范文一:单相桥式整流电路教案
教 案
【课 程】电工与电子技术 【课 题】单相桥式整流电路 【授课教师】 【授课班级】 【授课时间】 【授课地点】 【总课时数】二课时
*****年**月**日
【授课课题】单相桥式整流电路(1) 【授课课型】综合型
【教学目的】掌握单相桥式整流电路的结构和工作情况 【教学重点】单相桥式整流电路的结构和工作情况 【教学难点】整流电路的工作情况 【教学方法】讲授法 【课时安排】一课时 【教学用具】直尺 【教学过程】 一、新课导入:
交流电在产生、输送和使用方面有很多优点,因此发电厂所提供的电能几
乎全是交流电,但是在工矿企业和人们日常生活中还经常用到直流电。例如:我们家庭中使用的手机在给手机电池充电时需要用到直流电,工业上的直流电动机、电解、电镀等都需要直流供电。但是用干电池、太阳能电池作为直流电源,虽然使用方便,但提供的功率较小,只能用在一些特殊的场合;解决供电和用电之间的矛盾的最经济简便的措施是将交流电变换为直流电
二、引入正题
1.电路结构
所谓的整流就是将交流电变换为直流电的过程。单相桥式整流电路就是电路中四只二极管接成电桥形式,如下图(a)所示,这种电路有时被画成图(b)或图(c)的形式
2.工作原理
二次电压u2 波形如下图(a)所示。设在交流电压正半周期,A点电位
高于B点电位。二极管V1、V3正偏导通,V2、V4反偏截止,电流通路是A→V1→RL→V3→B→A。这时负载上得到一个半波电压如下图(b)。在交流电压负半周期时,B电电位高于A点,此时V2,V4正偏导通,V1,V3反偏截止,电流通路是B→V4→RL→V2→A→B。同样在负载上得到一个半波电压如下图(b)所示。
三、课堂练习
画出V1、V3正偏导通时,桥式整流电路的电流通路
【作业布置】
画出V2、V4正偏导通时,桥式整流电路的电流通路
【教学小结】
通过本次课的学习我们了解到在交流输入电压的正负半周,都有同一方向的电流流过RL,四只二极管中,两只两只轮流导通,IL=IL1+IL2,在负载上得到全波脉动的直流电压和电流,所以这种整流电路属于全波整流类型,也称为单相桥式全波整流
【授课课题】单相桥式整流电路(2) 【授课课型】综合型
【教学目的】掌握单相桥式整流电路的一般计算 【教学重点】单相桥式整流电路的一般计算 【教学难点】负载上直流电压和电流的计算 【教学方法】讲授法、练习法 【课时安排】一课时 【教学用具】直尺 【教学过程】 一、新课导入:
上次课我们学习了桥式整流电路的的结构和工作原理,这只是定性的对桥式整流电路进行了分析,在实际应用时我们的电路是要接负载的,而负载上的电流电压如何进行计算将是我们这次课详细讨论的内容。
二、引入正题:
1.负载上直流电压和电流的计算
在单相桥式整流电路中,交流电在一个周期内的两个半波都有同方向的电流流过负载,因此在同样的U2时,该电路的电流和电压均比半波大一倍。 UL≈0.9U2 整流变压器二次电压:
U2≈UL/ 0.9≈1.11 UL 流过负载的平均电流:
IL=UL/RL≈0.9U2/RL 2.整流二极管上的电流和最大反向电压
在桥式整流电路中,由于每只二极管只有半周期时导通的,所以流过每只二极管的平均电流只有负载电流的一半,即 IF=1/2IL≈0.45U2/RL
每只二极管承受的最大反向电压是u2的峰值如下图,即
URM=2U2=2/0.9UL≈1.57UL
在U2正半周期时V1、V3导通,V2、V4截止,这时变压器二次侧A端接至V2、V4的负极,B端接到V2、V4的正极,可见V2、V4承受的最大反向电压为u2的峰值
三.课堂练习:
某电磁工作台绕组的直流电阻为82Ω,为了使电磁工作台能牢固吸住工件,通入的直流电流应取1.5A,若采用单相桥式整流电路,试计算整流变压器二次电压。
解:电磁工作台绕组的两端电压为: UL = IL RL=1.5×82=123V
变压器二次电压为:
U2≈1.11 UL=1.11×123=137V
【作业布置】
某电器设备采用桥式整流电路整流,电源为220V交流电,整流电路电压为6V,电流为25mA,试求整流二极管参数。
【教学小结】
本次课通过分析桥式整流电路中整流二极管上的电流和最大反向电压,我们总结出桥式整流电路的特点是,输出电压脉动小, 每只整流二极管承受的最大反向电压和半波整流一样。由于每半个周期内变压器二次绕组都有电流流过,变压器的利用效率高,所以在仪器仪表、通信、控制装置等设备中应用最为广泛。
范文二:单相桥式整流电路 教案
《单相桥式整流电路》授课教案
【授课班级】 电气技术应用专业11春电气班 【学生人数】 52人
【教 材】 校本教材《实用电工电子》 【教学内容】 《单相桥式整流电路》 【授课形式】 课堂教学 【授课时间】 2个课时 一、【教材分析】
本节课选自校本教材第十章第二节《单相桥式整流电路》,整节教学分两个课时完成,整流电路是二极管最基本的应用电路,也是电子技术中最基本的电路之一。学好这节课对学习直流稳压电源电路至关重要。学生掌握了本章节的内容能够为下一步学习滤波电路和直流稳压电源奠定基础。在教材中起到承上启下的作用。单相桥式整流电路是整流电路中的一种,由于其优点明显,实用性强,在大、中、小型各种实际电路中都有十分广泛的应用。
二、【学情分析】 存在的问题:
1.学生为初中毕业,年龄在15-17周岁之间,学习态度不够端正,没有良好的学习习惯,缺乏必要的探索研究问题的能力。
2.学生基础知识薄弱,对电路工作原理难以理解,容易产生厌倦。
解决的方法:
1.从学生熟悉的应用(直流稳压器、手机充电器等)入手,激发学生的学习兴趣。
2.提高课堂吸引力,采用动画演示和动手实验等方法,尽可能的让学生动手、动脑,提升他们理解问题的能力,与他人合作的能力。
三、【教学目标】
1、知识目标: 掌握单相桥式整流电路各种元器件的图形与文字符号,并能画出电路图、波形图,简述其工作原理。培养学生动脑的能力、观察的能力,逐步养成科学的归纳分析能力.
2、能力目标: 通过在教师指导下的自主学习,学生学会分析单相桥式整流电路工作原理,学会能应用桥式全波整流电路解决简单问题。
3、情感目标: 通过对单相桥式整流电路的分析、探究,保持良好的求知欲,乐于探索规律,让学生体验学习过程的快乐,保持学习电子技术基础课程的热情,培养学生的团队协作精神。
四、【教学重点和难点】 重点:
1.单相整流电路的组成; 2.单相整流电路的工作原理。 难点:
1.对单相整流电路的工作原理的理解。 2.二极管两个参数的计算以及电路波形分析
重点难点突破方法: 采用多媒体教学法(动画与视频)、实验操作来解决课程中出现的重点与难点。
五、【教学方法设计】
教法学法:采用“探究性实验教学”,实验演示——观察现象——得出结论,引导学生进行探究式学习,能充分激发学生的好奇心和求知欲,调动学生学习的积极性。并充分运用多媒体动画演示和提问等交互手段,达到突出重点突破难点的目的。
课前准备:220V交流电源、单相变压器、二极管4个、电阻1个、万用表1块、导线若干、示波器、投影仪.
六、【教学过程和步骤】
七、【教学反思】
通过本节课的教学,学生可能还存在电路分析上的困难,分析电路的过程还可能出现似懂非懂的现象,这一问题有待在作业中和下节课的复习巩固过程中得到解决和提高。
范文三:单相桥式整流电路
实验 单相桥式整流电路
一、实验目的
1、提高对整流、滤波等概念的认识。 2、观察单相桥式整流电路中输入、输出波形。
3、加深对单相桥式整流电路中输入与输出电压关系的理解。 4、观察电容滤波的作用,加深对电容滤波电路的理解。 5、熟悉电容负载对整流输出电压的影响。
二、实验仪器
三、实验电路及原理
图 -1 单相桥式整流电路
图 -2 单相桥式整流电容滤波电路
R L
R L
1、根据图 -1,根据二极管的单向导电特性,在正半周 D1、 D3导通,流过负载的 电流为从上到下,即输出电压上正下负;在负半周, D2、 D4导通,流过负载 的电流也为从上到下,也即输出电压上正下负,输入的两个半周都保证流过 负载的电流方向相同,也即将交流电变换为脉动的直流电。由于四个二极管 接成电桥形式,所以称桥式整流。
2、 根据图 -2, 桥式整流电路输出的是脉动的直流电, 在正负极间接上滤波电容 C 时, 利用电容上能储存电荷的特性和电容充放电原理,使输出端的直流电压趋于平滑, 以满足一般使用的要求。
四、实验内容与步骤
1、桥式整流电路的输入、输出波形,测量输入、输出电压。
1)根据图 -1电路在通用电路板上连接线路,检查无误后才可通电。
(注意:为了安全,连接时单相电源插头应先插好通用电路板,后插入实验台插座。 2)用示波器观察变压器次级电压 U 2和负载 R L 上电压 U L 的波形,并记录在表 -1中。
RL =2K )
(注意:描绘波形时注意波形的位置)
2、用万用表相应档位测量变压器次级电压 U 2和整流输出电压 U L ,将数据记录在 表 -2中
3、观察电容滤波和负载变化对整流输出电压的影响
1)按图 -2所示电路在电路板上连接实验电路
2)用示波器观察负载分别为 2K Ω和 150Ω、滤波电容分别为 47uF 和 470uF 时整流
电路所输出的电压波形,记录在表 -3中;同时用万用表测量各组合的输出电压,也 记录在表 -3中。
五、实验注意事项
1、由于接触 220V 交流电,应注意用电安全,防止触电事故的发生。
2、注意二极管极性、防止反接。
3、注意滤波电解电容极性,防止发生炸裂。
4、正确使用仪器仪表。
六、实验预习要求及思考题
1、预习要求
1)正确理解单相桥式整流电路的电路结构和工作原理。
2)正确理解电容滤波电路的电路结构和工作原理。
3)仪器仪表的正确使用方法
4)熟悉桥式整流电路应该的输出波形和输出电压理论值的计算。
2、思考题
1)实测输出电压与理论值是否一致,如不一致,说明为什么?
2)试说明滤波电容大小与负载电阻大小对输出的电压和波形有什么影响?
实验报告要求
1、对单相桥式整流电路的观察和测量
1)电压波形:在直角坐标系中画出单相桥式整流电路的输入、输出波形图,并注 意两个波形间对应的相位关系,即完成表 -1。
2)根据所测电压填入表 -2中,与理论值进行比较、分析。
2、观察滤波电容及负载变化时对输出电压的影响
1)输出电压值:测量负载分别为 2K Ω和 150Ω、滤波电容分别为 47uF 和 470uF 的 输出电压,记录在表 -3中。
2)输出电压波形:根据示波器上观察到的波形,将其画在直角坐标系中,即完成 表 -3的内容。注意:观察要仔细,要注意波形较小的变化,并在实验报告中反 应出来。
范文四:单相桥式整流电路
附:教学内容: 【导入部分】
使用万用表测量 IN4007、 IN4148、 IN4004二极管的 极性,复习 PN 结、二极管的单向导电性,投放投影作进 一步的复习,引出“理想二极管”的特性(如图 1所示:理想二极管伏安特性)——二极管导通时,所承受的正 向电压趋近于 0,承受反向电压时,流过二极管电流趋 近于 0。
使用双踪通用示波器,测量单向半波、单向全波二极管整流电路整流波形的变化,复 习这种变化的“好处” (——提高变压器的利用率,减小输出信号的脉动程度)和缺陷(— —变压器利用率低、二极管承受反压过大) ,导入本教学单元内容“单向二极管桥式整流” 电路(——提高变压器的利用率,保证有较好的脉动直流输出,同时二极管承受的反向电 压与电源电压的最大值保持一致) 。 (如图 2所示:二极管整流电路性能趋优转化过程)
【新课部分】
+ V o -
图 2 二极管整流电路性能趋优转化过
?
+
V o -
图 1 理想二极管伏安特性
在二极管整流电路示范装置的四 个桥臂上分别安装红、绿、黄、白四个 颜色的发光二极管 (如图 3所示:桥式 二极管整流电路) ,正确地接入交流电 源装置,观察发光二极管的发光情况, 用万用表测试输入、输出电压的数值,
调节电源装置的输出电压大小, 重复测量每次调节后输入、 输出电压数值并记录于下表中,
表:输出电压与输入电压的关系记录
记录 10组数据后,调节电源装置的频率,观察发光管的闪烁情况,总结管子交替变化与 频率的关系, 并将观察的现象记录于 表中,以便分析。
将双踪通用示波器接入输入信 号、 输出信号端, 相邻、 相对两桥臂, 测得整流桥的信号如图 4所示:二极 管桥式整流电路波形。
综合图 3、 图 4的分析我们发现:◆该电路具有将双向的交变电压变 换为单向的脉动电压的功能。 ◆对波形的进一步观察发现, 二极管 上承载电压的情况, V1、 3管、 V 2、 4管 分别承受不同周期的反向电压, 但管 子承受的最大反向电压与电源最大 反向电压相同。
以上两点满足了我们提高变压 器利用率并降低整流管最大反向电
+
V o -
R 图 3 桥式二极管整流电路
图 4 二极管桥式整流电路波形
压的要求,实现了二极管整流输出的最佳性能。
对比图 3与表的记录数据,发现近似于单向全波整流电路的输入与输出间的关系,并 且发现当调节电源的频率时,随着频率的增高,二极管发光闪烁不明显。
参考教材已有的公式,获得二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择 的条件:
输出电压、电流与输入电压的关系:
V O =2×0.45V 2=0.9V2
I O =0.9×(V O /RL )
二极管所承受的电流及耐压值
I V =IO /2=0.45×(V O /RL )
V RM =V2m
单向桥式整流电路二极管选择条件:
I VZ ≥ I O /2=0.45×(V O /RL )
V RM ≥ V 2m
举例 :按要求选择整流二极管,并安装该整流电路。
有一直流负载,需要直流电压 Vo=60V,直流电流 Io=4A。若采用单相桥式整流电路, 求电源变压器次级电压 U2,并选择整流二极管。
变压器次级电压:V
2
≈ 66.7(V )
流过二极管的平均电流为:I
V
=2(A ) ;
二极管承受的反向峰值电压为:V
RM
≈ 94(V )
查手册可选型号为 2CZ12A(3A/100V)二极管四只,或符合要求的桥堆。
将选择好的二极管按图 3连接,注意在连接时交流侧、直流侧的特征——顺串,阳阳 -阴阴,并且在测量输出电压时也要注意二极管直流侧输出电压的极性。
【课堂总结及作业布置部分】
◆从电路结构和信号波形上看,该整流电路相对单向半波整流电路变压器利用率提高 一倍,相对单向全波整流电路,二极管承受的反向电压降低一倍,降低了整流管的耐压要 求。但是,该电路输出的脉动直流电,在电源要求较高的场合,脉动的电压会使运行中的 电器设备振动,容易使电器设备机械受损,因此,能够输出平稳直流电压的电源成为我们 的理想选择, 试想一想, 怎样改进这个电路可以使输出电压接近于理想状态? (思考作业) ◆本教学单元电路中若有一个二极管反接、或虚焊、或烧毁,有何现象?说明原因。 (课堂问答)
◆根据实际情况设计并制作一个单相桥式整流电路。 (格式要求:写出设计的主要参 数,选择元件的名称和主要参数,选择某元件的原因,电路构成图及连接好的电路,你对 电路的测试情况及分析,书面作业)
【教学后记(即教学反思) 】
本教学案例是为实践任务导向教学而亲历设计,本教案的设计首先考虑到中职学生行 为的反复性特征, “喜新厌旧”直到“新不喜旧仍厌” ,因此教学的导入显得非常重要,本 教案在导入上面就抛出了本教学单元的核心—— PN 结构成的二极管器件的应用, 用相应的 仪器、设备引起同学们的感官刺激,随后的教学组织在反复测试的刺激中,验证已有的结 论规律(考虑到很少同学预习功课,这样设计是让学生在练习中发现事物已有的规律) , 以加深对规律的感官认识。同时,通过同学们的反复测试,不断引发学生的思考,从而规 范学生的职业行为能力,进而提高职业能力。
教案的设计紧扣学生发展的主题,以思考促发展,让学生在整个教学过程中,形成学 生与老师、学生与学生、学生与书本的交往与互动,这种伴随思考的互动,使学生在获得 教学单元主题“知识”学习的同时,职业行为能力和职业能力也得到了锻炼和不同程度的 提高。
本教案实施时,有经过训练的课代表作为助手,接通、调节预设的各环节,以提高有 效教学时间,在进入输入输出测试阶段,学生个体差异体现特别明显,同学之间的互动也 在这个时候达到高潮,在这个 43人组成的教学班,基本上 7人一组,组长都是经过挑选 和接受过提前训练的,主要纠正同组同学不良的职业行为——不符合职业规范的行为,负 责整个测试的节奏控制和常规现象(已掌握)的解释及非常规现象(新发现)的记录、督 促。预计 10分钟的测试时间, 5分钟的讨论时间,同学们基本上能够按照节奏推进课堂学 习,遗憾的是,对于发现的非常规现象,通过课堂观察发现,同学们善于从课本上寻找已 有的“答案” ,而很少有同学去对照电路去分析,关于这方面的教学,还有待在今后的教 学中探寻更适切的教学方法来替代。
就设计的初衷,本教案的实施,个人认为效果明显,学生能够将课堂的讨论和练习延 伸,将思考持续,这似乎又回到了促进学生发展的课堂教学主题??
范文五:单相桥式整流电路
电力电子技术课程设计说明书
单相桥式整流电路的设计
院、部:
学生姓名:
指导教师:职称
专业:
班级:
完成时间:
摘要
整流电路(rectifying circuit )把交流电能转换为直流电能的电路。大多 数整流电路由变压器、 整流主电路和滤波器等组成。 它在直流电动机的调速、 发 电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤 波器和变压器组成。 20世纪 70年代以后,主电路多用硅整流二极管和晶闸管组 成。 滤波器接在主电路与负载之间, 用于滤除脉动直流电压中的交流成分。 变压 器设置与否视具体情况而定。 变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压 间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。 可以从各种角度对整流电路进 行分类,主要的分类方法有:按组成的期间可分为不可控,半控,全控三种;按 电路的结构可分为桥式电路和零式电路; 按交流输入相数分为单相电路和多相电 路; 按变压器二次侧电流的方向是单向还是双向, 又可分为单拍电路和双拍电路。 本次设计的主题是设计一个单相桥式电路。 确定设计方案, 通过方案来设计 各个单元电路,如触发电路、保护电路等。根据要求计算参数,包括触发角的选 择,输出平均电压,输出平均电流,输出有功功率计算,输出波形分析,器件额 定参数确定等。完成这些后,将各个单元电路衔接起来,并完成主电路的设计。 然后再用 PSIM 软件仿真,如有错误进行修改,最后将仿真图形保存下来。
关键字:设计;仿真;单相桥式
目录
1 绪论 ............................................................. 1 1.1 设计的背景与意义 ............................................ 1 1.2 整流电路的发展与应用 ........................................ 1
1.3 本设计主要内容 .............................................. 1
2 单相桥式整流主电路的设计 ......................................... 2 2.1 单相桥式整流电路原理 ........................................ 2 2.2 单相桥式整流电路参数选择 .................................... 2
2.3 单相桥式整流电路性能指标 .................................... 3
3 单元电路的设计 ................................................... 5 3.1 触发电路的设计 .............................................. 5
3.2 触发电路 .................................................... 6
4 仿真调试 ........................................................ 8 4.1 仿真软件的介绍 .............................................. 8 4.2 仿真模型建立 ................................................ 8 4.3 仿真结果 .................................................... 9结束语 ............................................................. 11 参考文献 ........................................................... 12 致谢 ............................................................... 13 附录 ............................................................... 14 附录 A 元件清单 ................................................. 14 附录 B 主电路图 ................................................. 15
1 绪论
1.1 设计的背景与意义
整流电路(rectifying circuit)把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整 流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。滤波器接在主电路与负载之间, 用于滤除脉动直流电压中的交流成分。 变压器设置与否视具体情况而定。 变压器 的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路 之间的电隔离。主要的分类方法有:按组成的期间可分为不可控,半控,全控三 种; 按电路的结构可分为桥式和零式; 按交流输入相数分为单相和多相; 按变压 器二次侧电流的方向是单向还是双向,又可分为单拍和双拍。
1.2 整流电路的发展与应用
电力电子器件的发展对电力电子的发展起着决定性的作用, 不管是整流器还 是电力电子技术的发展都是以电力电子器件的发展为纲的, 1947年美国贝尔实 验室发明了晶体管,引发了电子技术的一次革命; 1957年美国通用公司研制了 第一个晶闸管,标志着电力电子技术的诞生; 70年代后期,以门极可关断晶闸 管(GTO ) 、电力双极型晶体管(BJT )和电力场效应晶体管(power-MOSFET ) 为代表的全控型器件迅速发展,把电力电子技术推上一个全新的阶段; 80年代 后期,以绝缘极双极型晶体管(IGBT )为代表的复合型器件异军突起,成为了 现代电力电子技术的主导器件。另外,又把驱动,控制,保护电路和功率器件集 成在一起,构成功率集成电路(PIC ) , 随着全控型电力电子器件的发展,电力电 电路的工作频率也不断提高。
1.3 本设计主要内容
课题设计的是一个单相桥式整流电路。 确定方案, 通过方案来设计各个单元 电路,如触发电路、保护电路等。根据要求计算参数,包括触发角的选择,输出 平均电压,输出平均电流,输出有功功率计算,输出波形分析,器件额定参数确 定等。完成这些后,将各个单元电路衔接起来,并完成主电路的设计。然后再用 MATLAB 软件建立仿真模型,设置了模型的参数,并进行了仿真仿真,仿真结果 证明了设计的正确性。
2单相桥式整流主电路的设计
2.1 单相桥式整流电路原理
主电路原理图如图 1所示。
图 1主电路原理图
电路主要由四部分构成, 分别为电源、 过电保护电路、 整流电路和触发电路 构成。 输入的信号经变压器变压后通过过电保护电路, 保证电路出现过载或短路 故障时, 不至于伤害到晶闸管和负载。 在电路中还加了防雷击的保护电路。 然后 将经变压和保护后的信号输入整流电路中。 整流电路中的晶闸管在触发信号的作 用下动作,以发挥整流电路的整流作用。
2.2 单相桥式整流电路参数选择
由于单相桥式全控整流带电感性负载主电路主要元件是晶闸管, 所以选取元 件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则。
2.2.1 晶闸管的主要参数
①额定电压 U Tn
通常取 UDRM 和 URRM 中较小的, 再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型 的额定电压。在选用管子时,额定电压应为正常工作峰值电压的 2~3倍,以保 证电路的工作安全。
晶闸管的额定电压 {}RRM D RM Tn U U U , min =
(1)
U Tn ≥(2~3) U TM
U TM :工作电路中加在管子上的最大瞬时电压
②额定电流 IT(AV)
IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温 40°和规定的冷却条件 下,元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于 170°的电路中,结温不超 过额定结温时, 所允许的最大通态平均电流值。 将此电流按晶闸管标准电流取相 近的电流等级即为晶闸管的额定电流。
ITn :额定电流有效值,根据管子的 IT(AV) 换算出,
IT(AV) 、 ITM ITn 三者之间的关系:
Im 5. 02Im/) () sin (Im2/0
2===?πωωπt d t I Tn (2) Im 318. 0Im/) (sin Im 2/10) (===?πωωππ
t td I AV T (3) 波形系数:有直流分量的电流波形, 其有效值 I 与平均值 d I 之比称为该波形 的波形系数,用 Kf 表示。
d
f I I K = (4) 额定状态下,晶闸管的电流波形系数
57. 12) (===πAV T Tn
f I I K (5) 晶闸管承受最大电压为 V V U U T M 157111222=?==考虑到 2倍裕量, 取
400V .
③通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下,使晶闸管导通 的正弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值,一般在 0.4~1.2V 。
2.2.2变压器的选取
根据参数计算可知 :变压器应选变比为 2, 容量至少为 24.2V ·A 。
2.3 单相桥式整流 电路性能指标
整流电路的性能常用两个技术指标来衡量:一个是反映转换关系的用整流输 出电压的平均值表示;另一个是反映输出直流电压平滑程度的,称为纹波系数。
(1)整流输出电压平均值
d U =
()t td ωωπαπαsin U 212?+=απcos 222U =αcos 9. 02U (6) (2) 纹波系数
纹波系数 r K 用来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小,即
d d d Lr r U U U U K 2
22
-==(7)
3 单元电路的设计
3.1 触发电路的设计
3.1.1 单结晶体管
单结晶体管(简称 UJT )又称基极二极管,它是一种只有 PN 结和两个电阻 接触电极的半导体器件,它的基片为条状的高阻 N 型硅片,两端分别用欧姆接 触引出两个基极 b1和 b2。在硅片中间略偏 b2一侧用合金法制作一个 P 区作为 发射极 e 。其结构,符号和等效电如图 2所示。
图 2单结晶体管原理
3.1.2 单结晶体管的特性
两基极 b1和 b2之间的电阻称为基极电阻。
Rb1—— 第一基极与发射结之间的电阻, 其数值随发射极电流 ie 而变化, rb2为第二基极与发射结之间的电阻, 其数值与 ie 无关; 发射结是 PN 结, 与二极管 等效。
若在两面三刀基极 b2, b1间加上正电压 Ubb ,则 A 点电压为:
UA=[rb1/(rb1+rb2) ]Ubb=(rb1/rbb) Ubb=ηUbb (8) 式中:η—— 称为分压比,其值一般在 0.3— 0.85之间,如果发射极电压 VE 由零逐渐增加,就可测得单结晶体管的伏安特性,见图 3:
图 3 单结晶体管的伏安特性
(1)当 Ue 〈 ηUbb 时,发射结处于反向偏置,管子截止,发射极只有很小 的漏电流 Iceo 。
(2)当 Ue ≥ ηUbb+UD UD为二极管正向压降(约为 0.7V ) , PN
结正向导
通, Ie 显著增加, rb1阻值迅速减小, Ue 相应下降,这种电压随电流增加反而下 降的特性, 称为负阻特性。 管子由截止区进入负阻区的临界 P 称为峰点, 与其对 应的发射极电压和电流, 分别称为峰点电压 Ip 和峰点电流 Ip 。 Ip 是正向漏电流, 它是使单结晶体管导通所需的最小电流,显然 Up=ηUbb 。
(3)随着发射极电流 Ie 的不断上升, Ue 不断下降,降到 V 点后, Ue 不再 下降了,这点 V 称为谷点,与其对应的发射极电压和电流,称为谷点电压 Uv 和 谷点电流 Iv 。
(4)过了 V 后,发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态, 所以 uc 继续增加时, ie 便缓慢的上升,显然 Uv 是维持单结晶体管导通的最小 发射极电压,如果 Ue 〈 Uv ,管子重新截止。
单结晶体管的主要参数
(1) 基极间电阻 Rbb 发射极开路时, 基极 b1, b2之间的电阻, 一般为 2-10千欧,其数值随温度的上升而增大。
(2)分压比 η由管子内部结构决定的参数,一般为 0.3--0.85。
(3) eb1间反向电压 Vcb1 b2开路,在额定反向电压 Vcb2下,基极 b1与 发射极 e 之间的反向耐压。
(4)反向电流 Ieo b1开路,在额定反向电压 Ucb2下, eb2间的反向电流。
(5)发射极饱和压降 Ueo 在最大发射极额定电流时, eb1间的压降。
(6)峰点电流 Ip 单结晶体管刚开始导通时,发射极电压为峰点电压时的发 射极电流。
3.2 触发电路
晶闸管触发主要有移相触发、 过零触发和脉冲列调制触发等。 触发电路对其 产生的触发脉冲要求:
(1)触发信号可为直流、交流或脉冲电压。
(2)触发信号应有足够的功率(触发电压和触发电流) 。
(3)触发脉冲应有一定的宽度,脉冲的前沿尽可能陡,以使元件在触发导 通后,阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
(4)触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步,脉冲移相范围必须满足电路 要求。
为保证触发电路和主电路频率一致, 利用一个同步变压器, 将其一次侧接入 为主电路供电的电网, 由其二次侧提供同步电压信号, 这样, 由同步电压决定的 触发脉冲频率与主电路晶闸管频率始终是一致的。
触发电路的定相由多方面的因素确定, 主要包括相控电路的主电路结构、 触 发电路结构等。 只有根据各晶闸管供电电压的相位正确决定各触发电路同步电压
uTS 的相位,才能保证各晶闸管有相同的控制角 α,相同的输出电压波形。正确 选择同步电压相位,叫做晶闸管电路的同步或定相,它是变流装置设计、安装、 调整、维护中的重要问题。锯齿波同步触发电路的同步电压 uTS 和晶闸管的供 电电压之间的相位关系分析如下:据单相电路要求移相范围 00~1800,即要求 触发电路在正半波范围内发出脉冲。 由此可见, 为保证触发电路与主电路的同步, 其晶闸管的供电电压和触发电路的同步电压 uTS 相位差 1800。
3.2.1 单结晶体管触发电路
由单结晶体管构成的触发电路具有简单、 可靠、 抗干扰能力强、 温度补偿性 能好, 脉冲前沿徒等优点, 在容量小的晶闸管装置中得到了广泛应用。 他由自激 震荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成,电路图如 4-4(a )所示。
3.2.2 单结晶体管自激震荡电路
利用单结晶体管的负阻特性与 RC 电路的充放电可组成自激振荡电路, 产生 频率可变的脉冲。
从图 4(a )可知,经 D 1-D 2整流后的直流电源 UZ 一路径 R2、 R 1加在单结 晶体管两个基极 b 1、 b 2之间,另一路通过 Re 对电容 C 充电,发射极电压 u e =uc 按指数规律上升。 U c 刚冲点到大于峰点转折电压 U p 的瞬间,管子 e-b 1间的电阻 突然变小,开始导通。电容 C 开始通过管子 e-b 1迅速向 R 1放电,由于放电回路 电阻很小,故放电时间很短。随着电容 C 放电,电压 Ue 小于一定值,管子 BT 又由导通转入截止,然后电源又重新对电容 C 充电,上述过程不断重复。在电 容上形成锯齿波震荡电压,在 R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲 us ,如图 4(b )所示,其震荡频率为:
f=1/T=1/Re Cln(1/1-η) (9)式中 η=0.3~0.9是单结晶体管的分压比。即调节 R e ,可调节振荡频率
图 4 单结晶体管触发电路及波形
4 仿真调试
4.1 仿真软件的介绍
MATLAB 是美国 MathWorks 公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据 可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。
Simulink是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具, 是一种基于 MATLAB 的框图设计 环境, 是实现动态系统建模、 仿真和分析的一个软件包, 被广泛应用于线性系统、 非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 Simulink 可以用连续 采样时间、 离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模, 它也支持多速率系统, 也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型, Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (GUI),这个创建过程只需 单击和拖动鼠标操作就能完成, 它提供了一种更快捷、 直接明了的方式, 而且用 户可以立即看到系统的仿真结果。
丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图 以设计功能的层次性来分割模型, 实现对复杂设计的管理通 ModelExplorer 导航、 创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性,生成模型代码提供 API 用 于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用 Embedded MATLAB?模块在 Simulink 和嵌入式系统执行中调用 MATLAB 算法使用定步长或变步长运行仿真, 根据仿真模式 (Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行 或以编译 C 代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果, 诊断设计的性能和异常行为可访问 MATLAB 从而对结果进行分析与可视化,定 制建模环境, 定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性, 确定模型中的错误。
4.2 仿真模型建立
启动 MATLAB , 进入 SIMULINK 后建文档, 绘制单相桥式全控整流电路模型如图 12所示,双击各模块,在出现的对话框内设置模块。
图 12 单相桥式可控整流电路仿真电路图
设置好各模块参数,单击工具栏“ Simulation ”菜单下的“ Start ”命令进 行仿真。双击各模块,得到仿真结果。
4.3 仿真结果
脉冲为 0度、 30度、 60度、 90度时仿真结果分别如图 13、图 14、图 15、 图 16所示。
图 13 0度仿真波形图
图 14 30度仿真波形图
图 15 60度仿真波形图
图 16 90度仿真波形图
结束语
学习电力电子技术这门课已经一个学期了,正所谓“纸上得来终觉浅” ,通 过本次课程设计, 我对直流降压斩波电路有了深刻的了解, 从主电路的设计到触 发电路的设计,从元器件的选择到 Matlab 仿真,使我深感自己知识的不足,但 通过到图书馆查阅相关资料以及浏览相关网站使我增长了不少的知识, 详细阅读 当然是不现实的, 我选取了一部分跟这次课程设计有关的内容进行了解, 最终成 功完成了直流降压斩波电路的设计。
关于本次的课程设计,刚开始我选用了 Multisim 软件,以前电路实验我有 用过这个软件,我用的版本是 multisim10, 里面的芯片还是挺齐的,唯一的遗憾 就是没有 SG3525芯片,于是我用了一个 16个接线头的集成电路模拟,在仿真 的时候我用输入矩形波代替了 SG3525,不过仿真过程不太顺利,老是有错误出 现无法运行,这让我有些泄气。于是我决定还是用 Matlab 中的 Simulink 来完成 仿真这一块。 WPS 文字编辑也越熟练了。电脑上仿真差不多以后我又到学校的 实验室对电路进行了实际接线,其实在平时的实验中我有做过 Buck 电路,实验 台上的器件也很齐全,接线也比较容易,所以完成得比较顺利。
当然在设计的过程中也遇到了很多的问题, 比如在计算元器件参数是缺少理论依 据难以正确的计算相应的参数; 在选取元器件型号和参数时, 缺少实际经验难以 找到合适的元件;在用 MATLAB 软件仿真是遇到了许多操作上的问题,致使仿 真花费的很多时间才达到有效效果。 虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断 的学习解决了这些难题。
参考文献
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致谢
在这次课程设计的撰写过程中,我得到了许多人的帮助。
首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、 提供给我的支持和帮助, 这 是我能顺利完成这次报告的主要原因, 更重要的是老师帮我解决了许多技术上的 难题,让我能把系统做得更加完善。在此期间,我不仅学到了许多新的知识,而 且也开阔了视野,提高了自己的设计能力,巩固了电力电子技术这门课。 其次, 我要感谢帮助过我的同学, 他们也为我解决了不少我不太明白的设计的难 题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学。
附录
附录 A 元件清单
元器件 备注 数量 整流变压器 变比为 2,容量至少为 2.464kv ·A 1个 晶闸管 KP20-4 4个 电阻 其中主电路负载电阻最大为 500Ω若干个 电感 主电路负载 700mH 1个 电位器 SW-SPDT 2个 二极管 14个 同步变压器 1个 芯片 TCA785 1块 熔断器 熔断电流为 15A 4个 电容 若干个 脉冲变压器 2个
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