В. В. ХАРЛАМОВ, Р. В. СЕРГЕЕВ, П. К. ШКОДУН

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ЗАНЯТИЯМ

ПО КУРСУ ЭЛЕКТРОНИКИ

ОМСК 2007

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

__________________

В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шкодун

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К САМОСТОЯТЕЛЬНЫМ ЗАНЯТИЯМ

ПО КУРСУ ЭЛЕКТРОНИКИ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний к выполнению

расчетно-графических работ студентами 3-го курса

Омск 2007

УДК 621.38

ББК 32. 852

Х20

Методические указания к самостоятельным занятиям по курсу электроники / В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шкодун. 2-е изд., перераб.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. 44 с.

Методические указания содержат варианты заданий и примеры расчета по основным разделам темы «Электротехника и основы электроники». Приведены краткие теоретические сведения по расчету параметров и характеристик выпрямителей и транзисторов, а также по синтезу логических схем.

Указания предназначены для студентов 3-го курса неэлектротехнических специальностей (150700 (190301) – «Локомотивы», 150800 (190302) – «Вагоны», 120100 (151001) – «Технология транспортного машиностроения», 100700 (140104) – «Промышленная теплоэнергетика») очного и заочного обучения и могут быть использованы при выполнении самостоятельных и курсовых работ.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 16. Рис. 21.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Н. Горюнов;

канд. техн. наук, доцент Н. Н. Баженов.

_______________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .	5
1. Расчет выпрямителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	6
1.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .	6
1.2. Методические указания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	15
1.3. Пример расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	18
2. Расчет транзисторного усилительного каскада . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	21
2.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	23
2.2. Методические указания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	24
3. Синтез логических схем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	27
3.1. Краткие теоретические сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	27
3.2. Задание для самостоятельной работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	33
3.3. Пример расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .	34
Приложение 1. Варианты для выполнения самостоятельной работы . . . . . . . .	37
Приложение 2. Основные параметры вентилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	38
Приложение 3. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов . .	39
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	43

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных видов учебной работы студентов при изучении «Электротехники и основ электроники» является самостоятельная работа с учебной литературой. Эта работа начинается с изучения теории по учебнику, после чего по данной теме следует разобрать решение задач, приведенных в рекомендованных учебниках и задачниках, и несколько задач решить самостоятельно, так как решение задач помогает лучшему пониманию изучаемых вопросов и закреплению в памяти основных положений и соотношений теории изучаемой специальности. Затем следует приступить к выполнению задания.

Результаты работы оформляются в виде пояснительной записки в соответствии с действующим стандартом предприятия на одной стороне листа формата А4. Условие задачи формулируется полно и четко. Основные положения решения поясняются и иллюстрируются схемами, чертежами и т. д. Графическая часть работы выполняется аккуратно с помощью чертежного инструмента со строгим соблюдением стандартов на условные графические обозначения.

Методические указания содержат минимально необходимые сведения о принципе действия, основных параметрах и методах расчета выпрямителей, транзисторных усилителей и логических комбинационных схем. Для более глубокого изучения этих основополагающих вопросов курса электроники следует воспользоваться рекомендуемой литературой [1–7].

Авторы выражают искреннюю благодарность профессору В. Н. Горюнову и доценту Н. Н. Баженову за их труд по рецензированию настоящих методических указаний.

1. Расчет выпрямителя

Цель работы: расчет выпрямителя для питания промышленной установки.

В качестве исходных данных используются номинальное значение выпрямленного напряжения U_{d н} и выпрямленного тока I_{d н}, номинальное напряжение питающей сети U₁ и его частота f₁, значение коэффициента пульсаций k_п вых. Общие требования: напряжение сети U_с = 220 В, частота сети f_с = 50 Гц. Остальные исходные данные выбираются по своему варианту из табл. прил. 1.

В процессе выполнения задания необходимо: 1) выбрать схему выпрямителя и фильтра; 2) рассчитать режимы работы элементов; 3) определить тип вентиля, параметры трансформатора; 4) рассчитать значения элементов сглаживающего фильтра; 5) построить внешнюю характеристику выпрямителя.

Пояснительная записка должна включать в себя следующие разделы: титульный лист, задание, расчетную часть, полную принципиальную схему выпрямителя и его внешнюю характеристику.

1.1. Краткие теоретические сведения

Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от числа фаз переменного напряжения различают однофазные и многофазные (обычно трехфазные) выпрямители. Структурная схема выпрямителя приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя

Выпрямитель содержит трансформатор Т, необходимый для преобразования напряжения сети U_c до величины U₂, определяемой требованиями нагрузки; вентильную группу В, которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение U₂ преобразуется в пульсирующее; фильтр Ф, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Выпрямитель может быть дополнен схемой стабилизации, подключаемой к выходу фильтра и предназначенной для поддержания напряжения на нагрузке неизменным при изменении напряжения U₂ на трансформаторе.

Основными показателями работы выпрямителя являются средние значения выпрямленного тока I_d и напряжения U_d:

, (1)

, (2)

где T – период изменения выходного тока (напряжения);

мощность нагрузочного устройства

; (3)

коэффициент пульсаций

, (4)

где U_{осн m} – амплитуда основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения;

коэффициент использования вентилей по напряжению

, (5)

где U_{обр т} – максимальное обратное напряжение на вентиле; U_{обр доп} – допустимое обратное напряжение вентиля;

коэффициент использования вентиля по току

, (6)

где I_а – среднее значение тока, протекающего через диод, I_ан – номинальное значение тока вентиля;

типовая мощность трансформатора

, (7)

где ,;

коэффициент полезного действия

, (8)

где P_тр и P_д – потери в трансформаторе и диодах.

Основной характеристикой выпрямителя, как и любого источника питания, является внешняя (нагрузочная) характеристика U_d = f(I_d). Она позволяет определить номинальное значение выпрямленного напряжения и выходное сопротивление выпрямителя

. (9)

Свойства выпрямителя в значительной степени зависят от характера нагрузки на его выходных зажимах, которая может быть активной (омической), начинающейся с индуктивности и начинающейся с емкости.

Однофазная мостовая схема (рис. 2) строится на однофазном трансформаторе Т. Диодная группа образует мост, к одной диагонали которого подводится переменное напряжение, а в другую диагональ включается нагрузка. Диоды работают парами поочередно (рис. 3): в положительные полупериоды напряжения U₂ ток проводят диоды VD2 и VD3, иначе – диоды VD1 и VD4.

Рис. 2. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя

Рис. 3. Диаграммы токов и напряжений

Через нагрузку протекает пульсирующий ток в оба полупериода напряжения u₂. Преимуществами данной схемы выпрямления (по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления) являются увеличение среднего значения выпрямленного тока и напряжения в два раза и значительное уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения, при этом значение обратного напряжения на закрытых диодах такое же, как и в однополупериодной схеме выпрямления.

Схемы выпрямления трехфазного тока применяются в основном для питания потребителей большой и средней мощности. Они равномерно нагружают сеть трехфазного тока и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора, низким уровнем пульсаций. Ниже рассматриваются две часто применяемые схемы.

Трехфазные выпрямители с нейтральным выводом строятся на трехфазном трансформаторе (рис. 4), вторичные обмотки которого соединяются «звездой». Нагрузка включается между объединенными катодами диодов и нулевой точкой трансформатора. Из временных диаграмм (рис. 5) видно, что диоды проводят ток поочередно, каждый – в течение одной трети периода, когда потенциал начала одной фазы более положителен, чем двух других. Два других диода в этот период закрыты.

Рис. 4. Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом

Рис. 5. Диаграммы токов и напряжений

Такая схема нашла применение на средних мощностях (P_d > 1 кВт) при невысоких требованиях к пульсациям выпрямленного напряжения. Достоинство такого выпрямителя – высокая надежность (минимальное число диодов) и низкое значение k_п (по сравнению с однофазной схемой выпрямления). Недостаток схемы – подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, что приводит к снижению его КПД.

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 6) можно рассматривать как два трехфазных выпрямителя, соединенных последовательно. Первый содержит диоды VD1, VD3, VD5, второй – диоды VD2, VD4, VD6. В результате среднее значение выпрямленного напряжения в два раза превышает напряжение в трехфазной схеме с нулевым выводом. Ток в нагрузке и двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение. Из временных диаграмм (рис. 7) видно, что в интервале времени t₁ – t₂ открыты диоды VD1, VD4, t₂ – t₃ – VD1, VD6, t₃ – t₄ – VD3, VD6 и т. д. Продолжительность работы каждого из диодов составляет 1/3 периода. Схема Ларионова обеспечивает наилучшие показатели использования трансформатора и диодов, дает минимальное значение коэффициента пульсаций и получила высокое распространение. Основные параметры рассмотренных схем выпрямления приведены в табл. 1.

Рис. 6. Трехфазный мостовой выпрямитель

Рис. 7. Диаграммы токов и напряжений

Обязательной принадлежностью выпрямителя является сглаживающий фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую выпрямленного напряжения и снижающий его пульсации. Основным параметром, характеризующим работу сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания S. Он равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

. (10)

Простейшими фильтрами являются конденсатор, включенный параллельно нагрузке (емкостный фильтр, рис. 8, а), и дроссель, включенный последовательно с нагрузкой (индуктивный фильтр, рис. 8, б).

Таблица 1

Параметры типовых выпрямительных схем при активной нагрузке

Параметр	Схема выпрямления
	однофазная мостовая	трехфазная
		с нулевым выводом	мостовая
Число фаз m	1	3	3
Число групп вентилей q	2	1	2
Эффективное значение напряжения U2	1,11Ud	0,86Ud	0,43Ud
Максимальное обратное напряжение на вентиле Uобр m	1,57Ud	1,21Ud	1,045Ud
Частота основной гармоники fо.г	2fc	3fc	6fc
Коэффициент пульсаций kп	0,67	0,25	0,057
Среднее значение прямого тока вентиля Ia	Id / 2	Id / 3	Id / 3
Максимальное значение прямого тока вентиля Ia m	1,57Id	1,21Id	1,045Id
Ток первичной обмотки трансформатора I1	(1,11/k)Id	(0,472/k)Id	(0,82/k)Id
Ток вторичной обмотки трансформатора I2	1,11Id	0,576Id	0,82Id
Габаритная мощность трансформатора Sтр	1,23Pd	1,35Pd	1,045Pd

Пульсации на выходе емкостного фильтра определяются постоянной разряда конденсатора , поэтому такие фильтры целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором при небольшой мощности выпрямителя.

а

б

Рис. 8. Однополупериодный выпрямитель с различными фильтрами

Эффективность индуктивного фильтра зависит от его постоянной времени . Длительность импульса тока увеличивается с ростом. Коэффициент сглаживания индуктивного фильтра

. (11)

Чем больше значение L_ф или меньше R_н, тем эффективнее фильтр. Индуктивные фильтры обычно применяют в трехфазных выпрямителях средней и большой мощности с малым значением сопротивления нагрузки.

Если необходимо обеспечить коэффициент сглаживания 20 < S < 40, применяют Г-образные (LC-, RC-типа) (рис. 9) и многозвенные П-образные фильтры.

а

б

Рис. 9. Г-образные фильтры: а – LC-фильтр; б – RC-фильтр

В Г-образном LC-фильтре переменная составляющая выпрямленного напряжения снижается из-за сглаживающего действия C_ф и падения ее на L_ф. Постоянная составляющая на нагрузке R_н практически не уменьшается, так как активное сопротивление дросселя мало. Сопротивление конденсатора должно быть значительно меньшеR_н, а сопротивление дросселя . Коэффициент сглаживания определяется по формуле:

. (12)

В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузки R_н составляет несколько килоом, вместо L_ф целесообразно включать R_ф, что позволяет уменьшить массу, габариты и стоимость фильтра. Поскольку при этом несколько снижается напряжение на нагрузке, значение сопротивления R_ф выбирают из соотношения:

; (13)

.

Для RC-фильтра коэффициент сглаживания меньше, чем для LC-фильтра, и определяется он по формуле:

. (14)

П-образный фильтр (рис. 10) представляет собой каскадное соединение емкостного и Г-образного фильтров. Следовательно, коэффициент сглаживания таких фильтров определяется как произведение коэффициентов сглаживания соответствующих фильтров:

, (15)

где S_c и S_г – коэффициенты сглаживания емкостного и Г-образного фильтров.

а

б

Рис. 10. Многозвенные П-образные фильтры

При сопротивлении нагрузки в несколько килоом используется CRC-фильтр (рис. 10, а), при малом R_н – CLC-фильтр (рис. 10, б).

Внешней характеристикой выпрямителя (рис. 11) называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем: U_d = f(I_d). В реальном выпрямителе значения сопротивления диодов и обмоток трансформатора не равны нулю, поэтому на этих сопротивлениях создается падение напряжения.

В результате для выпрямителей без фильтра (см. рис. 11, прямая 1) зависимость U_d = f(I_d) описывается следующим уравнением:

, (16)

где U_{d х.х} – напряжение холостого хода выпрямителя; R_пр – сопротивление открытых вентилей выпрямителя, включенных последовательно с нагрузкой; R_т – активное сопротивление обмотки трансформатора.

В выпрямителях с емкостным фильтром (см. рис. 11, кривая 2) внешняя характеристика берет начало из точки , так как приI_d  = 0 конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора. С ростом тока I_d кривая 2 спадает быстрее из-за уменьшения постоянной времени .

В случае использования индуктивного сглаживающего фильтра добавляется падение напряжения на внутреннем сопротивлении дросселя r_др и учитывается падение напряжения на индуктивном сопротивлении обмотки рассеяния x_s:

, (17)

где , а параметрыа и b приведены в табл. 2.

Внешняя характеристика выпрямителя с Г-образным RC-фильтром (см. рис. 11, кривая 3) имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2, из-за дополнительного падения напряжения на последовательно включенном резисторе R_ф.

Таблица 2

Параметры схем выпрямления

Параметр	Схема выпрямления
	однофазная мостовая	трехфазная
		с нулевым выводом	мостовая
a = Ud / U2	1 / 1,11	1 / 0,86	1 / 0,43
b = I2 / Id	1,11	0,576	0,82