Электронная техника и преобразователи контр

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(МИИТ)

СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДЕНО

Выпускающей кафедрой Проректором - директором РОАТ

«Электрификация и
электроснабжение»

Зав. кафедрой Д.т.н. проф. Апатцев В.И.

Д.т.н., проф. Бугреев В.А.

Кафедра «Электрификация и электроснабжение»

Автор: Харченко А.Ф., к.т.н., ст.н.ст.

Задания и методические указания по выполнению
контрольной работы дисциплины

«Электронная техника и преобразователи в
электроснабжении»

для студентов 5 курса

Специальность: 23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов»

Специализация: «Электроснабжение железных дорог»

Квалификация выпускника: специалист

Форма обучения: заочная

Одобрено на заседании кафедры
«Электрификация и электроснабжение»

Протокол № от 20 г.

Москва 2015

Рекомендации по оформлению контрольной работы

Перед выполнением контрольной работы необходимо рассмотреть
задание на контрольную работу и изучить методические указания к
выполнению задач. Для более детального изучения теоретического
материала следует использовать рекомендованную в методических указаниях
литературу.

Номер варианта и соответствующие исходные данные для расчета
приводятся в условиях на каждую задачу и выбираются студентами по двум
последним цифрам учебного шифра студента.

При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать
следующие правила:

• - контрольная работа оформляется в виде расчетно-пояснительной
  записки оформленной на компьютере с распечаткой на листах формата А4 с
  одной стороны в соответствие с общими требованиями к подобным
  документам (буквенные и графические обозначения должны соответствовать
  ГОСТам);
• - на первом (титульном) листе записки должны быть указаны: название
  университета и кафедры; название дисциплины, по которой выполняется
  контрольная работа; фамилия и учебный шифр студента, а также фамилия
  проверяющего преподавателя;
• - условие задачи должно быть полностью перенесено в контрольную
  работу с численными значениями своего варианта;
• - графический материал выполняется на миллиметровой бумаге или с
  использованием компьютерной графики в формате А4 (210 х 297) и
  подшивается к расчетно-пояснительной записке в соответствующих местах.
  Графики должны иметь наименование. Масштабы для графиков
  выбираются студентами самостоятельно с учетом точности требуемой для

расчетов;

• - при выполнении расчетов следует привести расчетную формулу,
  сделать подстановку численных значений и записать результат с указанием
  размерности. Результаты расчетов достаточно приводить с точностью до
  трех-четырех значащих цифр, если она не оговаривается особо;
• - расшифровку каждого условного обозначения приводить в каждой
  задаче один раз при его первом использовании;
• - необходимые пояснения формировать самостоятельно, по возможности
  кратко и ясно (не следует переписывать в качестве пояснений тексты из
  методических указаний или литературных источников);
• - в конце работы должны быть указаны: список используемой
  литературы, дата выполнения работы и подпись студента;
• - все исправления и дополнения, выполненные по замечаниям
  рецензента, размещаются в конце работы.

Внимание! Работы, выполненные не по своему варианту, а также
диаграммы и зависимости, выполненные без масштаба и наименований, не

проверяются и не зачитываются.

ЗАДАЧА 1

Расчёт однокаскадного ключевого усилителя на транзисторе

• 1. Составить схему однокаскадного ключевого усилителя на транзисторе

типа p-n-p.

Усилитель соединяется с источником входных импульсов посредством
резисторов связи (R_с) и смещения (R_см).

• 2. Заданы: напряжение питания коллекторных цепей ^UК , напряжение
  источника положительного смещения ^UСМ , величина сопротивления
  нагрузки каскада ^RК , предельная частота следования импульсов ^fПР и
  наибольшая температура окружающей среды ^MAX .

Требуется выбрать тип транзистора и номинальные величины резисторов R_с
и Rсм, обеспечивающих ключевой режим усилителя при потенциалах входа
^ϕВ и ^ϕН.

Предполагается, что импульс на вход усилителя подается от аналогичных

транзисторных схем, причем по модулю нижний ^ϕН (отрицательный)

потенциал входа относительно зажима U_K составляет ^Н ^а' UК, а верхний
^В = UкЭО + Uпо|, где UКЭО — напряжение коллектор-эмиттер при насыщении

выходного транзистора (открытого); ^{U ПО} – напряжение помехи.

• 3. Найти значения потенциала входа ^ϕВХ и ^ϕВХ , при которых еще

обеспечивается ключевой режим каскада в случае плавного изменения

сигнала ^ВХ = ^F(t) между ^В и ^Н (рис. 1).

• 4. По диаграмме, представленной на рис. 1, и найденным ^ϕВХ и ^ϕВХ
  построить диаграмму изменения потенциала коллектора ^К = f (t)

транзистора V в ключевом режиме.

Исходные данные выбираются из табл. 1 и табл. 2.

Таблица 2

ЗАДАЧА 2

Расчет неуправляемого выпрямителя с идеальными диодами и
трансформатором

Задаются напряжение сети ^UC , средние значения выпрямленного
напряжения ^d и тока ^d на активной нагрузке, число пульсаций

выпрямленного напряжения за период.

• 1. Составить схему выпрямителя.
• 2. Рассчитать основные параметры трансформатора при питании активной
  нагрузки непосредственно от выпрямителя (условия «а»).
• 3. Рассчитать параметры токов и напряжении на нагрузке, если
  последовательно с активной нагрузкой включена индуктивность
  сглаживающего реактора, обеспечивающего заданное отношение ^kп

действующего значения основной гармонической составляющей тока Idn к
^Id (условия «б»).

• 4. Для обоих вариантов построить временные диаграммы выпрямленного
  напряжения и тока, ЭДС и тока вторичной (вентильной) обмотки
  трансформатора, напряжение на одном из вентилей и тока вентиля.

При выполнении расчетов и построении диаграмм трансформатор и
вентили считать идеальными, а активным сопротивлением обмотки
сглаживающего реактора можно пренебречь.

Исходные данные выбрать из табл. 3 и 4 по соответствующим цифрам
учебного шифра.

Таблица 3

Таблица 4

Методические указания по содержанию и выполнению
задачи 1

Построение принципиальной схемы усилителя необходимо начать с изучения
существующих схем и теории работы транзистора в ключевом режиме,
изложенных, например, в [1;2].Пример построения расчетной схемы
приведен на рис. 2.

Рис. 2

Выбор типа транзистора осуществляется с использованием исходных
данных Uк, Rк, ^fПР , Тmaх, приведенных в табл. 1 и 2. Параметры некоторых
транзисторов приведены в Приложении 1, более подробная информация о
транзисторах дана в справочниках [3,4] и в Интернете.

Величины резисторов связи Rс и смещения Rсм рассчитываются из
следующих соображений. В открытом состоянии транзистора V необходимо
обеспечить базовый ток, достаточный для его надежного насыщения, поэтому
коэффициент насыщения должен быть 1,5-2. Потенциал входа равен
вычисленному значению ^Н, а потенциал на базе ф_б'= UКЭО. Ток базы
определяем с учетом минимального коэффициента усиления В, выбранного типа

транзистора, тогда

Iб = (1,5 - 2) • I^m^-,
B

(1)

где Irmax= Uк/ R

к.

Расчетная схема в режиме насыщения (транзистор полностью открыт)
примет вид, представленный на рис. 3.

Рис. 3

По этой схеме с использованием первого закона Кирхгофа и закона Ома
составляем уравнение, связывающее известные или выбранные значения ^UСМ,

^Н, фб', 1б' с исковыми сопротивлениями R_c и R_CM. Получаем уравнение с
двумя неизвестными (R_с и R_см).

/// /

I c = I б + I см . I б +

U см - У б = У б - У н

^Rсм ^Rc

.

(2)

Для определения Rс

находится в закрытом

и Rсм составляем второе уравнение, когда транзистор
состоянии (режим отсечки). В закрытом состоянии

транзистора расчетная схема принимает вид представленный на рис. 4.

Рис. 4

Потенциал на базе фб'' выбираем на небольшом положительном уровне
(0,2-1 В), чтобы обеспечить надежное запирание транзистора. Необходимый в

расчетах коллекторный ток в закрытом состоянии при заданной максимальной
температуре окружающей среды определяется по следующей формуле

Iкоmax

= 1ко ^ехр[(Ттах — Тс)8],

(3)

где I_ко - обратный ток коллектора, выбранного транзистора;

δ - 0,038-0,09 для германиевых и 0,12 для кремниевых транзисторов;

Т_с – температура окружающей среды, для которой дано значение I_ко в

справочниках (обычно 25°С).

Принимаем, что ток базы в режиме отсечки

//

б ко max *

По схеме, представленной на рис. 4 составляем аналогичные (2) уравнения, в
которых R_с и R_см неизвестны.

I // =1" -т .
с см ко max

Uсм

//
ϕ_б

Rсм

т У б - У В

^ ко max

(4)

Совместное решение уравнений (2) и (4) даст искомые значения
сопротивлений резисторов Rс и Rсм. Полученные значения сопротивлений
резисторов необходимо округлить до значений, предусмотренных стандартной
шкалой номиналов резисторов, и в последующих расчетах нужно использовать
выбранные номиналы.

Шкала номинальных значений резисторов

10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 I х 10^я, [Ом],

33 36 3? 43 47 51 56 62 68 75 82 91 J
где и = 0,1, 2 ...

После выбора номиналов резисторов R_с и R_см можно приступить к решению
п. 3 задания. Для этого надо составить две расчетные схемы наподобие схем
представленных на рис. 3 и 4 с известными R_с и R_см, но неизвестными ^ϕВХ и
ϕ ′_В′_Х
.

Значение ^ϕВХ соответствует моменту, когда транзистор еще находится в
режиме насыщения, т.е. его ток базы минимальный для режима насыщения
(коэффициент насыщения равен 1, а не 1,5-2 раза больший, как было принято

для надежной работы ключа). Значение фб' равно падению напряжения в

открытом эмиттерном переходе ф_б'= UКЭО. С учетом этих особенностей и

составляется уравнение по аналогии с (2), но с одним неизвестным ^ϕВХ .

Значение ^ϕВХ соответствует моменту закрытия транзистора, т.е. φб´´= 0 и

Iб´´= 0. С учетом этих требований составляется уравнение по аналогии с (4), но
с одним неизвестным ^ϕВХ .

Решение новых уравнений с неизвестными ^ϕВХ и ^ϕВХ позволяет вычислить

их значения, после чего необходимо построить диаграмму изменения

потенциала коллектора

^к = f ^(t)

транзистора V в ключевом режиме.

На рис. 1

приведен пример диаграммы входного сигнала. Диаграмму напряжения на

выходе каскада следует строить под диаграммой входного сигнала в одном
масштабе времени, обозначив и указав масштабы напряжений, согласно

заданию.

Масштаб по времени выбрать произвольно. При t < t' транзистор находится в

режиме насыщения, φк определяется падением напряжения эмиттер- коллектор
транзистора (UКЭО); при t'< t < t'' транзистор работает в усилительном
режиме, т.е. ф_к изменяется пропорционально ф_вх; при t >t'' транзистор заперт.

Определяя φ_к в запертом состоянии, можно пренебречь нулевым
коллекторным током транзистора, тогда φ_к = Uк.

Методические указания по содержанию и выполнению
задачи 2

Схему выпрямителя следует составить после ознакомления с
существующими схемами выпрямления однофазного или трехфазного тока,
обеспечивающих заданную кратность пульсаций р [5;6].

Затем выполнить расчет основных параметров трансформатора, в
предположении, что нагрузка чисто активная (условие «а»). Расчет
действующих значений токов I₂ и ЭДС E₂ во вторичной обмотке

трансформатора, действующие значения тока I₁ в сетевой обмотке
трансформатора, амплитуду обратного напряжения U_bm (напряжения на
закрытом диоде), а также типовую мощность трансформатора проводить с
использованием «Основных соотношений в выпрямителях» приведенных в
Приложении 2.

Коэффициент трансформации можно определить как отношение U_c/E₂.

Амплитудные значения тока и напряжения для однофазных схем
выпрямления превышают действующие значения на величину √2; а для
трехфазных схем - √6. Сопротивление активной нагрузки определяется по
закону Ома: Rd = Ud/ Id.

При активной нагрузке форма тока повторяет форму напряжения. Временные
диаграммы выпрямителя работающего на активную нагрузку должны
отражать изменения: u₂, u_d, i_d, i_а1, i_1,2, в течение 1,5 периода промышленной
частоты. Где iа1, i1,2 - соответственно, текущее значение тока через один из
диодов и текущие значения токов в первичной и вторичной обмотках
трансформатора. На диаграммах ud=ƒ(ωt) и id =ƒ(ωt) нанести горизонтальные
линии, соответствующие I_d, U_d. Типичные временные диаграммы напряжений и
токов для различных схем выпрямления приведены в [5;6].

Расчет параметров токов и напряжения на нагрузке, если последовательно с
активной нагрузкой включена индуктивность сглаживающего реактора (условие
«б»), следует начать с определения величины индуктивности реактора
необходимой для сглаживания тока до заданной степени.

Для определения величины индуктивности реактора нужно вывести
соотношение между действующим значением переменной составляющей тока
нагрузки и индуктивностью реактора.

Эту задачу можно решить, применив разложение кривой выпрямленного
напряжения в ряд Фурье [7]. В данной задаче нет смысла учитывать гармоники
высших порядков, и следует ограничиться влиянием только первой (основной)
гармоникой, так как амплитуда второй гармонической составляющей тока

почти в 10 раз меньше амплитуды первой (основной) гармоники
выпрямленного тока, что обеспечит точность расчетов в пределах 2-3%.

Для определения величины индуктивности L, необходимой для обеспечения
заданной значении к_п, необходимо опередить подводимые к нагрузке
пульсирующие напряжение и ток.

Амплитуду напряжения гармонических составляющих n можно определить по
формуле

Udм (n) = 2Ud /(n²-1),(5)

а амплитуду тока соответствующей (n) гармонической составляющей по
формуле

IdM(n) =UdM (n)/(Rh +jX(n)) = UdM (n)/(Rh +jn®L)=2Ud/(n²-1)(RH +jn®L). (6)

По условиям задачи Idм(n)= кп·Id√2.(7)

Тогда величина индуктивности реактора L определяется из выражения
кп^2 = 2Ud /(n²-1)(R +JnaL).(8)

Если индуктивное сопротивление X(n)>5 R_H, то индуктивности L. можно в этом
случае вычислить по выражению

кп^2.= 2Щ[(п²-1)(п_а1)].(9)

Фазовый угол основной гармоники тока можно определить из выражения

φ = arctg ( X(n) /Rd ).(10)

При построении диаграмм для условия «б» следует в одних осях с u_d
построить синусоиду основной гармоники переменной составляющей
выпрямленного напряжения. Диаграмму i_d =ƒ(ωt) построить с учетом фазового
угла основной гармоники выпрямленного тока.

Диаграммы токов диода и обмотки трансформатора являются выкопировки
из кривой i_d =ƒ(ωt) с учетом длительности и направления протекания i_d по ним.

Все диаграммы должны строиться с соблюдением выбранных масштабов
угла, напряжения и тока. Масштабы напряжения (тока) всех диаграмм,

иллюстрирующих работу вторичной обмотки трансформатора и цепей
выпрямителя должны быть одинаковыми.

Решение условия «б» можно также решить с помощью дифференциального
уравнения, описывающего схему рис. 5.

Рис. 5

Рекомендуемая литература

• 1. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1982.
• 2. Засорин С.Н. и др. Электронная и преобразовательная техника. –М.:
  Транспорт, 1981
• 3. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности:
  Справочник: под ред. Гололедова А.В..-М.: Радио и связь. КУБК-а,1994.
• 4. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой
  мощности: Справочник: под ред. Гололедова А.В..-М.: Радио и связь.
  КУБК-а,1994.
• 5. Харченко А.Ф. Неуправляемые силовые полупроводниковые
  выпрямители: Уч. пос. - М.: МИИТ,2009.
• 6. Попков О.З. Основы преобразовательной техники: Уч. пос. –М.:
  Издательский дом МЭИ, 2007.
• 7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические
  цепи. – М. : Высшая школа, 1978.

Приложение 1

Основные соотношения в выпрямителях работающих на активную нагрузку

Принятые обозначения:

• U₂ - действующее значение фазного напряжения вторичной (вентильной)
  обмотки трансформатора;

U_d – среднее значение выпрямленного напряжения;

U_dас - действующее значение переменной составляющей выпрямленного
напряжения;

Ubm – максимальное значение обратного напряжения на вентиле;

Id – среднее значение выпрямленного тока в нагрузке;

Iа - среднее значение выпрямленного тока, протекающего через один вентиль
или через одно плечо выпрямительной схемы;