Переменный ток. "Принцип выпрямления переменного тока. Однофазные полупериодные выпрямители. Мостовые выпрямители "
 Скачать 4.44 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ФЕРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ  КУРСОВАЯ РАБОТА Направление “Физики” Студент группы 20.14(р) Вохидов Зухриддин Дисциплина : “Основы радиоэлектроники” На тему: “Принцип выпрямления переменного тока. Однофазные полупериодные выпрямители. Мостовые выпрямители ” Руководитель Курсовой работы : Ш.С.Дехканов Фергана 2022 СОДЕРЖАНИЕ Введение………………………………………………………………………….3 Глава 1. Типичные схемы выпрямителей, их характеристики и принцип работы 1.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель………………………….6 1.2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель………………………….9 1.3. Мостовая схема выпрямителя……………………………………………..11 1.4. Основные параметры и характеристики выпрямительных устройств…..12 Глава 2. Сглаживающие фильтры 2.1 Сглаживающие фильтры…………………………………………………….13 2.2. Выпрямительные устройства с простым емкостным фильтром на выходе…………………………………………………………………………….14 2.3. Выпрямительные устройства, работающие на фильтры, содержащие индуктивность……………………………………………………………………17 2.4. Стабилизаторы напряжения………………………………………………..24 Заключение……………………………………………………………………….26 Список использованной литературы…………………………………………...27 выпрямитель напряжение фильтр мостовой Введение «Наш народ должен хорошо понимать: нам предстоит долгий и непростой путь. Если все мы все сплоченно будем идти вперед, обретать современные знания, честно и плодотворно трудиться, то наша жизнь, все наше общество обязательно изменятся к лучшему.» Шавкат Мирзиёев. Для многих современных электронных устройств необходима энергия постоянного тока. Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока, термоэлектогенераторы и выпрямители. Наиболее распространенным источником постоянного тока является выпрямитель. Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. По сравнению с другими источниками постоянного тока выпрямители обладают существенными преимуществами: они просты в эксплуатации и надежны в работе, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы. Структурная схема выпрямителя приведена на рисунке:  Трансформатор 1 предназначен для изменения питающего напряжения сети с целью получения заданной величины выпрямленного напряжения на нагрузке 4. С помощью выпрямителя 2 осуществляют преобразование переменного напряжения в пульсирующее. Фильтр 3 предназначен для сглаживания пульсаций выходного напряжения выпрямителя. В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые звенья приведенной структурной схемы, за исключением основного элемента - выпрямителя. Например, выпрямитель может быть включен в сеть без трансформатора или работа выпрямителя на нагрузку осуществляется без фильтра. С другой стороны, очень часто в состав выпрямителя входит стабилизатор напряжения или тока (схема, которая отслеживает все изменения напряжения или тока со стороны входа и выхода и поддерживает постоянным напряжение или ток на нагрузке), который можно включать на выходе (по постоянному току) или на входе (по переменному току). Питание электронной аппаратуры чаще всего осуществляется с помощью маломощных выпрямителей, работающих от однофазной сети переменного тока. Такие выпрямители называются однофазными, но существует соответственно и ещё один класс – многофазных выпрямителей (с нулевым выводом, мостовые схема Ларионова). Однофазные же выпрямители делятся в свою очередь на: а) однополупериодные, в которых ток через вентиль (прибор, имеющий несимметричную характеристику проводимости, малое сопротивление для прямого тока и большое сопротивление для обратного. С помощью которого переменное напряжение преобразуется в пульсирующее) проходит в течение одного полупериода переменного напряжения сети; б) двухполупериодные, в которых ток проходит через вентиль в течение обоих полупериодов; в) схемы с умножением напряжения. Актуальность темы курсовой работы: для многих современных электронных устройств необходима энергия постоянного тока. Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока, термоэлектогенераторы и выпрямители. Наиболее распространенным источником постоянного тока является выпрямитель. Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. По сравнению с другими источниками постоянного тока выпрямители обладают существенными преимуществами: они просты в эксплуатации и надежны в работе, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы. Для питания мощных промышленных установок используют выпрямители средней и большой мощности, работающие от трехфазной сети. В современных выпрямителях в качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды. В электронной аппаратуре широко применяются преобразователи постоянного напряжения, позволяющие преобразовать постоянный ток одного напряжения в постоянный или переменный ток другого напряжения. Цели и задачи курсовой работы: дать общую информацию о Принципах выпрямления переменного тока. Однофазные полупериодные выпрямители и мостовые выпрямители. Описание структуры курсовой работы: данная курсовая работа состоит из введение, двух глав, заключения, списка использованный литературы. В первой главе дается понятие типичные схемы выпрямителей, их характеристики принцип работы. Вторая глава включает в себя сглаживающие фильтры и Выпрямительные устройства, работающие на фильтры, содержащие индуктивности. Глава 1. Типичные схемы выпрямителей, их характеристики и принцип работы 1.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель    Рис.1.1. Схема однополупериодного выпрямителя В данной схеме используется полупроводниковый диод VD, обладающий нелинейной вольтамперной характеристикой (чаще всего кремниевый). Под действием синусоидального напряжения генератора в цепи нелинейного элемента возникает ток, приобретающий форму последовательности импульсов, т.к. ток в цепи диода существует только в течение положительных полуволн входного напряжения (из-за односторонней проводимости диода). Диаграмма работы однополупериодного выпрямителя показана ниже:   Рис. 1.2. Диаграмма работы однополупериодного выпрямителя Полученную последовательность импульсов тока, как и любой периодический несинусоидальный сигнал можно представить в виде постоянно составляющей I0 и периодических (гармонических) составляющих с частотами, кратными частоте приложенного напряжения U. C помощью разложения периодической функции в ряд Фурье, получаем:  (1.1.1)где I0 - постоянная составляющая тока, I1m-амплитуда 1-й гармоники тока, I2m,,Inm-амплитуды токов высших гармоник. Разложение несинусоидального сигнала показано на рисунке, где  Рис. 1.3. Разложение несинусоидального сигнала. 0- постоянная составляющая; 1- 1-я гармоника тока; 2,3- высшие гармоники тока. Амплитуды высших гармоник, как правило, уменьшаются с ростом их номера. Для представления периодической последовательности импульсов можно наряду с временной диаграммой использовать и спектральную, которая позволяет наглядно сравнивать значения постоянной составляющей и амплитуд с частотой первой и высших гармоник. На рисунке, приведённом ниже, показаны спектры входного напряжения и тока, протекающего через диод. Среднее за период значение выпрямленного тока, т.е. постоянная составляющая I0 определяется соотношением:  (1.1.2)где Ri-внутреннее сопротивление генератора; Rн - сопротивление нагрузки; Im-амплитуда импульса тока.   Рис. 1.4. а) спектр выходного напряжение б) спектр тока протекающего через диод Поэтому постоянное напряжение U0 на нагрузке Rн определяется выражением:  (1.1.3)Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций Кп; где U1m - амплитуда первой гармоники напряжений; U0 -постоянная составляющая напряжений. Т.к. для однополупериодной схемы амплитуда 1-й гармоники имеет значительную величину  . Выпрямленное напряжение с такими значительными пульсациями, как правило, не пригодно для практических целей. Для уменьшения коэффициента пульсации используется двухполупериодные схемы выпрямителей.1.2 Однофазный двух полупериодный выпрямитель  Рис. 1.5. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя. Подобный выпрямитель состоит из трансформатора, вторичная обмотка которого состоит из 2-х частей и 2-х полупроводниковых диодов.  Рис. 1.6. Форма импульсов тока при двухполупериодным выпрямлении Наличие средней точки трансформатора приводит к тому, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки w1 и w2 будет приложено к каждому из диодов VD1 и VD2. В течение положительного, для половины обмотки w1, полупериода диод VD1 открывается и возникает ток в цепи этого диода, протекающий через нагрузку. В течение отрицательного полупериода диод VD1 закрыт, и открывается диод VD2. В этом случае также возникает импульс тока через нагрузку. Таким образом, в цепи нагрузки ток протекает в течение обоих половин полупериода. Вследствие этого частота пульсаций тока в цепи нагрузки становится вдвое больше, чем частота синусоидального напряжения, приложенного к выпрямителю. Полученную последовательность импульсов можно представить в виде суммы постоянной составляющей I0 и суммы переменных составляющих с частотами, кратными удвоенному значению частоты выпрямленного напряжения:  Рис.1.7. Спектры а) входного напряжения б) тока протекающего через нагрузку Постоянная составляющая тока нагрузки I0 вдвое больше, чем при однополупериодном выпрямлении:  (1.2.1)а постоянная составляющая напряжения на нагрузке U0 равна:  (1.2.2)Коэффициент пульсаций в двухполупериодной схеме значительно меньше, чем в однополупериодной (Кп=0,67). Недостатком подобной схемы выпрямителя является увеличенное число витков вторичной обмотки. 1.3 Мостовая схема выпрямителя   Рис. 1.8. Мостовая схема выпрямителя В течение положительной полуволны входного напряжения открываются диоды VD1 и VD3, и в цепи нагрузки возникает импульс тока. Отрицательная волна напряжения открывает диоды VD2 и VD4, что также приводит к протеканию импульса тока через нагрузку. Мостовая схема имеет характеристики, аналогичные предыдущей схеме. Достоинством мостовой схемы является меньшее число витков вторичной обмотки, чем в предыдущей схеме. В настоящее время в схемах выпрямителя наиболее часто используют не отдельные диоды, а диодные сборки (КЦ 402, КД 405 и т.д.), состоящие из 4-х диодов, образующих мостовую схему. 1.4. Основные параметры и характеристики выпрямительных устройств1. Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2. 2. Амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2мах. 3. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке U0. 4. Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке I0. 5. Действующее значение напряжения пульсаций на нагрузке Uп. 6. Максимальные изменения напряжения на нагрузке Uвых. 7. Коэффициент пульсаций Кп (характеризует степень приближения кривой выпрямленного напряжения к прямой линии). 8. Коэффициент сглаживания Кс (это параметр фильтра). 9. Коэффициент полезного действия выпрямителя . 10. Амплитудное значение тока через диод. 11. Обратное напряжение на диоде наибольшая разность потенциалов, приложенная к диоду в тот момент времени, когда он не пропускает тока. Глава 2. Сглаживающие фильтры 2.1 Сглаживающие фильтры При работе схем выпрямителей выпрямленное напряжение всегда является пульсирующим и содержит кроме постоянной переменные составляющие. Поскольку в любой схеме выпрямителя коэффициент пульсаций выходного напряжения во много раз превышает пределы допустимых значений, на выходе выпрямителей включают сглаживающие фильтры. Основными требованиями, предъявляемыми к сглаживающему фильтру, являются уменьшение переменной составляющей и минимальное уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Последнее связано с тем, что фильтр включают между выпрямителем и нагрузкой и через него проходит весь ток нагрузки. При этом одновременно с уменьшением переменной составляющей за счет потерь в фильтре уменьшается и постоянная составляющая выпрямленного напряжения.  Рис. 2.1. Частотная характеристика сглаживающего фильтра Одним из основных параметров фильтра является коэффициент сглаживания. Коэффициентом сглаживания g называют отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра: g= Кп вх/Кп вых. Роль простейших сглаживающих фильтров могут играть индуктивны катушки (дроссели), включенные последовательно с нагрузкой, и конденсаторы, включенные параллельно нагрузке. 2.2 Выпрямительные устройства с простым емкостным фильтром на выходе Назначение конденсатора на выходе выпрямителя сглаживать пульсацию в выпрямленном напряжении. При подключении конденсатора фильтра характер нагрузки становится емкостным. Наличие конденсатора в схеме выпрямителя существенно меняет режим работы полупроводниковых диодов: напряжение на конденсаторе в определенный момент времени делает потенциал катода диода больше потенциала анода и диоды запираются (моменты времени t2 и t4). С момента времени с t2 по t3 диоды заперты и находятся под обратным напряжением, а с t1 по t2 и с t3 по t4 диоды открыты. При наличии С-фильтра диод переходит в режим прерывистого тока, следовательно, режим диода в прямом направлении становится более напряженным, особенно в момент включения, когда конденсатор еще не заряжен: за короткий промежуток времени (с t3 по t4) ток через диод должен успеть достичь максимального значения и уменьшиться до нуля. Емкость конденсатора фильтра выбирается из условия, чтобы ее сопротивление по переменной составляющей тока было значительно меньше сопротивления нагрузки (хотя бы в 5–10 раз). Заряд, который получает конденсатор за время t1 t2, t3 t4,  (2.2.1)Заряд, который конденсатор теряет за время t2 t3, t4...,. Отрезок времени, на котором происходит разряд конденсатора, оказывается близким к половине периода входного напряжения выпрямителя.  Рис. 2.2. заряд получает конденсатор за время  а)б) Рис. 2.3 ДВП с простым С-фильторм: а схема ДПВ, б временная диаграмма напряжения на нагрузке Uн = f(t). Заряд, который получает конденсатор за время t1 t2, t3 t4, (2.2.1) (2.2.2)По условию стационарности процесса заряда и разряда (  =  ): =  (2.2.3)Откуда  (2.2.4)где р = RнС постоянная времени разряда конденсатора фильтра. Постоянная составляющая выходного напряжения легко может быть определена из временной диаграммы выходного напряжения (рисунке –б):  (2.2.5)Окончательно среднее значение выпрямленного напряжения  (2.2.6)В рассматриваемой схеме действующее значение выходного напряжения  (2.2.7)Определяется действующее значение напряжения пульсаций на выходе простого емкостного фильтра:  (2.2.8)Коэффициента пульсаций на выходе фильтра:  (2.2.9)2.3. Выпрямительные устройства, работающие на фильтры, содержащие индуктивность a) Простой сглаживающий L-фильтр: Сглаживающий фильтр с индуктивностью может быть простым, то есть состоящим только из индуктивности. Его фильтрующие свойства основываются на способности индуктивности препятствовать любому изменению тока, проходящего через нее. При возрастании тока в индуктивности происходит накопление магнитной энергии, а когда ток уменьшается, энергия, накопленная в индуктивности, поддерживает этот ток, так как ЭДС на дросселе меняет свой знак. Простые индуктивные фильтры рекомендуется использовать только в двухполупериодных и многофазных схемах выпрямителей, так как в них, в отличие от однополупериодных выпрямителей, не возникает таких резких изменений токов, а следовательно, не образуется таких больших ЭДС самоиндукции. При анализе фильтра в таком источнике питания рассматривается делитель из L и Rн, на который подается напряжение с выхода мостовой схемы выпрямителя. Общее сопротивление делителя:  (2.3.1)где  сопротивление нагрузки, Ом. Рис. 2.3 Простой индуктивный фильтр Напряжение на входе фильтра можно представить с помощью ряда Фурье:  (2.3.2)где  среднее значение выпрямленного напряжения (постоянная составляющая напряжения на входе фильтра Uо);  первая гармоника в выпрямленном напряжении, имеющая частоту, равную удвоенной частоте сети. Это напряжение содержит постоянную и ряд гармонических составляющих, но, в отличие от однополупериодного выпрямителя, здесь первой гармоникой будет гармоника с удвоенной частотой сети. В рассматриваемой схеме всеми гармониками после первой можно пренебречь, так как амплитуда второй гармоники составляет всего 20 % от первой, а амплитуда третьей 8,6 %. Следовательно, можно принять, что на входе фильтра действует напряжение, которое содержит лишь две составляющие:  (2.3.3)Амплитуда переменного напряжения на входе простого индуктивного фильтра:  . (2.3.4)Амплитуда переменного напряжения на нагрузке (на выходе простого индуктивного фильтра) определяется по закону Ома:  (2.3.5)Действующее значение напряжения пульсаций на нагрузке (на выходе простого индуктивного фильтра):   (2.3.6)Коэффициент сглаживания простого индуктивного фильтра:  (2.3.7)Среднее значение выпрямленного напряжения (потерями постоянного напряжения на сопротивлении дросселя можно пренебречь):  (2.3.8)Среднее значение выпрямленного напряжения получилось гораздо меньше, чем при емкостном фильтре, и чтобы получить при этом необходимое напряжение на нагрузке, приходится увеличивать напряжение на вторичной обмотке трансформатора, что приведет к увеличению обратного напряжения на диодах и к увеличению габаритов блока питания в целом, поэтому выходное напряжение рекомендуется увеличивать введением в индуктивный фильтр конденсатора. Такой фильтр называют Г- образным индуктивно-емкостным LC-фильтром. Рис. 2.4 Г- образный индуктивно-емкостный LC-фильтр Сопротивление дросселя для переменных составляющих тока соединяется с нагрузкой последовательно, а конденсатор параллельно, и если выполняется условие Хс << Rн << ХL, то напряжение пульсаций на нагрузке будет малым.  Рис. 2.4. Г- образный индуктивно-емкостный LC-фильтр Амплитуда основной гармоники переменного тока через дроссель:  .(2.3.9)Амплитуда переменного напряжения на выходе фильтра:  (2.3.10)Коэффициент сглаживания фильтра, равный отношению коэффициента пульсации на входе к коэффициенту пульсаций на выходе:  (2.3.11)При совместной работе индуктивности и емкости в схеме фильтра проявляются свойства контура, в результате чего в схеме может возникнуть колебательный процесс. Чтобы избежать этого, необходимо обеспечить равенство амплитуды переменной составляющей тока Imax и постоянной составляющей I0, поэтому введено понятие критической индуктивности, значение которой определяется из следующих соображений. Так как  (2.3.12)а с учетом того, что ХL >> XC, амплитудное значение тока:  (2.3.13)то условием для определения критического значения индуктивности дросселя будет:  (2.3.14) из которого следует:  (2.3.16)Примечание: С достаточной для практики точностью при питании выпрямителя от сети с частотой 50 Гц значение критической индуктивности дросселя можно принять равной:  (2.3.17)Для лучшего сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя применяют П - образные LC-фильтры. Рис. 2.5 П - образный индуктивно-емкостный LC-фильтр Такой фильтр можно рассматривать как два фильтра: 1. Простой емкостный фильтр, состоящий из конденсатора С1. 2. Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (из дросселя L и конденсатора С2).  Рис. 2.5. П - образный индуктивно-емкостный LC-фильтр Действующее значение напряжения пульсаций на выходе П-образного фильтра:  , (2.3.18)где  действующее значение напряжения пульсаций на входе фильтра Побразного индуктивно-емкостного фильтра.В источниках малой мощности для уменьшения размеров и массы фильтра вместо дросселя применяют резистор. Резистивно-емкостные фильтры рассчитывают и строят по тем же схемам, что и индуктивно-емкостные (Г- и П-образные фильтры), но необходимо принять к сведению, что на RC-фильтрах происходит значительное падение постоянного напряжения (до 20 %). Теоретическое обобщение по выпрямителям, работающим на фильтры, содержащие индуктивность Г- и П-образные сглаживающие LC-фильтры позволяют получить пульсации выходного напряжения гораздо меньшие, чем при простых индуктивных или простых емкостных фильтрах. Если требования к сглаживанию пульсации окажутся еще выше, то рекомендуется использование многозвенных фильтров, пример схемы которых приведён ниже, на рисунке.  Рис. 2.6. Каскадное включение LC-фильтров Коэффициент сглаживания таких фильтров определяется как произведение коэффициентов сглаживания отдельных звеньев:  (2.3.19) 2.4. Стабилизаторы напряжения Стабилизатором постоянного напряжения называется устройство, поддерживающее с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении в заданных пределах напряжения сети и сопротивления нагрузки. Стабилизаторы постоянного напряжения подразделяются на параметрические и компенсационные. Параметрическими стабилизаторами напряжения называются устройства с нелинейными элементами (кремниевый стабилитрон), параметры которых с изменением напряжения изменяются таким образом, что напряжение на нагрузке остается почти неизменным по величине. Преимущества параметрических стабилизаторов постоянного напряжения - простота схемы; недостатки - низкий КПД, невозможность регулирования выходного напряжения, небольшой коэффициент стабилизации и возможность работы только при малых токах нагрузки. Более высокими техническими показателями обладают стабилизаторы компенсационного типа, работа которых основана на сравнении фактического значения выходного напряжения с заданным. Основными параметрами стабилизатора являются коэффициент стабилизации и выходное сопротивление. Коэффициентом стабилизации называют отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора при постоянном сопротивлении нагрузки:  (2.4.1)dUвх, dUвых - изменения напряжения на входе и выходе стабилизатора; Uвх, Uвых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора. Этот параметр служит основным критерием для выбора схемы стабилизатора. Выходным сопротивлением стабилизатора называют отношение изменения напряжения на выходе стабилизатора к вызвавшему его изменению тока нагрузки при постоянном входном напряжении:  (2.4.2)Желательно, чтобы Rвых было небольшой величины. Одна из возможных схем компенсационного стабилизатора напряжения. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполнения курсового проекта произвёл расчёт однополупериодного выпрямителя с активной нагрузкой. В результате были рассчитаны токи и напряжения во второй обмотке трансформатора. Полученные результаты соответствуют справочным данным. Список использованной литературы В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев "Электротехника", М., "Высшая школа", 1991 В.И. Федотов "Основы электроники", М., "Высшая школа", 1988 И.И. Анисимов "Полупроводниковые приборы", М., "Высшая школа", 1997 Б.П. Афанасьев, О.Е. Тольдин, И.Г. Кляцкий "Теория линейных электрических цепей", М., "Высшая школа", 1973 Б.В. Гершунский"Справочник по расчёту электронных схем", К., издательств при Киевском гос. Университете издательского объединения "Вища школа", 1983. 6. http://ru.wikipedia.org/wiki 7.http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlenn азмещено на Allbest.ru |