Расчет конденсатора для выпрямителя – Особенности сглаживающих фильтров, их схемы и пример расчета — Help for engineer

Расчет электролитического конденсатора в сетевом выпрямителе



Расчет электролитического конденсатора в сетевом выпрямителе

Расчет сглаживающего конденсатора в сетевом выпрямителе.

Входной выпрямитель является неотъемлемым элементом
большинства преобразователей, питающихся от переменного сетевого напряжения.
После диодного моста напряжение на конденсаторе будет иметь вид пилы, верхняя
точка которой равна амплитудному напряжению сети (минус падение напряжения на
диодах моста, что несущественно для устройств, питающихся от 220В), а нижняя
зависит от емкости конденсатора и тока потребления нагрузки выпрямителя. В
этой статье приведен пример расчета емкости сглаживающего конденсатора
выпрямителя. Более полная информация приведена в статье
А.И. Колпакова.

 

В качестве примера приведен расчет конденсатора для реального
преобразователя, разработка которого была доведена до практического
воплощения,  Pвых=1200Вт (выходное
напряжение 60В, ток 20А, КПД около 90%)

 

Исходные данные для расчета:

Uвх
= 220В       (напряжение сети)

f = 50Гц             (частота
сетевого напряжения)

Задаваемые параметры:

Umin
=260В     (минимальное напряжение — задается минимальное значение пилообразного напряжения
на конденсаторе)

Iнагр = 5.13А           (ток потребления
нагрузки выпрямителя, если известна мощность нагрузки, то ток
можно вычислить как I=Pвх/Uмин,
в моем случае Pвх=Pвых/КПД, т.е
I=(1200/0.9)/260=5.13А )

  1. Вычисляется время заряда конденсатора (в течение которого
    ток потребляется от сети). Так как напряжение изменяется по синусоидальному
    закону, используем для расчета формулу тригонометрии:

    t(зар) = (arccos(Umin/Umax))/(2*pi*f)

    Для синусоиды Umax =
    Uвх*1.41=220*1.41= 310 В (амплитудное сетевое
    напряжение), т.е.

    t(зар) = (arccos(260/310))/(2*3.141*50)
    = 0.00183 c

  2. Вычисляется время разряда конденсатора:

    t(раз) =
    T-t(
    зар)

    в двухполупериодном выпрямителе T = (1/f)/2 = 1/50/2=0.01с
    (частота сети в двухполупериодном выпрямителе удваивается)

    t(раз) = 0.01-0.00183 =
    0.0082 с

  3. Находится емкость конденсатора, на которой за время
    t(раз) при токе нагрузки
    Iнагр напряжение с Umax
    уменьшится до Umin:

     

    C = Iнагр*dt/dU,

     в нашем случае dt это  t(раз),
    а
    dU является разница (Umax-Umin)

    C = 5.13*0.0082/(310-260) = 0.00084Ф = 840
    мкФ

  4. Находим пиковый зарядный ток:

    Ipic = C*dU/dt,

    где dU = Umax-Umin, а

    dt — это время заряда конденсатора, т.е.
    t(
    зар)

    Ipic = 0.00084*(310-260)/0.00183 = 23А

  5. Находим среднеквадратичное значение импульсного тока через конденсатор по формуле:

    Irms =
    √(I(
    зар)²+I(разр)²),

    где  I(зар)-среднеквадратичный
    ток через конденсатор на цикле заряда, а I(разр) —
    среднеквадратичный ток через конденсатор на цикле разряда.

    Считаем, что ток заряда конденсатора имеет треугольную форму, тогда

    I(зар)
    =
    Ipic*√((t(зар)/T)/3)
    = 23*√((0.00183/0.01)/3) = 5.7A

    На интервале разряда через конденсатор течет ток нагрузки, поэтому

    I(разр)
    =

    Iнагр*t(раз)/T
    = 5.13*0.0082/0.01 = 4.2А

    Итак, 
    Irms =
    (5.7²+4.2²)
    = 7.1А

    Полученное 
    Irms
    используется при выборе конденсатора
    (для электролитических конденсаторов обычно указывается допустимое значение
    импульсного тока для частоты 100Гц). Если у выбранного конденсатора допустимое
    значение импульсного тока меньше, необходимо набирать конденсаторы с меньшей
    емкостью и соединять в параллель исходя из условия: суммарная емкость не меньше
    рассчитанной, а ток, приходящийся на каждый из конденсаторов (ток по
    конденсаторам с одинаковой емкостью разделится равномерно), не более допустимого.

     

Расхождение теоретического расчета с практикой.

В заключение скажу, насколько вышеизложенная теория разошлась с практикой, и
решайте сами, стоит ли применять эту методику.

Суммарная реальная емкость конденсаторов в моем преобразователе
составила 1020мкФ, при этом измеренные осциллографом параметры были
следующие:

  • Umin  
    равнялось примерно 265-275В (близко к расчетному)


  • t(
    зар) составляло около 3мс (приличная
    погрешность — по расчету 1.8мс, а учитывая, что емкость выше расчетной,
    должно быть еще меньше)

  • Ipic составило 21А
    (близко к расчетному)

www.trzrus.ru

Полупроводниковые выпрямители блоков питания, схемы, онлайн расчёт



Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.

Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.



«- Почему пульт не работает?

  — Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

— А для чего нам ещё «нахрен не упал» профессиональный электрик?

— Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя
сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.


— А электрик?

— Электрик, электрик… Что электрик?… «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался…»

Итак, приступим.
Выпрямитель — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Выпрямитель содержит трансформатор,
необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями
нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора — штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее
распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.

В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем
подразумевать их действующие (эффективные) значения:

Uдейств = Uампл/√2

и
Iдейств = Iампл/√2
.


Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов
отображают — не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.



Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках
(чёрным цветом — напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным — с конденсатором).

В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные
полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с
заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.

Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня
пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке
Iобм = 2×Iнагр
 и напряжение холостого хода
~U2 ≈ 0,75×Uн
.

При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:

Uобр > 3,14×Uн
  и  
Iмакс > 3,14×Iн
.

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.



Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей
нагрузке.
В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1,
в другом полупериоде — с нижней, через второй открытый диод D2.

Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной
схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме — нерациональное
использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке
Iобм = Iнагр
 и напряжение холостого хода
~U2 ≈ 0,75×Uн
.

Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:

Uобр > 3,14×Uн
  и  
Iмакс > 1,57×Iн
.

И наконец, классика жанра —
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.



Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки
трансформатора.
Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.


Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного —
через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком
же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное — более рациональное использование
трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.


К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения
напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную
Iобм = 1,41×Iнагр
 и напряжение холостого хода
~U2 ≈ 0,75×Uн
.

Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:

Uобр > 1,57×Uн
  и  
Iмакс > 1,57×Iн
.

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема
преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).

Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений
Uобр и
Iмакс по отношению к однополярной схеме.

Значения Uобр и
Iмакс приведены исходя из величин
наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения
тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах — это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий
пульсации напряжения в нагрузке.

Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×Iн/(Uн×Кп)
для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×Iн/(Uн×Кп)
— для двухполупериодных,

где Кп — это
коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.

Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным
током вполне определённой «чистоты»:

10-3… 10-2   (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,

10-4… 10-3   (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,

10-5… 10-4   (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» —
авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также
активные фильтры на биполярных транзисторах.











 

vpayaem.ru

Пример расчета выпрямителя напряжения.

Требуется рассчитать
выпрямитель для зарядного устройства
по следующим данным: номинальное
выпрямленное напряжение U0
= 15 В; номинальный выпрямленный ток I0
= 7 А; допустимый коэффициент пульсаций
KП%
= 1,5; напряжение питающей сети UС
= 220 В; частота сети f
= 50 Гц. В качестве исходной схемы возьмем
мостовую схему, рис. 6.7, выполненную с
использованием германиевых диодов..

1.
Структурная схема вторичного источника
питания приведена на рис. Рядом с ней
приведено название и назначение всех
составных частей схемы.

2. Выбираем схему
выпрямителя согласно номера варианта,
приводим ее в отчет и поясняем назначение
всех элементов схемы.

Схема выпрямителя
напряжения приведена на рис.6.7 . В ней

Тр — трансформатор
напряжения, служит для преобразования
амплитуды переменного напряжения до
необходимой величины;;

диоды VD1-VD4
образуют схему мостового выпрямителя
;

конденсатор С0
служит сглаживающим фильтром, уменьшая
пульсации напряжения на нагрузке;

резистор Rн
я является нагрузкой выпрямителя.

3. Выполнить расчет
трансформатора (т.е. определить его
мощность по вторичной обмотке, коэффициент
трансформации, определить его типовую
мощность).

3.1. Рассчитаем
внутреннее сопротивление диода

где
Uпр
– прямое падение напряжения на вентиле
(0,4 – 0,5 В для германиевых диодов и 1,0 –
1,1 В для кремниевых диодов), kВ
– коэффициент, учитывающий динамические
свойства характеристики диода (2,0 – 2,2
для германиевых диодов и 2,2 – 2,4 для
кремниевых диодов), IОВ
– среднее значение тока вентиля
выбирается по табл. 6.3 для соответствующей
схемы выпрямления.

3.2. Рассчитаем
активное
сопротивление обмоток трансформатора.

где kr
– коэффициент, зависящий от схемы
выпрямления, определяется по таблице
7; B
– магнитная индукция в сердечнике, Т.
Величину магнитной индукции В
для трансформаторов мощностью до 1000 Вт
можно предварительно принимать равной
1,2 – 1,6 Т для сети с частотой тока 50 Гц и
1,0 – 1,3 Т для сети с частотой тока 400 Гц;
f
– частота переменного тока питающей
сети; s
– число стержней сердечника трансформатора
(s
= 1 для броневой, s
= 2 для стержневой и s
= 3 для трехфазной конфигурации
магнитопровода).

3.3.Активное
сопротивление фазы выпрямителя

R
= RB
+ RТР
= 0,31 + 0,104 = 0,414 Ом.

Определим основной
расчетный коэффициент выпрямителя А:

Определим
вспомогательные коэффициенты В и D по
графикам на рис. 6.11.

Получаем :В = 1,1; D
= 2,1.

Определим параметры
трансформатора (таблица 6.3)

Действующее
напряжение вторичной обмотки

U2
= B·U0
= 1,1·15 = 16,5 В.

Действующий ток
вторичной обмотки

I2
= 0,707 DI0
= 0,707·2,1·7 = 10,39 A.

Коэффициент
трансформации km
= U1/U2
. km
= U1/U2=220/16,5=

Рассчитаем
действующий ток первичной обмотки

I1
= 0,707 DI0/km,

I1
=
0,707·2,1·7·16,5/220 = 0,779 A.

Рассчитаем типовая
мощность трансформатора

PТИП
= 0,707 BDU0I0
= 0,707·1,1·2,1·15·7 = 171,48 Вт


Рис.
6.11 — Зависимость параметров В и D от
параметра А

Определим
вспомогательный коэффициент F
по графику на рис. 6.12.

Получим F = 5,5.


Рис.
6.12 — Зависимость параметра F
от
параметра А

Определим
вспомогательный коэффициент H по графику
на рис. 6.13.

Получим H = 490.


Рис.
6.13 — Зависимость параметра Н от параметра
А при частотах тока сети 50 и 400 гц

4. Выполнить расчет
выпрямителя (исходя из выбранного типа
выпрямителя и формул для выпрямителей
такого типа, заданного типа диодов —
определить количество диодов в схеме,
выполнить проверку по току и по
напряжению).

Определим токи и
напряжения на диоде (табл. 6.3)

Обратное напряжение
на диоде:

Uобр
= 1,41·BU0
= 1,41·1,1·15 = 23,26 B.

Среднее значение
тока диода

I
= 0,5I0
= 0,5·7 = 3,5 A.

Действующее
значение тока диода

IВ
= 0,5DI0
= 0,5·2,1·7 = 7,35 A.

Амплитудное
значение тока диода

IВ.макс
= 0,5FI0
= 0,5·4·7 = 14 A.

Число диодов 4.

Для данного
выпрямителя можно использовать диоды
типа Д305, имеющие Uобр.
макс.
= 50 В,
I
= 10 А (справочные данные). Данные диоды
имеют значительный запас по величине
наибольшей амплитуды обратного напряжения
и наибольшему выпрямленному среднему
значению тока.

5. Выполнить расчет
сглаживающего фильтра.

5.1. Предварительный
расчет выполнить из условия, что в
качестве фильтра используется единичный
конденсатор. Если емкость получится не
более 1 Ф, то этого достаточно и фильтр
будет простейшим. При расчете фильтра
следует учитывать, что коэффициент
сглаживания q=
εвхвых,
где εвх
– коэффициент пульсаций на входе
фильтра, а εвых
– коэффициент пульсаций на выходе
фильтра перед нагрузкой. При расчетах
необходимо, в соответствии со схемой
фильтра, использовать следующие формулы
:
,
где mсх
– фазность выпрямителя (=1 для
однополупериодного и =2 для двухполупериодного
),Rн
– нагрузка блока питания, С – емкость,
которую нужно установить после
выпрямителя, ω=2πf — угловая частота,
ƒ=50Гц-сетевая частота, определить
сопротивление нагрузки можно из требуемой
от блока питания мощности и параметров
напряжения по формуле:
.

5.2. Если при расчете
окажется , что емкость конденсатора 1Ф
и более, то необходимо рассчитать
«Г»-образный LC или RC фильтр — тип на
усмотрение студента. Нужно использовать
формулы
или.
При этом за емкость фильтра принять
половинную емкость из предварительного
расчета.

Расчет емкости
конденсатора фильтра

.

Выбираем
электролитический конденсатор типа с
рабочим напряжением 20 В и емкостью 8000
мкФ.

6.4. Биполярные
транзисторы

Биполярный
транзистор представляет собой
полупроводниковый прибор, имеющий два
p
n
перехода, образованных в одном
монокристалле полупроводника. В
зависимости от чередования p
и n
областей различают транзисторы с p
n
p
и n
p
n
структурой, рис.6.14. Средний слой
биполярного транзистора называется
базой (Б), один крайний слой – коллектором
(К), а другой крайний слой – эмиттером
(Э). Каждый слой имеет вывод, с помощью
которого транзистор включается в
электрическую цепь. Транзистор называется
биполярным потому, что физические
процессы в нем связаны с движением
носителей зарядов обоих знаков –
свободных дырок и электронов.

Рис.
6.14. Структура и графическое обозначение
биполярных транзисторов
p
n
— p типа (а) и n
p

n

типа (б)

Электронно-дырочный
переход, образованный эмиттером и базой,
называется эмиттерным, коллектором и
базой – коллекторным. Эмиттерный переход
включается в прямом направлении,
коллекторный переход – в обратном
направлении. Общая точка эмиттерной и
коллекторной цепей соединена с базовым
электродом. Такое включение транзистора
называется схемой с общей базой,
рис.6.15,а. Схемы включения транзистора
с общим эмиттером и общим коллектором
приведены на рис.6.15, б, в.

Рис.
6.15. Схемы включения транзистора: а – с
общей базой,
б – с общим эмиттером, в
– с общим коллектором

Толщина базы
выбирается достаточно малой, чтобы
дырки, двигаясь через базу, не успели
рекомбинировать с электронами в области
базы. Таким образом, основная часть
дырок пролетает сквозь базу до
коллекторного перехода. Здесь дырки
увлекаются электрическим полем
коллекторного перехода, включенного в
обратном направлении, и создают в цепи
коллектора ток, величина которого
пропорциональна эмиттерному току IЭ:

IК
≈ α IЭ.

Коэффициент
пропорциональности α называется
коэффициентом передачи тока эмиттера.
При достаточно тонкой базе, когда потери
дырок за счет рекомбинации их в базе
малы, коэффициент передачи тока может
доходить до 0,99 и более.

Транзистор
представляет собой управляемый прибор,
его коллекторный ток зависит от тока
эмиттера, который в свою очередь можно
изменять напряжением эмиттер – база,
UЭБ.
Поскольку напряжение в цепи коллектора,
включенного в обратном направлении,
значительно больше, чем в цепи эмиттера,
включенного в прямом направлении, а
токи в этих цепях практически равны,
мощность, создаваемая переменной
составляющей коллекторного тока в
нагрузке, включенной в цепи коллектора,
может быть значительно больше мощности,
затрачиваемой на управление тока в цепи
эмиттера, т. е. транзистор обладает
усилительным эффектом.

Для усиления
электрических сигналов применяются
схемы с общим коллектором (ОК) и общим
эмиттером (ОЭ). Работу биполярного
транзистора по схеме с ОЭ определяют
статические входные и выходные
характеристики.

Входные характеристики
устанавливают зависимость тока базы
IБ
от напряжения эмиттер — база UЭБ
при неизменном напряжении коллектор —
эмиттер UКЭ.
Входные (базовые) статические характеристики
для схемы ОЭ германиевого транзистора
p
n
p
типа ГТ320А приведены на рис.6.16.

Так как эмиттерный
переход включен в прямом направлении,
повышение напряжения на нем приводит
к увеличению тока, подобно характеристики
полупроводникового диода.

Выходные
(коллекторные) статические характеристики
устанавливают связь между коллекторным
током IК
и напряжением коллектор – эмиттер UКЭ
при постоянном токе базы IБ.
Выходные характеристики транзистора
ГТ320А, включенного по схеме ОЭ, приведены
на рис.6.17.

В электронных
устройствах широко используется схема
усилителя с общим эмиттером, представленная
на рис.6.18. В качестве усилительного
элемента в данном случае используется
транзистор ГТ320А. Сопротивление нагрузки
усилительного каскада RК
включено в коллекторную цепь транзистора.
Входное усиливаемое напряжение UВХ
подается на базу транзистора. Питание
усилителя осуществляется от источника
постоянного напряжения ЕК.


Рис.
6.16. Входные статические характеристики
транзистора ГТ320А


Рис.
6.17. Выходные характеристики транзистора
ГТ320А


Рис.
6.18. Схема усилительного каскада с общим
эмиттером

Данное уравнение
является уравнением прямой, которое
наносится

Режимы работы
усилительного каскада находятся по
уравнению нагрузки, которое определяется
следующим образом. Напряжение коллектора
UКЭ
= UВЫХ
при наличии нагрузки RК
в его цепи, как следует из рис. 6.18, в
соответствии со вторым законом Кирхгофа,
равно

UКЭ
= ЕК
RК·IК.

на семейство
выходных (коллекторных) характеристик
транзистора. Построение прямой (уравнения
нагрузки) проводится путем нахождения
двух точек, приравнивая поочередно нулю
UКЭ
и IК
в уравнении нагрузки. При UКЭ
= 0 имеем точку 1 линии нагрузки IК
= ЕК
/RК,
точку 2 получаем при IК
= 0, UКЭ
= ЕК.
Данный режим работы усилительного
каскада выбран при RК
= 100 Ом, ЕК
= 10 В.

Пересечение линий
нагрузки с коллекторными характеристиками
определяет режим работы усилительного
каскада при различных базовых токах.

6.5. Пример расчет
параметров усилительного каскада на
транзисторе по схеме с общим эмиттером

Для схемы
усилительного каскада с общим эмиттером,
представленной на рис. 6.18, определить
основные параметры усилителя при
следующих значениях номиналов элементов
схемы: транзистор ГТ320А, входные и
выходные характеристики которого
представлены на рис. 6.16, 6.17; резисторы
в цепи базы транзистора R1
= 500 Ом, R2
= 300 Ом; резистор в коллекторной цепи RK
= 100 Ом; источник питания усилительного
каскада EK
= 10 В; амплитуда входного синусоидального
сигнала низкой частоты, подлежащего
усилению Um
= 0,1 В.

Параметры
усилительного каскада, подлежащие
определению:

1. Положение рабочей
точки на входных и выходных характеристиках
транзистора (рис.6.16 и рис.6.17).

2. h
– параметры транзистора в районе рабочей
точки.

3. Входное
сопротивление усилительного каскада,
RВХ.

4. Выходное
сопротивление усилительного каскада,
RВЫХ.

5. Коэффициент
усиления каскада по напряжению, KU.

6. Величина выходного
напряжения усилительного каскада.

Режим покоя
усилительного каскада, при котором UВХ
= 0, определяет положение рабочей точки
на семействе выходных характеристик
на рис. 6.17. Положение рабочей точки
(точка А) определяется значениями
сопротивлений базовых резисторов R1,
R2,
коллекторного резистора RK
при заданном значении напряжения питания
ЕК.
Резисторы R1,
R2
создают на входе усилительного каскада
в режиме покоя эквивалентную ЭДС, равную

Эквивалентное
базовое сопротивление каскада равно

По второму закону
Кирхгофа для входной цепи в режиме покоя
имеем:

EЭКВ
= I
БRБ
+ U
БЭ,

где UБЭ
— напряжение между базой и эмиттером в
режиме покоя.

Данное уравнение
изображается на входной характеристике
транзистора в виде прямой линии (линии
нагрузки), построение которой проходит
путем нахождения двух характерных
точек: в режиме холостого хода, когда
IБ
= 0, имеем UБЭ
= EЭКВ=
0,56 В; и в режиме короткого замыкания —
UБЭ
= 0, имеем IБ
= EЭКВ/RБ
= 0,56/283 = 0,00198 А = 1,98 mА. В результате
пересечения линии нагрузки с входной
характеристикой IБ
= f(UБЭ),
при UКЭ
= — 5 В находим положение точки покоя
(рабочей точки) IБ0
= 0,48 мА, UБЭ0
= 0,43 В.

Положение рабочей
точки на коллекторных характеристиках
получается при пересечении линии
нагрузки с характеристикой IK
= f(UКЭ),
при IБ0
= 0,48 mА. Построение данной характеристики
проводим приближенно, она лежит между
характеристиками при IБ
= 0,4 mА и IБ
= 0,6 mА. Таким образом, в коллекторной
цепи рабочая точка будет соответствовать
значениям IK0
= 35 mА и UКЭ0
= 6,6 В.

При работе
транзисторов в качестве усилителей
малых электрических сигналов, свойства
транзисторов определяются с помощью,
так называемых, h
– параметров. Всего h
– параметров четыре: h11,
h12,
h21
и h22.
Они связывают входные и выходные токи
и напряжения транзистора и определяются
для схемы ОЭ, рис.6.15, б, по следующим
выражениям:

h11
= ∆UВХ/∆IВХ
= ∆UБЭ/∆IБ
при
неизменном напряжении. UВЫХ
= UКЭ
= const.

Параметр h11
численно равен входному сопротивления
схемы ОЭ. Знак ∆ обозначает приращение
соответствующей величины тока или
напряжения.

h12
= ∆U
ВХ/∆UВЫХ
= ∆U
БЭ/∆UКЭ
при I
Б
= const.

Параметр h12
равен коэффициенту обратной связи по
напряжению.

h21
= ∆I
ВЫХ/∆IВХ
= ∆I
К/∆IБ
при U
КЭ
= const.

Параметр h21
равен коэффициенту прямой передачи по
току.

h22
= ∆I
ВЫХ/
∆U
ВЫХ
= ∆I
К/∆UКЭ
при I
Б
= const.

Параметр h22
равен выходной проводимости транзистора.

Значения h
– параметров можно найти с помощью
входных и выходных характеристик
транзистора. Параметры входной цепи
h11
и h12
определяют по входным характеристикам
транзистора, рис.6.16. Рабочая точка А
определяется при пересечении линии
нагрузки с входной характеристикой
транзистора при UКЭ
= — 5 В. В результате чего имеем UКЭ0
= 0,43 В, IБ0
= 0,48 mА. В данной рабочей точке задаем
приращение тока базы ∆IБ
при постоянном напряжении коллектора
UКЭ
= — 5 В и находим получающееся при этом
приращение напряжения базы ∆UБЭ.
Тогда входное сопротивление транзистора
равно

h11
= ∆U
БЭ/∆IБ
= 0,1 В/ 0,3 mА = 333 Ом.

Затем при постоянном
токе базы IБ
= 0,48 mА задаем приращение напряжения
коллектора ∆UКЭ
= 5 В и определяем получающееся при этом
приращение напряжения базы ∆UБЭ=
0,25 В. Тогда коэффициент обратной связи
по напряжению равен

h12
= ∆U
БЭ/∆UКЭ=
0,25 /5 = 0,05.

Параметры h21
и h22
определяют по выходным характеристикам
транзистора, рис.6.17. В районе рабочей
точки А (IБ
= 0,48 mА, UКЭ
= — 5 В) при постоянном токе базы IБ
= 5 mА задаем приращение коллекторного
напряжения ∆UКЭ
= 5 В и находим при этом приращение тока
коллектора ∆IК2
= 5 mА. Тогда выходная проводимость
транзистора равна

h22
= ∆I
К2/∆UКЭ
= 5 mА /5 В = 1,0 мСм.

Далее при постоянном
напряжении коллектора UКЭ=
5 В задаем приращение тока базы ∆IБ
= 0,2 mА и определяем получающееся при
этом приращение тока коллектора ∆IК1
= 20 mА. Тогда коэффициент передачи по
току равен

h21
= ∆I
К1/∆IБ
= 20 mА / 0,2 mА = 100.

Входное сопротивление
усилительного каскада равно:

Выходное сопротивление
усилительного каскада равно:

Коэффициент
усиления по напряжению

Величина выходного
напряжения усилительного каскада

UВЫХ
= КUUВХ
= 27,3·0,1 = 2,73 В.

Контрольные вопросы к зачету
(экзамену) по разделу » Основы
электроники».

1. Зонная структура собственного
полупроводника. Что такое валентная
зона? Что такое зона проводимости? Что
такое запрещенная зона? Проводимость
собственного полупроводника.

2. Зонная структура и проводимость
акцепторного полупроводника..

3. Зонная структура и
проводимость донорного полупроводника
Что такое основные носители? Что такое
не основные носители? Механизм генерации
неосновных носителей заряда.

4. Технология изготовления
p-n
— перехода. Образование p-n
— перехода. Основные параметры p-n
— перехода.

5. P-n-
переход в равновесном состоянии.
Потенциальный барьер?

Токи через п-р переход?

6. P-n
переход смещенный в прямом направлении?
Потенциальный барьер? Токи через p-n
— переход.

7. . P-n
— переход смещенный в обратном направлении?
Потенциальный барьер? Токи через п-р
переход?

8. Идеальная характеристика
p-n
— перехода .

9. Диод. Типы диода. Условные обозначения.
Рабочая схема диода. Вольт – амперная
характеристика диода. Ее отличия от
идеальной вольт – амперной характеристики.

10. Лавинный пробой. Механизм развития.
Тепловой пробой. Емкости п-р – перехода.

11. Параметры и маркировка диода.

12. Биполярный транзистор .Типы транзистора.
Схемы включения .

13. Принцип действия, токи транзистора.

14. Входные характеристики транзистора
в схеме с ОЭ.

15. Выходные характеристики транзистора
в схеме с ОЭ.

16. Предельно-допустимые
параметры транзисторов. Маркировка.

17. Полевые транзисторы. Типы
транзисторов . Устройство принцип
действия. Назначение. Вольтамперная
характеристика. Параметры. Маркировка

18. Тиристоры. Типы тиристоров
. Устройство принцип действия. Назначение.
Вольтамперная характеристика. Параметры.
Маркировка.

19. Оптоэлектронные приборы. Фотоприемники.

20. Оптоэлектронные приборы. Светоизлучающие
приборы

19. Микросхемы. Классификация , маркировка
назначение.

20. Вторичные источники тока. Блок-схема,
назначение.

21. Полупроводниковые выпрямители.
Электрические схемы и принцип работы
выпрямителя. Электрические фильтры.

22. Стабилизаторы напряжения и тока.

23. Тиристорные преобразователи.

24. Классификация и принцип действия
усилителей переменного тока.

25. Анализ работы однокаскадного усилителя.

26. Обратные связи. Их влияние на параметры
усиления.

27. Многокаскадные усилители.

28. Усилители постоянного тока . Операционный
усилитель.

29. Автогенераторы , LC
— типа и генераторы RC-
типа.

30. Транзисторный ключ.

31. Логические операции и способы их
аппаратной реализации.

32. Логические схемы.

33. Микропроцессор.

34. Электрические измерения.

35. Электрические приборы.

89

studfiles.net

Расчет выпрямителя

Расчет выпрямителя

  Поскольку в преобладающем большинстве конструкций
блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого
включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет
разговор. Рассчитать выпрямитель — значит правильно выбрать выпрямительные диоды
и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение,
снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными
данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке
(Uн) и потребляемый ею максимальный ток
(Iн).

Расчет ведут в таком порядке:

1. Определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке
сетевого трансформатора:

U2 = B Uн,

где: Uн — постоянное напряжение на нагрузке, В;

В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл.
1.

Коэффициент Ток нагрузки,А
0,10,20,40,60,81,0
В 0,81,01,91,41,51,7
С 2,42,22,01,91,81,8

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, текущий через каждый диод
выпрямительного моста:

Iд = 0,5 С Iн,

где: Iд — ток через диод, А;
Iн
максимальный ток нагрузки, А;
С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки
(определяют по табл. 1).

3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду
выпрямителя:

Uобр = 1,5 Uн,

где: Uобр — обратное напряжение,
В;
Uн — напряжение на нагрузке, В.

4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого
обратного напряжения равны или превышают расчетные.

5. Определяют емкость конденсатора фильтра:

Сф = 3200 Iн / Uн
Kп
,

где: Сф — емкость конденсатора фильтра,
мкФ;
Iн — максимальный ток нагрузки. A;
Uн
напряжение на нагрузке, В;
Kп — коэффициент пульсации
выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной
составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению
выпрямленного напряжения).

  Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не
должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или
громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания
портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации
выпрямленного напряжения в пределах 10-3…10-2,
усилителей ВЧ и ПЧ — 10-4…10-3, предварительных каскадов
усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10-5…10-4. Если
выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться
транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора
фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз.



Источник: shems.h2.ru

www.qrz.ru

Как рассчитать емкость гасящего конденсатора простого блока питания

Блок питания с гасящим конденсатором представляет собой простейший вариант запитать какое нибудь маломощное устройство.

При всей своей простоте он имеет и два минуса:
1. Он гальванически связан с сетью! потому такие БП используются там, где нет вероятности прикосновения к контактам.
2. Такой Бп имеет не очень большой выходной ток. При увеличении выходного тока надо увеличивать емкость гасящего конденсатора и его габариты становятся существенными.

Внимание, будьте очень аккуратны, не прикасайтесь к контактам этого БП когда он включен.

Простейшая схема данного БП выглядит так:

Как можно увидеть из схемы, последовательно с сетью стоит конденсатор. Он то и является балластом,, на котором гасится часть напряжения.
Конденсатор не пропускает постоянный ток, но так как в сети переменный и конденсатор в итоге постоянно перезаряжется, то и получается, что в таком случае ток на выходе есть. Причем сила тока напрямую зависит от емкости конденсатора.

Собственно потому для расчета емкости конденсатора необходимо знать как минимум выходной ток нашего будущего БП, причем надо учесть и потребление стабилизатора, обычно это несколько мА.

И так. Есть две формулы, сложная и простая.
Сложная — подходит для расчета при произвольном выходном напряжении.
Простая — подходит в ситуациях, когда выходное напряжение не более 10% от входного.
I — выходной ток нашего БП
Uвх — напряжение сети, например 220 Вольт
Uвых — напряжение на выходе БП (или до стабилизаторе если такой есть), например 12 Вольт.
С — собственно искомая емкость.

Например я хочу сделать БП с выходным током до 150мА. Пример схемы приведен выше, вариант применения — радиопульт с питанием 5 Вольт + реле на 12 Вольт.
Подставляем наши 0.15 Ампера и получаем емкость 2.18мкФ, можно взять ближайший номинал из стандартных — 2,2мкФ, ну или «по импортному» — 225.

Все как бы вроде хорошо, схема простая, но есть несколько минусов, которые надо исключить:
1. Бросок тока при включении может сжечь диодный мост.
2. При выходе из строя конденсатора может быть КЗ
3. Если оставить как есть, то вполне можно получить разряд от входного конденсатора, так как на нем может долго присутствовать напряжение даже после отключения БП от сети.
4. При снятии нагрузки напряжение на конденсаторе до стабилизатора поднимется до довольно большого значения.

Решения:
1. Резистор R1 последовательно с конденсатором
2. Предохранитель 0.5 Ампера.
3. Резистор R2 параллельно конденсатору.
4. Супрессор на 12 Вольт параллельно конденсатору после диодного моста. Я не рекомендую здесь использовать стабилитроны, супрессоры рассчитаны на большую мощность рассеивания и схема будет работать надежнее.

На схеме красным цветом я выделил новые компоненты, синим — небольшое дополнение в виде светодиода.

Но гасящие конденсаторы используют часто и в дешевых светодиодных лампах. Это плохо, так как у таких ламп меньше надежность и часто высокие пульсации света.
Ниже упрощенный вариант схемы такой лампы.

Попробуем рассчитать емкость для такого применения, но так как напряжение на выходе будет явно больше чем 1/10 от входного, то применим первую формулу.
В качестве выходного напряжения я заложил 48 Вольт, 16 светодиодов по 3 Вольта на каждом. Конечно это все условно, но близко к реальности.
Ток — 20мА, типичный максимальный ток для большинства индикаторных светодиодов.

У меня вышло, что необходим конденсатор емкостью 0.298 мкФ. Ближайший из распространенных номиналов — 0.27 или 0.33мкФ. Первый встречается гораздо реже, а второй уже будет давать превышение тока, потому можно составить конденсатор из двух параллельных, например по 0.15мкФ. При параллельном включении емкость складывается.

С емкостью разобрались, осталось еще пара моментов:
1. Напряжение конденсатора
2. Тип конденсатора.

С напряжением все просто, можно применить конденсатор на 400 Вольт, но надежнее на 630, хоть они и имеют больше размер.

С типом чуть сложнее. Для такого применения лучше использовать конденсаторы, которые изначально предназначены для такого использования, например К73-17, CL21, X2
На фото конденсатор CL21

А это более надежный вариант, не смотрите что на нем указано 280 Вольт, у него это значение переменного действующего напряжения и он будет работать надежнее, чем К73-17 или CL21.

Такие конденсаторы могут выглядеть и так

А вот теперь можно еще раз внимательно посмотреть, что надо для того, чтобы собрать такой «простой» блок питания и решить, нужен ли он.
В некоторых ситуациях да, он поможет, но он имеет кучу минусов, потому на мой взгляд лучше применить просто небольшой импульсный блок питания, который уже имеет стабилизированное выходное напряжение, гальваническую изоляцию и больший выходной ток.
Как пример таких блоков питания я могу дать ссылку на подробный обзор четырех вариантов, с тестами, схемами и осмотров.

Но можно поступить еще лучше. Сейчас получили распространение монолитные блоки питания. По сути кубик, в котором находится миниатюрный БП
Например HLK-PM01 производства Hi-link, стоимостью около двух долларов за штуку.

Или их китайский аналог TSP-05 производства Tenstar robot. Они немного дешевле, 1.93 доллара за штуку.
Практика показала, что качество у них сопоставимое.

Как я писал выше, они представляют из себя импульсный Бп в модульном исполнении. БП в пластмассовом корпусе залитый эпоксидной смолой.
Выпускаются на разные напряжения и способны поддерживать его на довольно стабильном уровне.

Внутренности поближе, на фото вариант от Hi-link

На этом вроде все. Надеюсь, что статья была полезна, постараюсь и в будущем находить интересные темы. Также интересны пожелания, что хотелось бы видеть в рубрике — Начинающим.

www.kirich.blog

Сглаживающие фильтры питания | Meanders.ru

Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой – во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника – диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.


Основные схемы сглаживающих фильтров питания

1. Ёмкость2. Г-образный3. Т-образный4. П-образный

Простейшим методом сглаживания пульсаций является применение фильтра в виде конденсатора достаточно большой ёмкости, шунтирующего нагрузку (сопротивление нагрузки). Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

1 / (ωС)

Во время действия синусоидального сигнала, когда напряжение на диоде выпрямителя прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к максимальному. Когда напряжение на выходе диодного выпрямителя оказывается меньше напряжения заряда конденсатора, конденсатор разряжается через нагрузку Rн и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается по мере разряда конденсатора через нагрузку. В каждый следующий полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Чем больше емкость С и сопротивление нагрузки Rн, тем ме

meanders.ru

9. Блок питания. Расчет выпрямителя

        Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет разговор. Рассчитать выпрямитель — значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн).

1. Определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

U2 = B Uн,

где: Uн — постоянное напряжение на нагрузке, В;
В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл. 1.

КоэффициентТок нагрузки,А
0,10,20,40,60,81,0
В0,81,01,91,41,51,7
С2,42,22,01,91,81,8

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

Iд = 0,5 С Iн,

где: Iд — ток через диод, А;
Iн — максимальный ток нагрузки, А;
С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

Uобр = 1,5 Uн,

где: Uобр — обратное напряжение, В;
Uн — напряжение на нагрузке, В.

4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

5. Определяют емкость конденсатора фильтра:

Сф = 3200 Iн / Uн Kп,

где: Сф — емкость конденсатора фильтра, мкФ;
Iн — максимальный ток нагрузки. A;
Uн — напряжение на нагрузке, В;
Kп — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

        Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в пределах 10-3…10-2, усилителей ВЧ и ПЧ — 10-4…10-3, предварительных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10-5…10-4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз.

 

lib.qrz.ru