Электроника и электротехника Работа электрических машин и аппаратов Асинхронный двигатель Элементы зонной теории твердого тела Проводниковые материалы Полупроводниковые материалы

Расчет мостового выпрямителя с фильтром

Исходными данными для расчета выпрямителя являются:

Uно – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке;

Iо – среднее значение выпрямленного тока;

U1 – напряжение сети;

Кп.вых – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке.

Рис. 2.1. Схема мостового выпрямителя с фильтром

В приводимых ниже расчетах напряжение выражается в вольтах, ток – в миллиамперах, сопротивление – в Омах, емкость – в микрофарадах, коэффициент пульсаций в процентах.

Произведем расчет со следующими данными.

Дано: Uно = 4 В; Iо = 2 А; U1 = 220 В; Кп.вых = 2 %.

2.1. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА

1. Для выбора типа диодов, определяют обратное напряжение на вентиле

Uобр =1,5·Uо = 1,5 · 1,2 · 4 = 7,2 В,

где Uо = 1,2 · Uно – напряжение на входе сглаживающего фильтра должно быть больше напряжения на нагрузке, т.к. учитывает потери напряжения на фильтре. 

Средний ток через вентиль

Iа ср = 0,5·Iо = 0,5 · 2 = 1 А.

Выбираем диоды КД130АС с Iср = 3 А; Uобр.М = 50 В

Выбор диода производится по этим двум параметрам Iа.ср и Uобр. Из справочника выписывают максимальное обратное напряжение, средний ток и внутреннее сопротивление вентиля Ri. Если величины Ri в справочнике нет, то его легко рассчитать. При падении напряжения на кремниевом диоде UД = 0,7 В величина Ri = UД / Iа ср = 0,7 / 1 = 0,7 Ом.

2. Расчет трансформатора при Uо = 1,2 · Uно = 1,2 · 4 = 4,8 В:

Определяют сопротивление трансформатора

1132 Ом.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

 11,5 В.

Токи обмоток

2,9 A, 

 0,18 A.

Вычисляется габаритная мощность трансформатора, которая для двухполупериодной схемы определяется выражением

57 В∙А.

Далее находится произведение площади сечения сердечника трансформатора Qc на площадь окна сердечника Q0, которое в зависимости от марки провода обмотки равно, см4: 

QС Q0 = 1,6·Pг для провода марки ПЭЛ;

QС Q0 = 2,0·Pг для провода марки ПЭШО;

QС Q0 = 2,4·Pг для провода марки ПШД.


Таблица 3.1

Тип

пластины

Размеры

Пределы

Qc Q0, см4

ширина

среднего

стержня

а, см

ширина

окна

b, см

высота

окна

h, см

площадь

окна

Q0 = b h,

см2

Ш-10

Ш-10

Ш-10

Ш-12

УШ-12

Ш-12

Ш-14

Ш-14

Ш-15

Ш-16

УШ-16

Ш-18

Ш-19

Ш-20

Ш-20

УШ-22

Ш-25

Ш-25

Ш-28

УШ-30

Ш-32

УШ-35

УШ-40

1,0

1,0

1,0

1,2

1,2

1,2

1,4

1,4

1,5

1,6

1,6

1,8

1,9

2,0

2,0

2,2

2,5

2,5

2,8

3,0

3,2

3,5

4,0

0,5

0,65

1,2

0,6

0,8

1,6

0,7

0,9

1,35

0,8

1,0

0,9

1,2

1,0

1,7

1,4

2,5

3,15

1,4

1,9

3,6

2,2

2,6

1,5

1,8

3,6

1,8

2,2

4,8

2,1

2,5

2,7

2,4

2,8

2,7

3,35

3,0

4,7

3,9

6,0

5,8

4,2

5,3

7,2

6,15

7,2

0,75

1,17

4,32

1,08

1,76

7,68

1,47

2,25

3,65

1,92

2,8

2,43

4,02

3,0

7,99

5,46

15

18,3

5,88

10,1

25,9

13,5

18,7

0,75-1,5

1,17-2,34

4,32-8,64

1,56-3,12

2,53-5,06

11,1-22,2

2,88-5,76

4,41-8,82

8,21-16,4

4,91-9,82

7,17-14,3

7,87-15,7

14,5-29

12-24

32-64

26,4-52,8

93,7-180,7

114-228

46,5-93

91-182

265-530

165-330

300-600

Для провода ПЭЛ

QС Q0 = 1,6 · Pг = 1,6 · 57 = 91 см4.

Из таблицы 3.1, в которой приведены основные данные типовых Ш-образных пластин, по значению QС Q0 выбирают тип пластины и выписывают все ее параметры.

Выбираем пластины УШ-30 с а = 3 см; b = 1,9 см; h = 5,3 см; Q0 = b h = 10,1 см2.

При этом получают

QС = (QС Q0) / Q0 = 91 / 10,1 = 9 см2.

Необходимая толщина пакета пластин c = QС / a = 9 / 3 = 3 см.

Отношение с/а рекомендуется брать в пределах 1…2. Если оно выйдет за эти пределы, то необходимо выбрать другой тип пластин.

Определяют число витков w и толщину провода d первичной и вторичной обмоток трансформатора при плотности тока в обмотках j = 3 А/мм2:

d = 1,13 (I/j)1/2 = 1,13(I/3)1/2 = 0,65·I1/2,

w1 = 48 U1/ QС = 48 · 220 / 9 = 1173 вит.

d1 =0,65·I11/2 = 0,65 · 0,18½ = 0,28 мм,

w2 = 54 U2/ QС = 54 · 11,5 / 9 = 69 вит.,

d2 =0,65·I21/2 = 0,65· 2,91/2 = 1,1 мм.

3. Расчет фильтра. Емкость конденсатор на входе фильтра

Со =30·Iо / Uo = 30 · 2· 4,8 = 288 мкФ.

Выбирают электролитические конденсаторы по величине емкости и номинальному напряжению, причем Uс ≥ 1,2 Uo B.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на выходе фильтра

Кп.вх =300·Iо / (Uo· Co) = 300 · 2/(4,8 · 288) = 0,43 %.

Необходимый коэффициент сглаживания фильтра

q = Кп.вх / Кп.вых = 0,43 / 2 = 0,215.

В данной схеме выбран двухзвенный LC-фильтр. Коэффициент сглаживания одного звена

qзв =(q)1/2 = 0,2151/2 = 0,46.

Определяют произведение LфCф по формуле 

Lф Сф=2,5(qзв +1) = 2,5(0,45+1) = 3,63 Гн∙мкФ.

Задаются емкостью Сф так, чтобы индуктивность дросселя фильтра не превышала 5 – 10 Гн и определяют индуктивность дросселя. Принимаем Lф = 7 Гн.

Сф = 3,63 / 7 = 0,5 мкФ.

Находят сечение сердечника QС, число витков w и диаметр провода d обмотки дросселя:

Qс = Lф Io2/2 = 7· 22 / 2 = 14 см2;

w = 4·102/ Io =4·102/ 2 = 200 витков;

d = 0,65·Iо1/2 = 0,65·21/2 = 0,92 мм.

Сечение обмотки

Qw =w·d2/1000 = 200 · 0,922/100 = 1,92 см2.

QС QW = 14·1,92 = 27 см4.

По произведению QС QW из таблицы 3.1 выбирают тип сердечника и выписывают все параметры. С учетом объема, занимаемого стенками каркаса и изоляционными прокладками, сечение окна должно быть несколько больше сечения обмотки.

Выбираем пластины Ш-19 с а = 1,9 см; b = 1,2 см; h = 3,35 см; Q0 = b h = 4,02 см2.

4. Проверяют значение выпрямленного напряжения на нагрузке, для чего определяют среднюю длину витка обмотки lw и сопротивление провода обмотки Rw:

lw =π·(a + b) = π·(1,9 + 1,2) = 9,73 см;

Rw =2·w·lw/(104 d2) = 2·200·9,73 / (104 ·0,922) = 0,46 Ом.

При этом падение напряжение на двухзвенном фильтре

Uф =Rw · I0 = 0,46 · 2 = 0,92 B.

Напряжение на нагрузке

Uно = Uo – Uф = 4,8 – 0,92 = 3,88 B.

Если напряжение на нагрузке получается меньше заданного, то необходимо провести корректировочный расчет. Простейшим является увеличение, до необходимого значения, диаметра провода обмотки дросселя. Увеличение диаметра провода приведет к уменьшению сопротивления обмотки Rw, что в свою очередь вызовет уменьшение падения напряжения на фильтре Uф. При этом необходимо проверить, может ли новый провод разместиться в окне выбранного сердечника дросселя фильтра.

Расчет однотактного каскада усилителя мощности

Расчет компенсирующего стабилизатора постоянного напряжения Схема компенсационного стабилизатора напряжения Схема содержит три основных элемента: регулирующий элемент на транзисторах VТ1 и VТ2, усилительный элемент (усилитель постоянного тока) на транзисторе VТ3 и источник опорного напряжения на стабилитронах. Собственно регулирующим элементом является транзистор VТ1, а транзистор VТ2 является согласующим элементом между большим выходным сопротивлением усилителя постоянного тока и малым входным сопротив­лением регулирующего транзистора VТ1.

Расчет управляемого тиристорного выпрямителя

Расчет выпрямителя источника питания Выпрямитель преобразует переменное напряжение, полученное от сетевого трансформатора, в постоянное. Точнее сказать, выпрямитель выдает не постоянное, а пульсирующее напряжение, которое потом сглаживают фильтром. Для преобразования служат нелинейные элементы, называемые вентилями, которые бывают электронными (электровакуумные диоды, кенотроны), ионными (газонаполненные лампы: тиратроны, газотроны), полупроводниковыми (полупроводниковые диоды и диодные сборки). Последние практически полностью вытеснили другие вентили.

Двухполупериодные выпрямители Выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Расчет трансформаторов

Методика расчета трансформаторов Рассчитать трансформатор - это значит определить размеры магнитопровода, диаметры проводов и числа витков обмоток при известных трансформируемых напряжениях и мощностях. Изменением размеров окна и сечения магнитопровода можно получить ряд вариантов конструкции одного и того же трансформатора. При изготовлении трансформаторов в расчете часто приходится исходить из наличия имеющегося магнитопровода или пластин для его сборки.

Система схемотехнического моделирования Electronics Workbench предназначена для моделирования и анализа электрических схем. Программа Electronics Workbench позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных электронных компонентов. Есть возможность подключения и создания новых библиотек компонентов.

Рассмотрим алгоритм решения на примере цепи Если по условию задачи внутренним сопротивлением источников (r01, r02 т. д.) пренебречь нельзя, и они заданы, то их необходимо ввести в расчетную схему, включая последовательно с соответствующим источником. По признакам, данным в определении независимого контура, можно выделить следующие независимые контуры: a-b-c-g-a (контур I), c-d-e-g-c (контур II), a-g-e-f-a (контур III). 2. Направление обхода указывается стрелкой снаружи схемы. Направление обхода по контурам выбрали совпадающим с направлением движения часовой стрелки. 3. Направления контурных токов в независимых контурах выбрали такими же, как и направления обхода контуров, по часовой стрелке.

Рабочее задание: 1.По заданным значениям напряжения, частоты и параметров элементов найдите символическим методом токи во всех ветвях и напряжения на всех элементах цепи. 2.Составьте баланс комплексных мощностей. 3.Постройте в масштабе векторные диаграммы токов и напряжений.

Цель работы: настоящее домашнее задание ставит своей целью систематизировать знания, полученные при изучении раздела «электропривод» курса электротехники, и привить навык по выбору мощности двигателя для конкретного электропривода.

Содержание работы: 1. По заданной производительности производственного механизма выберете тип и серию (марку) двигателя для электропривода. 2. Рассчитайте мощность и ток, потребляемые двигателем из сети, а также номинальный момент и пусковой ток двигателя. 3. Изобразите схему управления и защиты и опишите принцип работы.

Особенности микроволнового диапазона и динамического принципа управления преобразованием энергии

Достоинства и недостатки использования микроволнового диапазона. Электромагнитные колебания микроволнового и оптического диапазонов обладают целым рядом специфических особенностей и свойств, отличающими их от смежных участков спектра. На сверхвысоких частотах длина волны соизмерима с линейными размерами физических тел. Геометрические размеры схемотехнических элементов аппаратуры, в том числе и антенн, также оказываются соизмеримыми с длиной волны и могут значительно превышать ее. Поэтому волны диапазона СВЧ обладают квазиоптическими свойствами, т. е. по характеру распространения приближаются к световым волнам. Наряду с этим принципы работы СВЧ устройств в значительной мере определяются явлениями дифракции и не могут непосредственно использовать законы геометрической оптики, а также законы обычных электрических цепей.

Особенности динамического принципа управления преобразованием Идея динамического управления процессом преобразования энергии предполагает возможность управления эффективностью энергообмена между электронным потоком, пронизывающем область локализации выходного электромагнитного поля и этим полем. При этом управление производится путем воздействия на электронный поток со стороны входного электромагнитного поля, локализованное в другом или том же самом межэлектродном промежутке.

Классификация приборов микроволнового диапазона В настоящее время разработано много приборов, отличающихся как принципом действия, так и областью применения. Электровакуумные приборы СВЧ диапазона могут быть по характеру энергообмена разделены на приборы типов О и М. В приборах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле или не используется совсем, или применяется только для фокусировки электронного потока и принципиального значения для процесса энергообмена не имеет.

Электрофизические свойства однородных и неоднородных полупроводников

Свободные носители зарядов в полупроводниках Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости (10-6—10-8 Ом-1см-1) являются промежуточными между проводниками и диэлектриками. Их удельная проводимость сильно зависит от температуры и концентрации примесей, а во многих случаях — и от различных внешних воздействий (света, электрического поля и др.). По своему составу полупроводники можно разделить на простые, если они образованы атомами одного химического элемента (например, германия Ge, кремния Si, селена Se), и сложные, если они являются химическим соединением или сплавом двух или нескольких химических элементов (например, антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAS и др.).

Равновесная концентрация СНЗ в примесных и беспримесных полупроводниках Равновесная концентрация зарядов в собственном полупроводнике Вероятность p нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии W определяется статистической функцией Ферми— Дирака

Движение СНЗ в электрическом поле В собственном полупроводнике при Т=0К электроны и дырки отсутствуют и внешнее напряжение не вызывает в нем ток. При Т>0К в отсутствии электрического поля электроны и дырки движутся хаотически. Если же к полупроводнику приложить внешнее напряжение, то внутри него возникает упорядоченное движение электронов в направлении положительного градиента потенциала du/dx, а дырок — в обратном направлении. В полупроводнике под влиянием различных энергетических воздействий может возникнуть неравновесная концентрация зарядов. После прекращения воздействия избыточные носители постепенно рекомбинируют и концентрация вновь становится равновесной.

Электрическим переходом называется слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами электропроводности (n-полупроводник, p-полупроводник, металл, диэлектрик) или разными величинами удельной электрической проводимости. Если переход создается между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа, то такой переход называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электрические и геометрические параметры p-n перехода Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов

Статическое и дифференциальное сопротивления Дифференциальное сопротивление определяется выражением Rдиф = dU/dI и характеризует крутизну ВАХ в рассматриваемой точке. Для идеализированного перехода по формуле (3.16) можно получить аналитическое выражение

Способы нарушения равновесия Равновесие в переходе может быть нарушено либо путем изменения напряженности поля в переходе, либо путем изменения концентрации СНЗ. Концентрация СНЗ как в переходе, так и прилегающих к нему областях полупроводника, может быть изменена, например, путем облучения полупроводника светом подходящей длины волны или путем любого другого воздействия, изменяющего скорость генерации (рекомбинации) свободных носителей заряда в этих областях. Она может быть изменена также путем принудительного введения (инжекции) в переход или, наоборот, путем принудительного извлечения (экстракции) из перехода СНЗ.

Рассмотрим в чем заключается эффект накопления заряда. В случае подачи на диод коротких импульсов напряжения длительностью порядка единиц или долей микросекунды необходимо учитывать инерционность его включения и выключения, обусловленную переходными процессами. При протекании прямого тока через диод в его базе из-за инжекции накапливаются неосновные неравновесные носители заряда. Если изменить полярность приложенного к диоду напряжения с прямой на обратную, этот заряд рассасывается постепенно, и возникающий обратный ток вследствие высокой концентрации неосновных неравновесных носителей в базе окажется вначале значительно больше статического тока насыщения; величина его будет ограничиваться лишь внешней нагрузкой. Следовательно, при быстром переключении с прямого напряжения на обратное диод запирается не сразу. Это явление связано со спецификой работы p-n-перехода и обусловлено так называемым эффектом накопления заряда.

Технологические особенности изготовления диодов СВЧ диапазона Характерной особенностью p-n-переходов диодов и транзисторов СВЧ-диапазона является их малая емкость, что достигается уменьшением площади перехода. Конструкция приборов на основе р-n-переходов и технология их изготовления должны обеспечивать точное и воспроизводимое выполнение как поперечных размеров перехода, так и толщины слоев полупроводниковых материалов, а также требуемый уровень и профиль легирования.


Электричество и электромагнетизм