Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара

Факультет фізики, електроніки та комп’ютерних систем

Кафедра експериментальної фізики та фізики металів

 

КУРСОВА  РОБОТА

з дисципліни

Основи сучасної електроніки

на тему:

Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

 

Студента ІІ курсу групи КА-12-1

Напряму підготовки 6.050902

Радіоелектронні апарати

Тарана А.А.

Керівник ас. Гасанов Е.М.

Національна шкала

Кількість балів:

Оцінка ECTS

Члени комісії:

________________ ____________________

________________ ____________________

________________ ____________________

 

 

Дніпропетровськ

2014

 

Зміст

Вступ…………………………………………………………………………….....3

1. Прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах…..……………….….4

1.1 Прецизійні випрямлячі. ……………………………………………..5

1.2. Внутрішня структура таймера……………………………………………….6

2. Генератори на таймері  NE555………………………………………………...9

2.1.Генератор імпульсів форми меандр………………………………………….9

3. Розробка макетів генератора  прямокутних та пилоподібних  імпульсів..…12

3.1 Генератор пилоподібних  імпульсів………………………………………...12

3.2. Генератор прямокутних  імпульсів………………………………………...18

Висновки………………………………………………………………………....24

Список використаної літератури……………………………………………….25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Метою курсової роботи є створення прецизійні випрямлячі на операційних підсилювачах

Випрямляч ( електричного струму) - перетворювач електричної енергії; механічне, електровакуумне, напівпровідниковий або інший пристрій, призначений для перетворення змінного вхідного електричного струму в постійний вихідний електричний струм. [1] [2]

Більшість випрямлячів створює не постійні, а пульсуючі односпрямовані напруга і ток, для згладжування пульсацій яких застосовують фільтри.

Пристрій, що виконує зворотну функцію - перетворення постійних напруги та струму в змінні напруга і струм - називається інвертором.

Через принципу оборотності електричних машин випрямляч і інвертор є двома різновидами однієї і тієї ж електричної машини (справедливо тільки для інвертора на базі електричної машини).

Для досягнення поставленої мети у роботі необхідно розв’язати такі задачі:

1. Обрання та вдосконалення принципових схем.
2. Перевірка на макетній платі.
3. Розробка друкованих плат у програмному забезпеченні PCAD PCB.
4. Створення макету в лабораторних умовах.
5. Дослідженя данних макету за допомоги цифрового осцилографа.

 

 

 

 

 

 

 

1. Класифікація

Ртутний випрямляч

Випрямлячі класифікують за такими ознаками:

• по виду перемикача випрямляється струму
• механічні синхронні з щеточноколлекторним комутатором струму [3];
• механічні синхронні з контактним перемикачем (випрямлячем) струму;
• з електронною керованою комутацією струму (наприклад, тиристорні);
• електронні синхронні (наприклад, транзисторні) - як різновид випрямлячів з керованою комутацією;
• з електронною пасивної комутацією струму (наприклад, діодні);
• по потужності
• силові випрямлячі [4];
• випрямлячі сигналів [5];
• по мірі використання напівперіодів змінної напруги
• однополуперіодні - пропускають в навантаження тільки одну півхвилю [6];
• двухполуперіодні - пропускають в навантаження обидві напівхвилі;
• неполноволновие - не повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;
• полноволновие - повністю використовують синусоїдальні напівхвилі;
• за схемою випрямлення - мостові, з множенням напруги, трансформаторні, з гальванічною розв'язкою, бестрансформаторних і пр.;
• по кількості використовуваних фаз - однофазні, двофазні, трифазні і багатофазні;
• за типом електронного вентиля - напівпровідникові діодні, напівпровідникові тиристорні, лампові діодні ( кенотронні), газотроні, ігнітроном, електрохімічні та ін;
• по керованості - некеровані (діодні), керовані (тиристорні);
• за кількістю каналів - одноканальні, багатоканальні;
• по величині випрямленої напруги - низьковольтні (до 100В), средневольтовие (від 100 до 1000В), високовольтні (понад 1000В);
• за призначенням - зварювальний, для харчування мікроелектронної схеми, для харчування лампових анодних ланцюгів, для гальваніки і пр.;
• за ступенем повноти мостів - полномостовие, полумостовой, четвертьмостовие;
• по наявності пристроїв стабілізації - стабілізовані, нестабілізованим;
• з управління вихідними параметрами - регульовані, нерегульовані;
• по індикації вихідних параметрів - без індикації, з індикацією (аналогової, цифровий);
• за способом з'єднання - паралельні, послідовні, паралельно-послідовні;
• за способом об'єднання - роздільні, об'єднані зірками, об'єднані кільцями;
• по частоті випрямляється струму - низькочастотні, середньочастотні, високочастотні.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Застосування

2.1. Випрямлення електричного струму

Випрямлячі зазвичай використовуються там, де потрібно перетворити змінний струм в постійний струм. Застосування випрямлячів для перетворення змінного струму в постійний викликало поняття середнього значення струму за модулем (тобто без урахування знака ординати) за період. При двопівперіодним випрямлянні середнє значення по модулю визначається як середньоарифметичне значення всіх ординат обох напівхвиль за цілий період без урахування їх знаків (тобто вважаючи всі ординати за період позитивними, що і має місце при двопівперіодним ідеальному випрямленні).

Приймачами електроенергії з нелінійними характеристиками є в першу чергу всілякі перетворювальні установки змінного струму в постійний, використовують різні вентилі.

Сюди відносяться випрямні установки для:

• залізничної тяги
• міського електротранспорту
• електролізу (виробництво алюмінію, хлору, їдкого натру та ін)
• харчування приводів прокатних станів
• збудження генераторів електростанцій

В якості вентилів до останнього часу використовувалися в основному ртутні випрямлячі (некеровані і керовані). В даний час широке застосування знаходять переважно кремнієві напівпровідникові випрямлячі. Впроваджуються тиристорні випрямлячі.

Зазвичай випрямні установки виконуються великої потужності і приєднуються через спеціальні трансформатори до мережі живлення на напрузі 6 - 10 кВ. Випрямні установки невеликої потужності виконуються за трифазною схемою з нульовим виводом.

 

2.1.1. Блоки живлення апаратури

Застосування випрямлячів в блоках живлення радіо-і електроапаратури обумовлено тим, що зазвичай в системах електропостачання будівель або транспортних засобів (літаків, поїздів) застосовується змінний струм, і вихідний струм будь-якого електромагнітного трансформатора, застосованого для гальванічної розв'язки ланцюгів або для зниження напруги, завжди змінний, тоді як в більшості випадків електронні схеми і електродвигуни цільової апаратури розраховані на харчування струмом постійногонапруження.

• Блоки живлення промислової і побутової радіо-і електроапаратури (в т.ч. так звані адаптери ( англ. AC-DC adaptor )).
• Блоки живлення бортової радіоелектронної апаратури транспортних засобів.

 

2.1.2. Випрямлячі електросилових  установок

• Випрямлячі харчування головних двигунів постійного струму автономних транспортних засобів і бурових верстатів.

Як правило, на автономних транспортних засобах ( автомобілях, тракторах, тепловозах, теплоходах, атомоходах, літаках) для отримання електроенергії застосовуютьгенератори змінного струму, так як вони мають велику потужність при менших габаритах і вазі, ніж генератори постійного струму. Але для приводів рушіїв транспорту зазвичай застосовуються двигуни постійного струму, так як вони дозволяють простим перемиканням полюсів живлячого струму керувати напрямком руху, і мають необхідну тягову характеристику (великий крутний момент при низькій частоті обертання ротора). Це дозволяє відмовитися від складних, важких і ненадійних коробок перемикання передач. Також застосовується і для приводу бурильних верстатів бурових вишок.

• Перетворювачі бортового електропостачання постійного струму автономних транспортних засобів: автотракторної, залізничної, водної, авіаційної та іншої техніки.

Генерація електроенергії на транспортному засобі зазвичай проводиться генератором змінного струму, але для живлення бортової апаратури необхідний постійний струм. Наприклад, в легкових автомобілях застосовуються електромеханічні або напівпровідникові випрямлячі.

 

2.1.3. Зварювальні апарати

У зварювальних апаратах постійного струму застосовуються найчастіше мостові схеми на потужних кремнієвих випрямних діодах - вентилях, з метою отримання постійного зварювального напруги і струму. Він відрізняється від змінного тим, що при використанні його сильніше нагрівається область дуги близько позитивного (+) її полюса, що дозволяє або здійснювати щадну зварювання деталей, що зварюються переважно плавким зварювальним електродом, або економити електроди, здійснюючи різання металу електродуговим зварюванням.

 

2.1.4. Вентильні блоки перетворювальних  підстанцій систем енергопостачання

• Для харчування головних двигунів постійного струму прокатних станів, кранів та іншої техніки

Енергопостачання заводів здійснюється електромережею змінного струму, але для приводів прокатних станів та інших агрегатів вигідніше використовувати двигуни постійного струму з тієї ж причини, що і для двигунів транспортних засобів.

• Для гальванічних ванн ( електролізерів) для отримання кольорових металів і стали, нанесення металевих покриттів і гальванопластики.
• Установки електростатичного очищення промислових газів ( електростатичний фільтр)
• Установки очищення та знесолення води
• Для електропостачання контактних мереж електротранспорту постійного струму ( трамвай, тролейбус, електровоз, метро)
• Для несинхронно зв'язку енергосистем змінного струму [7]
• Для дальньої передачі електроенергії постійним струмом [8].

 

2.1.5. Випрямлячі високочастотних  коливань

У складі ректенн :

• в перспективних системах збору енергії оточуючих шумових електромагнітних сигналів.
• в перспективних системах бездротової передачі електроенергії.

2.2. Детектування високочастотного  сигналу

У найпростішому випадку детектор амплітудно-модульованого сигналу влаштований аналогічно випрямлячу. Принцип роботи заснований на припущенні, що частота несучої значно вище частоти модульованого сигналу, а коефіцієнт модуляції менше одиниці. У цьому випадку сигнал на вході пристрою випрямляється і фільтрується за допомогою ФНЧ із частотою зрізу більшою, ніж максимальна частота модулюючого сигналу.

Найпростіший доданий АМ детектор

Схема АМ детектора на базі однополуперіодного випрямляча.

Демодулятор амплітудно модульованого високочастотного сигналу в простому випадку являє собою однополуперіодний випрямляч на одному діоді з вихідним фільтром зконденсатора і резистора. Співвідношення номіналів резистора і конденсатора вибирається так, щоб оптимально згладжувати напівперіоди несучої високої частоти. При перевищенні амплітуди напівперіодів несучої вище напруги на конденсаторі ємність заряджається, при зменшенні амплітуди напівперіодів несучої нижче напруги на конденсаторі ємність розряджається, тим самим обвідна відновлює модулюючий (низькочастотний) сигнал. При демодуляції сигналу звукових частот (20-20000 Гц) як правило, застосовується кремнієвий або германієвий діод і конденсатор ємністю близько 10-47 нФ. Розглянута схема діодного АМ детектора отримала назву детектор з відкритим входом, тому що постійна складова амплітудно модульованого високочастотного сигналу (при її наявності) безперешкодно проходить на навантаження детектора.

Схема АМ детектора з закритим входом або параллелльного детектора.

 
Якщо ж поміняти місцями діод і конденсатор, вийде детектор з закритим входом або паралельний детектор, не пропускає постійну складову на навантаження. За такою схемою будуються детекторні головки (ВЧ-пробники), для вимірювання змінної напруги радіочастотного діапазону за допомогою вольтметра постійного струму.

2.2.1. Балістичний випрямляч

Балістичний випрямляч, описаний у статті Room-Temperature Ballistic Nanodevices. Aimin M. Song [9], може знайти застосування для детектування дуже високочастотних сигналів (до 50 ГГц).

3. Характеристики

• Номінальна вихідна напруга постійного струму і допустимий діапазон його зміни;
• Номінальний струм навантаження;
• Діапазон ефективного вхідної напруги змінного струму (наприклад 220 В 10%);
• Допустима вихідна пульсація, її амплітудно-частотні характеристики;
• Навантажувальна характеристика.
• Еквівалентна внутрішнє комплексне (у першому наближенні активне) опір.
• Коефіцієнт використання габаритної потужності трансформатора.