Методические указания по расчету ВИП

1. Выбор структуры ВИП

Чтобы обеспечить гальваническую развязку нагрузки от сети переменного тока и согласовать уровни выходного и сетевого напряжений, ВИП должен включать согласующий трансформатор. Для получения постоянного напряжения с заданными максимально допустимым коэффициентом пульсаций и максимальной нестабильностью, необходимо применить выпрямитель со сглаживающим фильтром и СН.

Для выпрямителя целесообразно выбрать двухполупериодную схему выпрямителя, как обладающую в два раза более высокими средним напряжением и частотой пульсаций, меньшим коэффициентом пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Такой выбор позволит более эффективно использовать согласующий трансформатор и более просто решить задачу сглаживания пульсаций.

В качестве сглаживающего фильтра во всех случаях рекомендуется использовать емкостный фильтр.

Необходимый уровень стабилизации выходного напряжения достигается СН. Его работу можно оценить двумя важнейшими параметрами – коэффициентом стабилизации К_СТ = (D U_вхU)/(D U×U_вх) = dU_С /dU и коэффициентом сглаживания пульсаций К_СГ = К_Пвх / К_П,

где U_вх – номинальное напряжение на входе СН;

D U_вх = 0,01 dU_C U_вх – наибольшее изменение входного напряжения;

D U = 0,01 dU×U – наибольшее изменение выходного напряжения;

К_Пвх – коэффициент пульсаций на входе СН.

При К_СТ £ 15 целесообразно применение параметрического СН, дополненного при необходимости (когда максимальный ток через стабилитрон больше допустимого) эмиттерным повторителем. При более высоких требованиях к стабильности следует ориентироваться на интегральный стабилизатор напряжения ИСН), некоторые типы которых приведены в прил. 3.

 

2. Расчет параметров СН

Расчет сопротивления балластного резистора R_Б, необходимого входного напряжения U_вх и выбор типа стабилитрона можно вести в следующем порядке:

А. выбирают в первом приближении из справочника стабилитрон (часть типов приведена в прил. 4) по напряжению U_ст и току I_ст стабилизации. При этом должно соблюдаться U_ст» U с заданным максимальным отклонением ±15 %, а I_ст > I _max при возможно меньшем r_ст.

Б. определяют предельно достижимое значение коэффициента стабилизации К_СТпр

,

где D₁ = dU / 2 – допустимое относительное уменьшение входного напряжения по сравнению с номинальным, %;

I_{ст .min} – минимальный ток стабилитрона, А (из справочника);

r_ст - дифференциальное сопротивление стабилитрона (из справочника), Ом.

Значение К_СТпр должно быть не менее чем в 1,3 раза больше требуемого К_СТ. Если это условие не соблюдается, следует выбрать другой стабилитрон или перейти к ИСН.

В. находят необходимое входное напряжение по формуле

.

Г. рассчитывают сопротивление балластного резистора R_Б по формуле

,

где R_вых – выходное сопротивление выпрямителя и фильтра постоянному току, принять равное нулю.

Д. Определяют максимальный ток стабилитрона

.

Рассчитанное значение I_ст должно быть меньше максимального тока стабилизации выбранного стабилитрона I_{ст .max}. Если это условие не выполняется, то при заданных требованиях и выбранном стабилитроне выполнить параметрический СН нельзя и следует выбрать другой стабилитрон, добавить эмиттерный повторитель или применить ИСН.

В случае использования параметрического СН с эмиттерным повторителем расчет проводится по формулам, указанным выше для параметрического СН. Только токи I _max и I _min необходимо уменьшить в h _{21 э} раз, т.е. взять значения I _max/ h _{21 э} и I _min/ h _{21 э} соответственно, где h _{21 э} – коэффициент передачи тока транзистора эмиттерного повторителя (часть типов транзисторов приведена в прил. 5). Тем самым будет учтено, что нагрузкой параметрического СН является не заданная нагрузка, а эмиттерный повторитель.

В случае использования ИСН его тип и схема включения (типовая схема включения некоторых типов ИСН приведена в прил. 3) предварительно определяются по справочнику, исходя из требуемых выходного напряжения U и максимального тока нагрузки I_max. Тут же определяется и величина входного напряжения ИСН.

Далее следует проверить возможность использования выбранного СН по критерию нестабильности выходного напряжения dU, котораяскладывается из нестабильности dU_U, обусловленной изменением входного напряжения, нестабильности dU_I, обусловленной изменением тока нагрузки, и температурной нестабильности dU_Т:

dU=dU_U + dU_I + dU_T.

Если пренебречь внутренним сопротивлением выпрямителя, то составляющие нестабильности можно считать взаимно независимыми.

Наиболее просто они определяются для ИСН:

dU_U = K_нU × D U_вх; dU_I = K_нI × D I; dU_T = a ×D T.

Здесь K_нU, K_нI, a - паспортные параметры ИСН, D I = I _max - I _min - наибольшее изменение тока нагрузки, D Т = 0 К согласно заданию. Величина D U_вх находится после выбора величины входного напряжения с учетом заданного отклонения напряжения первичного источника.

Расчет первых двух нестабильностей параметрического СН ведется по формулам:

D U_U = D U_вх × r_ст / R_Б; D U_I = r_ст × D I.

Для параметрического СН с дополнительным эмиттерным повторителем нестабильность D U_U определяется так же, как и без эмиттерного повторителя, а токовая нестабильность напряжения определяется выражением

D U_I = r_ст × D I / h_21Э + U_T ln(I _max / I _min).

Здесь h_21Э - минимальное значение параметра для выбранного типа транзистора, U_T =26 мВ - термоэлектрический потенциал при нормальной температуре. Температурной нестабильностью параметрического СН согласно заданию можно пренебречь.

Очевидно, расчетное значение dU не должно превосходить требуемое, в противном случае выбирают другой стабилитрон, транзистор или ИСН.

3) Выбор элементов выпрямителя и сглаживающего фильтра.

В этой части задания рассчитывается емкость сглаживающего фильтра и выбор типа выпрямительных диодов или блока.

Вначале по заданному параметру K_П и найденному коэффициенту сглаживания K_СГ выбранного СН следует определить допустимый уровень пульсаций входного напряжения СН К_Пвх.

Для параметрического СН

.

Для ИСН К_СГ является справочным параметром и выражается в децибелах. Для его перевода в безразмерный коэффициент можно воспользоваться формулой .

Допустимый уровень К_Пвх = К_П × К_СГ. Емкость конденсатора фильтра С рассчитывают по формуле

,

где I_П – ток потребления СН, является справочным параметром для ИСН и в случае параметрического стабилизатора равен максимальному току через стабилитрон I_П = I_ст;

f_П – частота пульсаций выпрямленного напряжения, для двухполупериодного выпрямителя f_П = 2 f_C ;

– минимальное мгновенное значение напря­же­ние на входе СН.

Промышленность выпускает резисторы и конденсаторы с номиналами согласно стандартным рядам. Поэтому конденсатор сглаживающего фильтра окончательно выбирается одного из полярных типов с номинальной емкостью, соответствующей стандартному ряду Е6, принимая ее в сторону большей емкости. Стандартный ряд Е6 приведен в приложении 7.

Если К_Пвх окажется больше 10 %, то емкость конденсатора фильтра C рассчитывают по допустимому уровню пульсаций 10 % (принимают К_Пвх = 10 %).

Очевидно, что за расчетный ток нагрузки выпрямителя следует принять сумму тока I _max и тока потребления СН I_П.

Напряжение вторичной обмотки трансформатора U ₂ определяется исходя из напряжения на входе СН U_вх с учетом коэффициента пульсаций К_Пвх и падения напряжения на n диодах выпрямителя (для мостовой схемы выпрямителя n = 2) в прямом направлении U_пр.ср (справочный параметр):

.

Расчет согласующего трансформатора достаточно свести к определению требуемого коэффициента трансформации К ₁₂ = U_C / U₂.

Диоды, некоторые типы которых приведены в прил. 4, выбирают по среднему значению тока, соответствующему максимальному току нагрузки выпрямителя, и по обратному напряжению, зависящему от выбранного значения напряжения на входе СН с учетом его пульсаций и отклонения напряжения сети. При этом необходимо также учитывать частотные свойства диодов.

Минимальное обратное напряжение для диодов мостового выпрямителя

.

Максимальное значение среднего тока через диод двухполупериодного выпрямителя

I_ср = (I _max + I_П) / 2.

Максимальная частота тока через диод

f_m ³ f_П .

Задача 2

 

Составить схему электронного усилителя и рассчитать коэффициенты усиления по току K_I, напряжению K_U и мощности K_P, а также входное R_вх.у и выходное R_вых.у сопротивления усилителя для заданного варианта схемы.

Численные значения исходных данных приведены для соответствующего варианта в табл. 11, в которой:

- R 1 – входной резистор в схеме инвертирующего усилителя или резистор с напряжением обратной связи в случае неинвертирующего усилителя на операционный усилитель (ОУ);

- R 2 – резистор цепи отрицательной обратной связи (ОС) масштабного усилителя на ОУ;

- R_Э – сопротивление резистора в цепи эмиттера в схеме с общим коллектором (ОК);

- R_H – сопротивление нагрузки усилителя в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Таблица 11

№ вар.	Схема усилителя	Однокаскадный транзисторный	Масштабный на базе ОУ	RH (RЭ), кОм
h 11, Ом	h 12	h 21	h 22, См	Тип ОУ	R 1, кОм	R 2, кОм
	Инв.на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ Транз. ОЭ Неинв. на ОУ Транз. ОК Инв. на ОУ	– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –	– – 0,032 – – 3×10–4 – – 1,6×10–4 – – 3,2×10–2 – – 1,6×10–4 – – 3,2×10–2 – – 3×10–4 – – 1,6×10–4 – – 32×10–3 – – 2×10–4 – – 2,4×10–3 – – 1,6×10–4 – –	– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –	– 2,44×10–4 – 1,5×10–4 – 2×10–5 – 2×10–5 – 1,1×10–6 – 6,25×10–6 – 2,44×10–4 – 1,5×10–4 – 2×10–5 – 6,25×10–5 – 1,1×10–6 – 1,5×10–4 – 2,44×10–4 – 2×10–5 – 2×10–5 – 6,25×10–5 – 1,1×10–6 – 1,5×10–4 – 2,44×10–4 – 1×10–5 – 1,1×10–6 – 1,64×10–4 – 2,4×10–5 – 2,44×10–4 – 1,4×10–5 –	140УД20А – 140УД6А – 140УД7А – 140УД8А – 140УД9 – 140УД11 – 140УД14А – 140УД17А – 140УД20А – 154УД1А – 154УД4А – 544УД1А – 544УД2А – 574УД1А – 544УД2А – 1401УД1 – 1401УД2А – 1408УД1 – 140УД6А – 140УД9 – 154УД1А – 544УД1А – 574УД1А – 1401УД2А – 1408УД1 – 140УД20А	– – – – – 4,3 – 0,68 – – – 5,6 – ¥ – – 1,1 – 8,2 – – – 0,75 – – 3,3 – – ¥ – – 0,12 – – –	– – 1,6 – – – – – – – – – – – – – – 1,2 – – 6,8 – – – – – – –	3,6 3,5 2,3 1,5 1,25 2,5 1,5 3,4 5,5 7,5 2,2 1,5 4,7 3,3 2,4 6,8 2,5 2,7 4,5 8,2 1,75 9,1 7,5 1,25 5,6 1,2 3,6 4,7 9,1 6,2 5,1 5,6 3,6