Электроника 1.1 / ИДЗ / идз 1 электроника

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

Энергетический институт

Кафедра электропривода и электрооборудования

Индивидуальное задание №1

По дисциплине: электроника

Полупроводниковые диоды и их применение в выпрямительных устройствах

Вариант №45

Выполнил: студент группы 4Т61 «04» марта 2018 г. Д.Р. Кошкин

_________

(подпись)

Проверил преподаватель: доцент « » _________ 2018 г. А.В. Глазачев

__________

(подпись)

Томск – 2018

Исходные данные

Дано:

-Номинальное выпрямленное напряжение на нагрузке U_d=10 В;

-ток нагрузки I_d=3 А;

-дополнительный коэффициент пульсаций выходного напряжения на нагрузке k_п=0,04;

-частота питающей сети f=50 Гц;

-количество фаз n=1;

-номинальное напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора, U₁=220 В.

Расчет выпрямительного устройства

1. Анализ исходных данных и выбор принципиальной схемы выпрямителя:

Определим мощность и сопротивление нагрузки:

Однополупериодные выпрямители применяются в основном с емкостным фильтром при токах нагрузки до десятков миллиампер. Преимуществом таких выпрямителей являются простота и возможность работать без трансформатора. Их недостатки: низкая частота пульсаций, высокое обратное напряжение на диодах, плохое использование трансформатора, подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.

Двухполупериодные выпрямители со средней точкой применяются при напряжениях нагрузки до нескольких десятков вольт и выходной мощности до 50 Вт. На выходе выпрямителя устанавливают Г- или П-образные LC и RC фильтры. Преимущества этих выпрямителей: повышенная частота пульсаций, малое число вентилей, возможность применения общего радиатора без изоляции вентилей, малое падение напряжения на вентилях. Недостатки: большая требуемая габаритная мощность трансформатора, повышенное обратное напряжение на вентильных диодах.

Мостовая схема выпрямления применяется наиболее часто. Ее применяют с емкостным, Г- или П-образными LC и RC фильтрами. Достоинством мостовых выпрямителей являются: повышенная частота пульсаций, небольшое обратное напряжение на диодах, эффективное использование трансформатора. Недостатками являются: повышенное падение напряжения на вентилях, невозможность установки однотипных вентилей на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

После проведенного анализа однофазных схем выпрямителей выбираем двухполупериодный выпрямитель.

2. Расчет параметров сглаживающего фильтра:

Так как ток нагрузки составляет единицы, применяем Г-образный LC-фильтр.

Одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. При индуктивной реакции фильтра меньше действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора. Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

где круговая частота напряжения сети- ,

m-количество пульсаций выпрямленного напряжения за период, для двухполупериодных m=2.

Величину емкости найдем из выражения:

где q-коэффициент сглаживания, который находится по формуле:

Проводим проверку условий эффективности работы фильтра:

Условия эффективности считаются выполненными, если параметры отличаются в более, чем 5 раз, т.е. выше условия выполняются.

3. Расчет параметров вентильного узла и выбор типов выпрямительных диодов:

Характер нагрузки выпрямителя может быть активным (R), активно- индуктивным (RL) или активно-ёмкостным (RC). Выпрямитель с выходным ёмкостным или резистивно-ёмкостным фильтром считается нагруженным на активно-емкостную нагрузку, а выпрямитель с фильтром, начинающимся на индуктивность – на активно-индуктивную нагрузку.

В нашем случае нагрузка активно-индуктивная.

Для того, чтобы выбрать тип полупроводниковых диодов выпрямителя, необходимо рассчитать с учетом характера нагрузки основные характеристики выпрямителя.

Находим значение максимального обратного напряжения U_обр.max, прикладываемого к силовым диодам при работе выпрямителя выбранного типа:

Среднее I_пр.ср, действующее I_пр.Д и максимальное I_пр.max значения прямого тока диодов равны:

Частота на выходе выпрямителя f_п:

По справочнику выбираем диод, имеющий ближайшее большие значения предельных параметров, который есть в базе программы EWB.

Выбираем диод КД203А.

Его характеристики: I_пр=10 А при t⁰=100 ⁰C, U_обр.max=420, I_пр.max=10 А при t⁰=100 ⁰C, I_{пр.перег.max}=50 А, τ_и=0,05 с, f_max=1 кГц. [1]

Его конструкция:

Рисунок 1- Конструкция диода КД203А

4. Расчет параметров трансформатора:

Находим действующее значение напряжения U_2Д и тока I_2Д вторичной обмотки трансформатора:

Минимальная требуемая мощность вторичной обмотки трансформатора равна:

5. Построение временных диаграмм выпрямителя:

Проверку соответствия применяемых компонентов режима их работы в выпрямителе проведем, смоделировав полученное выпрямительное устройство с использованием прикладной программы Electronics Workbench (Multisim).

Рисунок 2 - Осциллограмма напряжения на обмотке трансформатора

Рисунок 3 - Осциллограмма напряжения после выпрямительной группы

Рисунок 4 - Осциллограмма напряжения на нагрузке

Вывод: в данной работе я провел анализ технического задания, научился выбирать принципиальную схему выпрямительных диодов, рассчитывать сглаживающий фильтр и параметры питающего трансформатора, а также строить временные диаграммы для рассчитанного выпрямителя.

Список литературы

1. Лавриненко В.Ю. Справочник по полупроводниковым приборам. -М.: Альянс, 2015.-424 с.: ил.