 буде негативною, внаслідок чого діод VD1 закриється, а VD2 відкриється. Вихід підсилювача ОП2 буде сполучений із загальною точкою практично накоротко, і ланцюг зворотного зв'язку підсилювача розімкнений. Підсилювач ОП1 працює в режимі неінвертуючого повторювач. При негативній півхвилі вхідного сигналу діод VD1 відкритий, а діод VD2 закритий.

Ланцюг зворотнього зв'язку ОП2 замкнутий через відкритий діод VD1, тому напруга між входами ОП2, а отже і на неінвертуючому вході ОП1, близько до нуля. Тоді підсилювач ОП1 працює в режимі інвертуючого повторювача. Схема на мал. 3б досить проста, але має різний вхідний опір для позитивних і негативних сигналів і вимагає узгодження резисторів R1. Підсилювач ОП2 повинен допускати коротке замикання виходу і велику диференціальну напругу.

Кращі характеристики має схема, приведена на мал.4, в якій застосовано інвертуюче включення операційних підсилювачів. Схема включає суматор на ОП2 і однополуперіодний випрямляч на ОП1 (див. ліву нижнюсхему на мал. 28).

Схема випрямляча, в якій ОП працюють у лінійному режимі

Передусім розглянемо принцип роботи ОП1. При позитивній вхідній напрузі він працює як інвертуючийпідсилювач. В цьому випадку напруга U2 негативно, тобтодіод VD1 проводить, а VD2 закритий, тому U1 = - Uвх. Принегативній вхідній напрузі U2 позитивно, тобто діод VD1закритий, а VD2 проводить і замикає ланцюг негативногозворотного зв'язку підсилювача, який перешкоджаєнасиченню підсилювача ОП1. Тому точка підсумовуваннязалишається під нульовим потенціалом. Оскільки діодVD1 закритий, напруга U1 також дорівнює нулю.Справедливі співвідношення:

Підключення суматора на ОП2 забезпечуєдвуполуперіодне випрямлення. Суматор формує напругу

U>вых = -(Uвх + 2U1).

Враховуючи формулу (35), отримуємо

Це і є шукана функція двуполуперіодного випрямляча.

Гідністю розглянутої схеми є рівний вхідний опір длярізних полярностей вхідного сигналу і відсутністьсинфазної напруги на входах підсилювачів. Недолік -необхідність погоджувати більше число резисторів, чим всхемі на мал. 30б.

Схема однополупериодного випрямляча.



Осцилограма однополупериодного випрямляча.

Схема двухполупериодного випрямляча.

Осцилограма двухполупериодного випрямляча.



Схема мостового двухполупериодного випрямляча.

Осцилограма мостового двухполупериодного випрямляча.

Основні характеристики випрямлювачів:

Основними характеристиками випрямлювачів є:

· Номінальна напруга постійного струму - середнє значення випрямленного напруги, задана технічними вимогами. Звичайно вказується напруга до фільтра U0 і напруга після фільтра (чи окремих його ланок - U. Визначається значенням напруги, необхідним для що живлятьсявипрямителем пристроїв.

· Номінальний випрямленний струм I0 - середнє значення випрямленного струму, тобто його постійна складова, заданими технічними вимогами. Визначається результуючим струмом усіх ланцюгів що живляться випрямителем.

· Напруга мережі Uсети - напруга мережі перемінного струму, що харчує випрямлювач. Стандартне значення цієї напруги для побутової мережі -220 вольтів з відхиленнями, що допускаються, не більш 10 %.

· Пульсація - перемінна складова чи напруги струму на виході випрямляча. Це якісний показник випрямляча.

· Частота пульсацій - частота найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча. Для самої простой-однополуперіодної схеми випрямляча частота пульсацій дорівнює частоті живильної мережі. Двухполуперіодні, мостові схеми і схеми подвоєння напруги дають пульсації, частота яких дорівнює подвоєній частоті живильної мережі. Багатофазні схеми випрямлення мають частоту пульсацій, що залежить від схеми випрямляча і числа фаз.

· Коефіцієнт пульсацій - відношення амплітуди найбільше різко вираженої гармонійний складової чи напруги токи на виході випрямляча до середнього значення чи напруги струму. Розрізняють коефіцієнт пульсацій на вході фільтра (p0 % ) і коефіцієнт пульсацій на виході фільтра (p %). Значення коефіцієнта, що допускаються, пульсацій на виході фільтра визначаються характером навантаження.

· Коефіцієнт фільтрації (коефіцієнт згладжування) - відношення коефіцієнта пульсацій на вході фільтра до коефіцієнта пульсацій на виході фільтра

k з = p0 / p

Для багатоланкових фільтрів коефіцієнт фільтрації дорівнює добутку коефіцієнтів фільтрації окремих ланок.

· Коливання (нестабільність) напруги на виході випрямляча -зміна напруги постійного струму щодо номінального. При відсутності стабілізаторів напруги визначаються відхиленнями напруги мережі.

Схеми випрямлювачів.

Випрямлячі, застосовувані для однофазної побутової мережі виконуються по 4 основним схемам: однополуперіодної, двухполуперіодної з нульовою крапкою(чи просто- двухполуперіодної), двухполуперіодної бруківки(чи просто -бруківки, рідше називається як “схема Греца”), і схема подвоєння(множення) напруги(схема Латура). Для багатофазних промислових мереж застосовуються два різновиди схем: Однополуперіодна багатофазна і схема Ларионова.

Найчастіше використовуються трифазні схеми випрямлювачів.

Основні показники, що характеризують схеми випрямлювачів можуть бути розбиті на 3 групи:

· Стосовні до усьому випрямителю в цілому: U0 -напруга постійного струму до фільтра, I0 - середнє значення випрямленного струму, p0 - коефіцієнт пульсацій на вході фільтра.

· Визначальні вибір випрямного елемента (вентиля): Uобр - зворотна напруга (напруга на випрямному елементі(вентилі) у непровідну частину періоду), Iмакс - максимальний струм минаючий через випрямний елемент (вентиль) у провідну частину періоду.

· Визначальні вибір трансформатора: U2 - діюче значення напруги на вторинній обмотці трансформатора, I2 - діюче значення струму у вторинній обмотці трансформатора, Pтр - розрахункова потужність трансформатора.

Основні характеристики різних схем випрямлення.

Порівняння схем випрямлення й орієнтований розрахунок випрямляча можна зробити використовуючи дані з таблиці.

Тип схеми	Uобр	I макс	I 2	U 2	C 0 *	P0 %	U C0
Однополуперіодна	3 U0	7 I 0	2 I 0	0,75U0	60 I 0/U0	600 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	1,2U0
Двухполуперіодна	3 U0	3,5 I 0	I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	1,2U0
Бруківка	1,5 U0	3,5 I 0	1,41 I 0	0,75U0	30 I 0/U0	300 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	1.2U0
Подвоєння напруги	1,5 U0	7 I 0	2,8 I 0	0,38U0	125 I 0/U0	1250 I0 ЇЇЇЇЇЇ U0 *C0	0,6U0

* Значення ємності конденсатора розраховане для P0 % = 10 %

Задавши значенням напруги на виході випрямляча U0 і значенням номінального струму в навантаженні(середнього значення випрямленного струму) I 0, можна без праці визначити напруга вторинної обмотки трансформатора, струм у вторинній обмотці, максимально припустимий струм вентилів, зворотна напруга на вентилях, а також робоча напруга конденсатора фільтра. Задавши необхідним коефіцієнтом пульсацій, можна розрахувати значення ємності на виході випрямляча.

Однополуперіодний випрямлювач.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

U2 - Напруга на вторинній обмотці трансформатора

Uн - Напруга на навантаженні.

Uн0 - Напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

Як видно на осцилограмах напруга з вторинної обмотки трансформатора проходить через вентиль на навантаження тільки в позитивні напівперіоди перемінної напруги. У негативні напівперіоди вентиль закритий і напруга в навантаження подається тільки з зарядженого в попередній напівперіод конденсатора. При відсутності конденсатора пульсації випрямленного напруги досить значні.

Недоліками такої схеми випрямлення є: Високий рівень пульсації випрямленного напруги, низький КПД, значно більший, ніж в інших схемах, вага трансформатора і нераціональне використання в трансформаторі міді і стали.

Дана схема випрямляча застосовується вкрай рідко і тільки в тих випадках, коли випрямлювач використовується для харчування ланцюгів з низьким струмом споживання.

Двухполуперіодний випрямлювач з нульовою крапкою.

Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на малюнку.

U2 - Напруга на одній половині вторинної обмотки трансформатора

Uн - Напруга на навантаженні.

Uн0 - Напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.

У цьому випрямлячі використовуються два вентилі, що мають загальне навантаження і дві однакові вторинні обмотки трансформатора(чи одну із середньою крапкою).

Практично схема являє собою два однополуперіодних випрямляча, що мають два різних джерела і загальне навантаження. В одному напівперіоді перемінної напруги струм у навантаження проходить з однієї половини вторинної обмотки через один вентиль, в іншому напівперіоді - з іншої половини обмотки, через інший вентиль.

Перевага: Ця схема випрямляча має в 2 рази менше пульсації в порівнянні з однополуперіодної схемою випрямлення. Ємність конденсатора при однаковому з однополуперіодної схемою коефіцієнті пульсацій може бути в 2 рази менше.

Недоліки: Більш складна конструкція трансформатора і нераціональне використання в трансформаторі міді і стали.

Безтрансформаторні схеми небезпечні для використання!

Для харчування малогабаритної портативної апаратури зі струмами до 15-20 міліамперів можна застосовувати однополуперіодні чи бруківки схеми з конденсаторами, що гасять.

У цій схемі конденсатор Сгас виконує роль “безватного” реактивного опору, що утворить з активним опором навантаження своєрідний дільник напруги.

Реактивний опір конденсатора, що гасить, зазначено у формулі.

Дана схема може знайти застосування для заряду малогабаритних акумуляторів радіоприймачів, радиостанций і радіотелефонів.

При конструюванні й експлуатації випрямляча також необхідно дотримувати обережність!

Деякі рекомендації з роботи з випрямлячами.

Вторинні обмотки трансформаторів необхідно завжди захищати плавкими запобіжниками. У цьому випадку коротке замикання в ланцюзі навантаження не приведе до таких наслідків як вихід з ладу трансформатора і тим більше не приведе до загоряння апаратури.

Часто при конструюванні випрямлювачів виявляється, що немає потрібних вентилів(діодів) чи конденсаторов.з потрібними характеристиками. У такому випадку можна застосувати рівнобіжне чи послідовне з'єднання чи вентилів конденсаторів.

Що при цьому потрібно пам'ятати?

Якщо наявні вентилі (діоди) по припустимому струмі менше розрахункового максимального струму, можна застосувати рівнобіжне з'єднання таких діодів, помноживши їхній припустимий струм на кількість діодів у “зв'язуванні”.

У випадку, якщо припустима зворотна напруга вентилів (діодів) менше розрахованого значення, можна застосувати їхнє послідовне з'єднання, уключивши паралельно кожному діоду шунтирующие резистори, що вирівняють зворотна напруга між діодами. Величину опору шунта розраховують по формулі:

Rш = 700 * Uобр / N для діодів з Uобр менше 200 В и Імакс = 1 - 10 Ампер

Rш = 150 * Uобр / N для діодів з Uобр більш 200 В и Iмакс менш 0,3 Ампер

У випадку якщо ємність конденсатора менше розрахункової, можна застосувати рівнобіжне включення декількох конденсаторів, що мають робочу напругу не менше розрахункового.

У випадку, якщо робоча напруга конденсаторів менше припустимого для конкретної схеми, можна застосувати послідовне включення конденсаторів, не забуваючи, що загальна ємність у цьому випадку зменшиться в стільки разів, скільки конденсаторів буде включено в послідовний ланцюг.

Таку схему застосовувати можна тільки в крайньому випадку, оскільки в такій схемі пробій(коротке замикання) одного конденсатора викликає “ланцюгову реакцію”, тому що на, що залишилися в роботі конденсатори буде прикладене більша напруга, чим було до замикання одного з них. Шунтування конденсаторів резисторами в цьому випадку не рятує апаратуру від послідовного виходу з ладу конденсаторів у всьому ланцюжку. Краще застосувати послідовне з'єднання декількох випрямлювачів, розрахованих на більш низьку напругу. Тоді при пробої одного з конденсаторів вихідна напруга проста знизиться.

У цій статті приведена тільки коротка інформація зі схем випрямлювачів. Більш докладно про розрахунок випрямлювачів можна прочитати у всілякій літературі.

При підготовці статті використана література:

В.Я. Брускин “Номограми для радіоаматорів” МРБ 1972 рік.

Б.Богданович, Е.Ваксер “Короткий радіотехнічний довідник” Бєларус 1968 рік.

Випрямлячем називають перетворювачі електричної енергії, що представляють собою напівпровідникові або електровакуумні пристрої, перетворюють змінний вхідний струм в постійний вихідний. ЕФС будують за полумостовой або мостовою схемою, докладний утворення якої ми і розглянемо.

Суть і пристрій двухполуперіодних випрямлячів

Велика частина зазначених приладів створює односпрямоване пульсує напруга. Щоб згладити пульсацію, використовують спеціальні фільтри.

Для поліпшення параметрів випрямляча необхідно забезпечення протікання струму до обох напівперіодами вхідної напруги. З цією метою використовуються два типи схем однополупериодного випрямлення, які працюють як противофазно, так і синхронно з єдиною навантаженням.

При такому включенні буде потрібно два джерела первинної напруги, які будуть володіти загальною крапкою. Така схема носить назву «ЕФС з середньою точкою». При цьому середнє значення напруги струму в навантажувальних резисторах при двопівперіодним випрямленні буде перевищувати подібні показники однополуперіодної схеми вдвічі.

Необхідно відзначити, що у двухполупеіодной схеми, що володіє середньою точкою, є свої негативні моменти. Коли струм мине один діод, на протилежному зворотна напруга в піковій фазі досягає свого подвоєного вхідного максимальної напруги, про що необхідно пам'ятати, вибираючи діоди для випрямляча.

У зв'язку з цим розглянемо більш детально ЕФС, що володіє металлоемкой схемою , що має велике активне еквівалентне внутрішньо опір. Це обумовлює наявність великих втрат, пов'язаних із значним нагрівом обмотки трансформатора.

При побудові такої схеми, яка має згладжуючим конденсатором, необхідно враховувати те, що вимірювання змінної напруги завжди здійснюється в діючих значеннях, які значно менше максимальної амплітуди. При відсутності навантаження на конденсаторі випрямлена напруга завжди одно амплітудному. Це означає, що ЕФС, що має однофазний змінний струм 12 В на конденсаторі, при відсутності навантаження отримає напругу, рівну 17 В. Виходячи з цього, можна зробити висновок про те, що під навантаженням випрямлена напруга знижується, але не стає менше існуючого напруги змінних струмів і визначатиметься ємністю згладжує конденсатора.

Схему такого випрямляча можна описати таким чином. З метою придушення перешкод первинна обмотка трансформатора підключається до фільтру, до складу якого входять два конденсатори з приєднаною середньою точкою до землі. Вони в обов'язковому порядку однополярні, а з метою зменшення ймовірності пробою номінальну напругу у них становить 200 В.

Як правило, вмикач встановлюється перед конденсатором, що необхідно для перешкоджання подачі мережевої напруги при працюючому випрямлячі на конденсатори. ЕФС має вторинну обмотку трансформатора з центральним висновком, але при бруківці схемою в даному виведенні немає необхідності. Фільтром для випрямляча служать два конденсатори і послідовний резистор. Однак при низькому рівні пульсації допустимо додавання на виході ще одного конденсатора і резистора.

Так як електричні машини працюють за принципом оборотності, випрямлячі напругиразом з інвертором є двома типами електричної машини. Інвертором називають пристрій, перетворювати постійну напругу в змінну.

Внутрішня структура таймера

Мікросхема складається з дільника напруги з двома опорними напругами для порівняння , двох прецизійних компараторів (низького і високого рівнів), RS -тригера з додатковим входом скидання , транзисторного ключа з відкритим колектором і вихідного підсилювача потужності для збільшення навантажувальної здатності (Рис 1.1.).

Внутрішня структура таймера NE555

Номінальна напруга живлення базової версії мікросхеми може перебувати в межах від 5 В ± 10 % до 15 В ± 10 % (тобто 4,5 ... 16,5 В) , проте деякі виробники підняли верхню межу напруги живлення до 18 В . КМОП- версії відрізняються можливістю роботи при зниженій напрузі живлення(від 2 В).

Максимальний вихідний струм для вітчизняної КР1006ВІ1 і КМОП- версій таймера становить 100 мА. Більшість нині випускаються зарубіжних аналогів , виконаних за біполярної технології , допускає вихідний струм до 200 мА і більше.

NE555 найчастіше випускається в корпусі PDIP8 і SO8, але зустрічаються й інші варіанти корпусу. На схемах звичайно позначається у вигляді прямокутника з написом "G1/GN", яка розшифровується як спеціалізований генератор, який використовується для формування одиночних імпульсів або серій імпульсів. Розташування виходів є стандартним.

Значення виводів:

Земля (GND). Мінус живлення.

Запуск (Trigger). Коли напруга на цьому виході стає нижче 1/2 від CTRL, на виході з'являється напруга високого рівня, починається відлік часу.

Вихід (Output). На цьому виводі формується один з двох напруг, приблизно відповідних GND і VCC - 1,5 В, в залежності від стану таймера.

Скидання (Reset). При подачі на цей вхід напруги менше 0,7 В вихід мікросхеми примусово переходить в стан низького рівня (перемикається на GND). Це відбувається незалежно від стану інших входів, тобто даний вхід має найвищий пріоритет. Іншими словами, високий рівень напруги на даному вході (більше 0,7 В) дозволяє запуск таймера, в іншому випадку запуск заборонений.

Контроль (Control Voltage). Підключений безпосередньо до внутрішнього дільнику напруги. При відсутності зовнішнього сигналу має напругу 2/3 від VCC. Визначає пороги зупинки і запуску.

Стоп (Threshold). Коли напруга на цьому виводі перевищує напругу на виводі CTRL, на виході встановлюється напруга низького рівня, інтервал закінчується. Зупинка можлива, якщо на вхід TRIG не надходить сигнал запуску, тому що вхід TRIG має пріоритет над THR (виняток - мікросхема КР1006ВІ1).

Розряд (Discharge). Вихід типу «відкритий колектор», зазвичай використовується для розрядки часозадающего конденсатора між інтервалами. Стан цього виходу повторє стан основного виходу OUT, ??тому можливо їх паралельне з'єднання для збільшення навантажувальної здатності таймера по втікающому току.

Живлення (Vcc). Плюс живлення.



2. Генератори на таймері NE555

Діапазон частот , генерований таймером , досить широкий: від найнижчої частоти , період якої може досягати декількох годин , до частот у кілька десятків кілогерц . Все залежить від елементів ланцюга,котрі задають час.

Якщо не потрібно строго прямокутна форма сигналу , то можна згенерувати частоту до декількох мегагерц. Іноді таке цілком допускається , - форма не важлива , але імпульси присутні. Найчастіше така недбалість з приводу форми імпульсів допускається в цифровій техніці. Наприклад , лічильник імпульсів реагує на фронт або спад імпульсу. Погодьтеся , в цьому випадку « прямоугольность » імпульсу ніякого значення не має. Розглянемо принцип роботи генераторів на прикладі генератора імпульсів форми меандр.

2.1 Генератор імпульсів форми меандр

Один з можливих варіантів генератора імпульсів форми меандр показаний на рис 2.1.



Схема генераторів імпульсів форми меандр

Верхній графік ілюструє сигнал на виході ( вивід 3 ) таймера. А на нижньому графіку показано , як змінюється напруга на конденсаторі,що задає час.

Справа в тому , що при включенні схеми на конденсаторі C1 напруга дорівнює нулю , саме воно і переведе вихід таймера в стан високого рівня , як показано на Рис2.2 . Конденсатор C1 починає заряджатися через резистор R1.

Напруга на конденсаторі зростає по експоненті доти , поки не досягне порога верхнього порогу спрацьовування 2 / 3 * U. В результаті таймер перемикається в нульовий стан , тому конденсатор C1 починає розряджатися до нижнього порогу спрацьовування 1 / 3 * U. По досягненні цього порога на виході таймера встановлюється високий рівень і все починається спочатку. Формується новий період коливань .

Тут слід звернути увагу на те , що конденсатор C1 заряджається і розряджається через один і той же резистор R1. Тому час заряду і розряду рівні , а , отже , форма коливань на виході такого генератора близька до меандру .

Частота коливань такого генератора описується формулою :

Якщо опір резистора R1 при розрахунках вказати в Омах , а ємність конденсатора C1 в Фарадах , то частота вийде в Герцах . Якщо ж у цій формулі опір буде виражено в кілоомах ( КОМ) , а ємність конденсатора в мікрофарадах ( мкФ ) результат вийде в кілогерц ( КГц) . Щоб вийшов генератор з регульованою частотою , то досить резистор R1 замінити змінним .



3. Розробка макетів генератора прямокутних та пилоподібних імпульсів

3.1 Генератор пилоподібних імпульсів

Генератор пилоподібних імпульсів може бути сформований безліччю способів і один з найпопулярніших способів є заряд конденсатора стабільним струмом. При цьому напруга на конденсаторі буде лінійно зростати,і якщо повністю розряджати конденсатор при досяганні на ньому максимальної напруги,то буде сформований пилоподібний сигнал. В такому випадку схему називають релаксіонним генератором.

Принципіальна схема генератора на інтегральному таймері NE555 пилоподібної напруги зображена на рис.3.1. Вона складається з джерела стабільного струму, виконаного на транзисторі VT1 та стабілітроні D1,і вузла управління розряду, виконаного на мікросхему інтегрального таймера NE555 та діоду D2. Також схема була доповнена захистом діоду D3,LED1 та резистором R3 для захисту від неправильної полярності струму.

Принципіальна схема генератора пилоподібних імпульсів

Вихід 3 таймера з'єднаний зі входом 5 через діод D2 , що дозволяє знизити напругу на внутрішньому дільнику до нуля при наявності на виході таймера сигналу низького рівня. Така конфігурація дозволяє майже повністю розрядити конденсатор С1. Як тільки конденсатор розрядиться до деякогої мінімальної напруги , то таймер перемикається і конденсатор починає заряджатися від джерела струму , і далі процесс циклічно повторюється. Частота коливань генератора пилкоподібної напруги залежить від ємності конденсатора С1 і опору резистора R1. Частота визначається за формулою

За вказаних на схемі номіналах вона становитиме приблизно 4 кГц.

Струм, що протікає через резистор R1 повинен бути невеликим , так як в процесі розряду конденсатора вихід джерела струму замикається на землю. Цей струм розраховується за формулою

де VD1 - це напруга стабілізації стабілітрона D1 ( в даному випадку 4,7 В) і Vbe - пряма напруга на переході база- емітер транзистора VT1 ( 0,7 В). Для отримання хорошої форми сигналу струм, що протікає через резистор R1 не повинен перевищувати 20 мА.

Перед початком роботи були вибрані відповідні елементи

Елементи для генератора пилоподібних імпульсів.

Була створена друкована плата в программному забезпеченні PCAD PCB, де були розведені доріжки(рис. 3.3.). У схемі було зроблено 8 виводів (рахунок починається зліва), для використання в лабораторних умовах.

Номер виводу	Значення
1	GND
2	+Uпит
3	-Uпит
4	in
5	-DAI
6	outDAI
7	D1 D2 Rн
8	D3 D4 Rн

Друкована плата генератора пилоподібних імпульсів.

Після паяння плати,ми перевірили її роботи на цифровому осцилографі. Підключивши його до виводу №3 та зняли вольт амперні характеристики(рис.3.4.).

Готова схема генератора пилоподібних імпульсів зображена на рис.3.5.

Сигнал на виході №3

Макетна плата генератора пилоподібних імпульсів



3.2 Генератор прямокутних імпульсів.

Схема генератора прямокутної та трикутної напруги з незалежним регулюванням переднього та заднього фронтів була вдосконалена захистом від неправильної полярності. Перевагою даної схеми є здатність генерування двох типів імпульсів. Схема зображена на рис.3.6.

Схема генератора прямокутних та трикутних імпульсів.

Розглянемо схему генератору внутрішня синхронізація якого створює трикутник хвилі, схили, яких можуть бути встановлені повністю незалежним управлінням. Одночасно NE555 вихід (вивід 3) забезпечує прямокутну форму хвилі на низький імпеданс, яка синхронізується з трикутним сигналом. Транзистор Q1 замкнутий на землю через діоди D3 і D5. Транзистор Q2 за цей час лінійно розряджає часовий конденсатор С. Напруга на С падає до 1/3Vcc- встановлюється дільник внутрішньої напруги,що зміщує два компаратора в NE5555. Коли напруга напруг на конденсаторі досягає 2/3 Vcc вихід таймера переходить на низький рівень і цикл повторюється.

Перед початком роботи були обрані відповідні елементи(таблиця 3) та створена друкована плата в програмному забезпеченні PCAD PCB(рис.3,7).

Друкована плата генератору прямокутних та трикутних імпульсів.

Позначення	Найменування	Кількість
R1,R2,R3,R4,R5	Резистор 100 Ом	5
VR1,VR2	Резистор 1 кОм	2
Q1	Транзистор SS9012	1
Q2	Транзистор SS9013	1
D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7	Діод BAV21	7
LED1	Діод	1
NE	Мікросхема NE555	1
C1	Конденсатор 1мкФ,50 В	1

У правому верхньому кутку було зроблено 8 виводів,для зручної роботи в лабораторних умовах. Після травління та паяння плати,ми перевірили її роботу підключивши джерело живлення та осцилограф.

Значення виводів.

Номер виводу	Значення
1	Земля (GND)
2	OUT1
3	OUT2
4	База Q1
5	База Q2
6	Колектор Q1
7	Колектор Q2
8	Живлення +15В

Готова макетна плата генератора прямокутних та пилоподібних імпульсів.



Висновки

Метою даної курсової роботи є дослідження та розробка макетних плат для подальших лабораторних робіт. Ці плати реалізовані на аналоговій інтегральній схемі NE555. Аналоговий таймер NE555 - це пристрій для формування (генерації) одноразових і повторюваних імпульсів зі стабільними часовими характеристиками. Використовується у генераторах, модуляторах, реле часу, порогових пристроях та в іншій електронній апаратурі. На друкованих платах використано таймер у пластиковому DIP-корпусі. Мікросхема включає в себе близько 20 транзисторів, 15 резисторів та 2 діоди. Таймер має вісім ніжок, кожна з яких відповідає за певні дії

Після знаходження потрібних схем, були підібрані потрібні елементи для подальшого їх монтажу на плату. У середовищі PCAD PCB були певним чином з'єднанні елементи та розведені доріжки для підготовки до пайки обох схем.

Готові плати наступним чином були перевіренні: підключення до комп'ютера для знаття характеристик, порівнянна з типовими (теоретичними) значеннями і лише після цього у схему були вмонтовані пластмасові ніжки та наклеєні написи для розрізнення.



Список використаної літератури

1. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Издательский дом «Додека-ХХІ», 2005. - 528 с.

2. Интегральный таймер NE555 [Электронный ресурс]: http://electrik.info/main/praktika/654-integralnyy-taymer-ne555.html

3. Описание таймера NE555 [Электронный ресурс]: http://www.joyta.ru/619-opisanie-tajmera-ne555/

4. Форум по электронике [Элетронный ресурс]: http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=34397&st=1740

5. Генератор пилообразного напряжения на 555 таймере [Электронный ресурс]: http://zpostbox.ru/sawtooth_wave_generator_based_on_555_timer.html

Размещено на Allbest.ru

...