Создание ФНЧ РАУХА

Содержание

Введение 5

1 Стабилизированные источники питания 6

1.1 Обзор стабилизированных источников питания 6

1.1.1  Выпрямители переменного напряжения 6

1.1.2 Мостовая схема 6

1.1.3 Работа выпрямителей на емкостную нагрузку 8

1.2 Расчет и моделирование схемы стабилизированного источника питания 11

2 Активные фильтры 15

2.1 Обзор активных фильтров 15

2.1.1.Пассивный фильтр 15

2.1.2 Активный фильтр 16

2.1.3 Применение 18

2.2 Расчет и моделирование активного ФВЧ Салена-Ки 18

3 Генераторы сигналов 23

3.1 Обзор генераторов 23

3.1.1 Устройство и принцип действия электронного генератора 23

3.1.2 Устройство и принцип действия RC-генератора синусоидальных колебаний на мосте Вина 25

3.2 Расчёт и моделирование генератора синусоидальных колебаний на мосте Вина 27

заключение 31

Список используемых источников 32

Введение

Электроника является универсальным и эффективным  средством для решения самых  различных проблем в области  сбора и обработки информации, автоматического управления  и  преобразования энергии. Знания в области  электроники становятся необходимыми все более широкому кругу специалистов.

Сфера применения электроники постоянно  расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система  оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический  процесс, управление которого осуществлялось бы без использования электроники. Функции устройств электроники  становятся все более разнообразными.

Электроника играет ведущую роль в научно-технической  революции.     Внедрение  электронных приборов в различные  сферы человеческой деятельности в  значительной мере (зачастую решающей) способствует успешной разработке сложнейших научно-технических проблем, повышению  производительности физического и  умственного труда, улучшению экономических  и экологических показателей  производства. 

1 Стабилизированные источники питания

1.1 Обзор стабилизированных источников  питания

Для любого электронного устройства необходим  источник питания, который должен давать в общем случае одно или несколько  значений постоянного напряжения. При  большом потреблении мощности использование  в качестве источника питания  гальванических батарей не экономично. В этом случае постоянное напряжение получают путем трансформирования  и последующего выпрямления напряжения сети.

1.1.1  Выпрямители переменного напряжения

Выпрямление—это процесс преобразования переменного  тока в постоянный посредствам того, что ток имеет возможность  протекать только в одном направлении. Выпрямители используются в источниках питания постоянного тока, а также  в таких устройствах, как демодуляторы.

1.1.2 Мостовая схема

В положительный полупериод, когда  верхняя точка вторичной обмотки  трансформатора имеет положительный  потенциал относительно нижней, диоды  VD1 и VD4 открыты и ток протекает по цепи: верхняя точка–диод VD1–нагрузка Rн–VD2–нижняя точка. Диоды VD2 и VD3 в этот полупериод закрыты.

Рисунок 1.1 – Мостовая схема и вид входного и выходного сигналов

В отрицательный полупериод, когда  нижняя точка имеет положительный  потенциал относительно верхней, диоды  VD2 и VD3 открыты, а диоды VD1 и VD4 закрыты.

Ток протекает по цепи: нижняя точка–диод VD2–нагрузка R_н–VD3–верхняя точка.

Нагрузка  в этом случае рассчитывается по формуле:

 

где _{–напряжение на резисторе;}

        _{– ток на резисторе.}

В отрицательный полупериод потенциал  нижней точки вторичной обмотки  трансформатора более положительный, чем потенциал средней точки, который в свою очередь более  положительный, чем потенциал верхней. Поэтому диод VD1 закрыт, а диод VD2 открыт. И ток течет по цепи: нижняя точка–диод VD2–сопротивление нагрузки Rн–средняя точка.

Число фаз выпрямленного напряжения р=2, количество полупериодов, в которые  работают диоды выпрямителя q=1, поэтому  коэффициент выпрямления m=pq=2.

Действующее значение выпрямленного напряжения определяется следующим образом:

                                                                                         _(1.2)

Максимальное  значение обратного напряжения, прикладываемое к каждому из диодов, равно

                                                                                   (1.3)

 

Достоинства:

1)Отсутствует постоянное подмагничивание сердечника трансформатора;

2) Максимальное значение обратного  напряжения на диодах в 2 раза  меньше, чем для двухполупериодной  схемы;

3) Небольшой коэффициент пульсаций;

4) Эффективное использование мощности  трансформатора;

Влияние характера нагрузки на работу выпрямителя.

Наиболее  часто выпрямители используются для питания нагрузки через фильтры  с преобладанием индуктивного или  емкостного сопротивления.

Характерная особенность работы выпрямителей на нагрузку при наличии емкости  или индуктивности состоит в  том, что в интервалы времени, когда диод открыт, в индуктивности  накапливается магнитная, а в  емкости–электрическая энергия.

1.1.3 Работа выпрямителей на емкостную нагрузку

Выпрямители, работающие на емкостную нагрузку, используют при токах нагрузки от долей миллиампер до нескольких ампер. Чем меньше этот ток, тем более  эффективна работа выпрямителей на емкостную  нагрузку по сравнению с работой  на индуктивную.

Рисунок 1.2– Мостовой схема выпрямления с емкостной нагрузкой

В начале каждого полупериода напряжение на входе выпрямителя V₂ начинает увеличиваться и в момент времени ωt₁ станет равным напряжению на конденсаторе V_С=V_н. С этого момента конденсатор начнет заряжаться протекающим через него током I_Сзар, который представляет собой часть протекающего через диоды тока I_д. Вторая часть тока будет протекать через нагрузку.

В момент времени ωt₂ напряжение на входе выпрямителя станет меньше напряжения на конденсаторе. При этом закрываются соответствующие диоды, и ток на выходе выпрямителя отсутствует.

После этого до момента времени ωt₃, соответствующего следующему полупериоду входного напряжения, конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки, однако, несмотря на уменьшение напряжения на конденсаторе, соответствующие диоды выпрямителя закрыты. В момент времени ωt₃, входное напряжение становится равным напряжению на конденсаторе, после чего диоды открываются, и по ним начинает течь ток I_д.

Таким образом, ток через диоды выпрямителя  будет протекать только в интервале  времени 2θ (где θ–угол отсечки анодного тока).

Как следует из принципа действия выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку, наклон кривой напряжения на конденсаторе при разряде возрастает с уменьшением  постоянной времени τ_раз=CR_н.

Следовательно, с уменьшением R_н или С разряд конденсатора происходит быстрее, угол θ увеличивается, при этом уменьшается среднее напряжение V₀ и возрастает переменная составляющая, т.е. пульсация. Если сопротивление нагрузки R_н=∞, то конденсатор не разряжается, и напряжение на нем достигает амплитуды ЭДС вторичной обмотки трансформатора, а пульсация выпрямленного напряжения станет равна нулю.

На  практике емкость конденсатора С  выбирают из условия R_н/Х_С≥10,

где Х_С=1/(mωC)–емкостное сопротивление конденсатора для основной гармоники. Таким образом

 

где f – частота питающей сети.

1.1.4 Стабилизатор напряжения

В большинстве силовых электрических  сетей напряжение поддерживается с  точностью не выше ±5%.

Для питания электронной аппаратуры (особенно для устройств, содержащих микросхемы) требуется значительно  более высокая стабильность питающего  напряжения, достигающая ±0,0001 - 0,5%. Для  обеспечения заданной стабильности питающего напряжения применяют  стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором  напряжения называют устройства, которые  автоматически поддерживают напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности.

В зависимости от рода напряжения стабилизаторы  подразделяются на стабилизаторы переменного  напряжения и стабилизаторы постоянного  напряжения. По принципу стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические  и компенсационные. В качестве параметрических  стабилизаторов используют нелинейные элементы. Стабилизация напряжения в  таких стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольтамперной  характеристики нелинейного элемента.

В параметрических стабилизаторах постоянного  напряжения в качестве нелинейного  элемента используют стабилитроны.

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического  регулирования, в которой эффект стабилизации достигается за счет изменения  параметров управляемого элемента, называемого  регулирующим.

Основными параметрами стабилизатора являются:

- коэффициент стабилизации;

- коэффициент сглаживания пульсации;

- внутреннее сопротивление стабилизатора  R_б.

Недостатками  параметрических стабилизаторов напряжения являются: сравнительно малый коэффициент  стабилизации, ограниченный диапазон токов в цепи нагрузки, невозможность  плавного регулирования выходного  напряжения.

 

где напряжение стабилизации стабилитрона,

  – номинальный ток стабилизации  стабилитрона.

Поэтому компенсационные стабилизаторы  напряжения в этом плане выглядят более эффективными, так как они  не содержат таких недостатков, а  из условия технического задания от нас требуется сравнительно высокий коэффициент стабилизации, выходной коэффициент пульсации, что при использовании параметрического стабилизатора мы не сможем добиться,  соответственно, в проектировании будем использовать компенсационный стабилизатор напряжения.

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения представляют собой систему автоматического  регулирования, которая обеспечивает постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности при  изменениях напряжения сети, тока нагрузки и т.д.

1.2 Расчет и моделирование схемы стабилизированного источника питания

Стабилизированный источник питания; напряжение и частота  сети переменного тока 220В/50Гц, выходное напряжение 27В, выходной ток до 10мA, допустимый коэффициент пульсаций 0.5%.

1.2.1 Расчет  схемы с двух полупериодным выпрямителем напряжения

Найдем  действующее напряжение:

U₂= (U_н+1.3)/0.9=(27+1.3)/0.9=31.4 [В].

Найдем  сопротивление резистора на нагрузке:

R_Н= U_н./I_вых=27/10*10^-3=2.7 [кОм].

Найдем  максимальное действующее напряжение:

U_2max= * U₂=1.41*31.4=44.4 [В].

Найдем  максимальное напряжение на нагрузке:

U_н.max =U_2max- 2В=42.4 [В].

Найдем  среднее значение на нагрузке:

U_н.ср=2*U_{н. мах} / π =27[В].

Найдем  коэффициент трансформации:

K= U₁/ U₂=220В/31.4В=7.

Найдем  максимальное значение тока протекающего по нагрузке:

I_{н max}= U_{н. max}/R_н=15.7[мА].

Найдем  максимальное обратное напряжение:

U_обр.max≥1.3*U_{2 max}/2=1.3*44.4В/2=28.9[В].

Найдем  значение прямого тока через стабилитрон  учитывая коэффициент запаса:

I_пр.≥1.3*I_{н max}=1.3*15.7мA=20.4[мA].

Исходя  из этого, по справочнику выбираем диоды: Д223 (1N879) (U_пр=1В, I_прmax=50мА, U_{обр. max}=50В).

Моделирование схемы

Рисунок 1.3– Мостовой схема выпрямителя

1.2.2 Расчет выпрямителя с емкостным сглаживающим фильтром

С=10/(R_н*f)=10/(2.7 кОм*50)=74мкФ

Номинальное значение: С=100мкФ

U=I_{н max.}/(f*C)=15.7/(50*100*10^(-3))=3В

α= U/ U_н=3В/27В=11%.

 

Моделирование схемы с емкостным сглаживающим фильтром

Рисунок 1.4 – Мостовой схема выпрямления  с емкостной нагрузкой

Моделирование схемы: двухполупериодного выпрямителя  с емкостным фильтром и параметрическим  стабилизатором напряжения

Расчет  и моделирование стабилизатора  напряжения

U_ст=U_н=27В

R_б= (U_вх.-U_ст.)/( I_ст+I_н)=(42.4-27)В/((25+10)*10^-3)А=440 Ом.

α= U/ U_н=8мВ/27В=0.03%

Из  этого выбираем стабилитрон:BZD23-27 (U_ст=27 В, I_ст=25мА) .

Рисунок 1.5 – Мостовой схема параметрического стабилизатора напряжения

Показания осциллографа в режиме AC:

Рисунок 1.6 – Осциллограмма выходного  напряжения параметрического стабилизатора  напряжения

 

1.2.3 Расчет компенсированного стабилизатора напряжения

U_кэ.max=1.3* U_вх=1.3*31.4В=41В

I_кэ.max=1.3*I_н=1.3*10mA=13мA

P_max= I_{эк. max}* U_{эк. max}=41В*13мA=533 мВт

Коэффициент пульсаций равен:

α= U/ U_н=6.5мВ/27В=0.024%

Из  этого выбираем стабилизатор напряжения: КТ645А (I_{кэ. max}=300мА, U_{кэ. max}=50В, P_max=500мВт).

Моделирование компенсированного стабилизатора  напряжения:

Рисунок 1.7 – Схема компенсационного стабилизатора  напряжения

 

Показания осциллографа в режиме AC:

Рисунок 1.8 – Осциллограмма выходного  напряжения компенсационного стабилизатора  напряжения

 

Вывод: В результате мы получили схему компенсационного стабилизатора напряжения с выходным напряжением 27 [В] и коэффициентом  пульсаций 0,02%, что соответствует  нашему заданию.