Методические указания к моделированию и анализу электрических схем в пакете Multisim

Для преобразования переменного тока в постоянный ток служат выпрямители, которые представляют собой цепи с диодами и тиристорами.

Однополупериодную схему рис. 3 (а) применяют, при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. В однополупериодных схемах выпрямление происходит в течении одного полупериода рис. 3 (б), диод открыт только в те полупериоды, когда на нем действует положительная полуволна напряжения. Напряжение на нагрузке состоит из положительных полуволн, его среднее значение (постоянная составляющая) равно рис. 3 (в).

а)

б) в)

Рис. 3 Однополупериодный выпрямитель.

Работа выпрямительного устройства характеризуется следующими параметрами:

Коэффициент выпрямления

Где Rобр , Rпр - сопротивление диода в обратном и прямом включении.

Коэффициент пульсации

где U_пр - амплитуда первой гармоники,

U_ов - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.

Для уменьшения пульсаций включают сглаживающие фильтры. В простейшем случае сглаживание на нагрузке достигается включением параллельно ей емкости.

Для увеличения среднего напряжения на нагрузке используют двухполупериодные схемы выпрямления, содержащие два и более диодов.

В мостовой схеме рис. 3, когда источник переменного напряжения включен в одну диагональ, а нагрузка в другую, диоды работают попарно. В первый период, когда от источника действует положительная полуволна диоды 1 и 3 проводят ток, а 2 и 4 закрыты. Во второй полупериод диоды 2 и 4 открыты, а 1 и 3 - не пропускают ток. Ток через нагрузки протекает все время и в одном и том же направлении.

а)

б) в)

Рис.3. Двухполупериодный выпрямитель.

Пример 1.Действующее значение входного напряжения выпрямителя, выполненного по мостовой схеме 390 В. На нагрузочном резисторе 1400 Ом постоянная составляющая выпрямленного напряжения 350 В. Найти постоянную составляющую выпрямленного тока. Определить число последовательно включенных диодов в плече мостовой схемы, если максимально допустимое обратное напряжение каждого диода 300 В.

Решение. Амплитудное значение входного напряжения В. Значение максимального обратного напряжения в схеме В. Постоянная составляющая выпрямленного тока А.

Число последовательно включенных диодов в плече схемы определяется отношением максимально обратного напряжения схемы к максимально допустимому напряжению диода . Принимаем N=2.

Пример 2. Заданы вольт-амперная характеристика диода рис.4а, его сопротивление в проводящем прямом направлении Ом, в непроводящем (обратном) направлении Ом, сопротивление нагрузочного резистора Ом и напряжение питающей сети В. Определить средние значения выпрямленных тока и напряжения , мощность , выделяемую в нагрузочном резисторе , обусловленную этим током, для однополупериодного выпрямителя, собранного на полупроводниковом диоде (рис.4б). Нелинейностью характеристики пренебречь.

Рис. 4. Выпрямление синусоидального тока

Решение. Сопротивление электрической цепи:

в проводящий (прямой) полупериод Ом,

в непроводящий (обратный) полупериод Ом.

Амплитудное значение тока в цепи:

в проводящий полупериод А,

в непроводящий полупериод А.

Постоянные составляющие:

прямого тока А;

обратного тока А.

Средние значения:

выпрямленного тока А;

выпрямленного напряжения В.

Мощность, выделяемая в сопротивлении резистора, обусловленная постоянной составляющей выпрямленного тока: Вт.

Напряжение или ток в электрических цепях может меняться вследствие различных причин – за счет колебаний напряжения питания, зависимости параметров элементов от температуры и т.д., что приводит к ухудшению рабочих характеристик устройств. Для стабилизации тока и напряжения применяют стабилитроны - опорные диоды, которые работают на обратной ветви вольт-амперной характеристики, а также двухкаскадные или мостовые схемы на их основе.

Качество работы стабилизатора характеризуется

коэффициентом стабилизации:

где и - изменение напряжения на входе и напряжения в нагрузке.

Рис.5 Схема стабилизатора.

Пример 3. Известны дифференциальное сопротивление стабилитрона = 24 Ом, его ток 5 мА, а напряжения = 10 В и = 15 В.

Определить необходимое балластное сопротивление коэффициент стабилизации и к.п.д. стабилизатора рис.5.

Решение. Так как входное напряжение , а общий ток цепи , то искомое балластное сопротивление Ом

Коэффициент стабилизации определяется из соотношения

Кпд стабилизатора определяется как соотношение мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности входного источника, т.е.

Пример 4.Для стабилизатора напряжения рис. 5. Заданы входное напряжение 48 В и сопротивление нагрузки 50 Ом. Параметры стабилитрона = 12 В и =200 мА. Определить величину необходимого балластного сопротивления.

Решение.Согласно схеме,входное напряжение есть сумма напряжений на балластном сопротивлении и стабилитроне. Тогда напряжение на балластном сопротивлении В. Напряжение на стабилитроне равно напряжению на нагрузочном сопротивлении. Ток нагрузочного сопротивления А. Ток через балластное сопротивление А, тогда величина балластного напряжения Ом.

Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности происходит за счет преобразования энергии постоянного источника питания в энергию переменного сигнала.

По усиливаемой электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Основными показателями усилителя являются:

коэффициенты усиления по напряжению, по току, по мощности:

, , ,

а также входное и выходное сопротивления.

В усилителях, схема включения транзистора представляет собой четырехполюсник, т.е. схему, имеющую две пары входных зажимов (1- 1) для присоединения источника сигнала и две пары выходных зажимов (2-2) для подключения нагрузки рис 6.

Рис. 6 Структурная схема четырехполюсника.

Различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) рис. 7.

а)

б)

в)

Рис. 7 Схемы включения транзистора

а) ОЭ, б) ОБ, в) ОК

В схеме с ОЭ осуществляется усиление по току, напряжению и мощности. При этом выходное напряжение находится в противофазе с входным напряжением .

В схеме с ОБ отсутствует усиление по току. Выходное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением .

Зависимости коллекторного тока от управляющего тока базы или эмиттера в этих схемах определяется соотношениями:

где: - обратный ток p-n-перехода база-коллектор при токе равным нулю.

В схеме с ОК не происходит усиление по напряжению. При этом выходное напряжение совпадает по фазе с входным.

Свойства транзистора в зависимости от схемы включения оцениваются его статическими входными и выходными характеристиками. Входные характеристики - это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном смещении. Так как входной переход транзистора в усилительном режиме смещен прямо, то они аналогичны прямой ветви ВАХ p-n-перехода. Выходные характеристики представляют собой зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе и аналогичны обратной ветви ВАХ p-n-перехода. На рис. 9 представлен вид статических характеристик для схемы с ОЭ. Для каждого, выпускаемого промышленностью типа транзистора, статические характеристики заданы в справочнике по полупроводниковым приборам или снимаются экспериментально.

а)

б)

Рис. 9 Статические характеристики биполярного транзистора включенного по схеме с ОЭ (а – входные, б – выходные).

Нелинейность характеристик транзистора приводит к появлению нелинейных искажений – искажений формы усиливаемого сигнала. Для уменьшения искажений в усилителях используется обратная связь. Выходной сигнал в виде напряжения или тока через цепь обратной связи частично или полностью поступает на вход рис. 10. В качестве обратной связи используют пассивные цепи.

выход

вход

Рис. 10 Структурная схема усилителя с ОС

Различают положительную обратную связь, когда сигнал обратной связи складывается с входным сигналом и отрицательную обратную связь, при которой сигналы вычитаются. В первом случае коэффициент передачи начинает возрастать – происходит возбуждение усилителя. В случае отрицательной обратной связи коэффициент усиления усилителя уменьшается.

Для усилителя, охваченного обратной связью, коэффициент усиления:

где: К - коэффициент усиления усилителя без обратной связи,

- коэффициент обратной связи, который показывает какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя,

- коэффициент усиления усилителя после введения обратной связи.

В современных электронных устройствах и вычислительных машинах для преобразования сигнала применяются операционные усилители ОУ. Под ОУ принято понимать микросхему – усилитель постоянного тока, имеющий два входа и, как правило, один выход. ОУ обладает большим коэффициентом усиления по напряжению, высоким входным и низким выходным сопротивлением.

На рис 11 представлена базовая схема включения ОУ с однопетлевой обратной связью. Знаком плюс отмечен неинвертирующий вход, на который через подается входной сигнал. Знаком минус отмечен инвертирующий вход, на который через комплексное сопротивление подается напряжение обратной связи. Коэффициент усиления ОУ – К. Напряжение на входе ОУ , на выходе ОУ .

Рис. 11 Схема включения ОУ с однопетлевой обратной связью

Для упрощения расчета электронных схем вводят понятие линейного идеального ОУ, для которого принимают: , , , тогда:

Для усилителя рис. 11 по первому закону Кирхгофа:

, т.к. для ОУ , то

Выразив токи через соответствующие им напряжения, получим:

, с учетом того, что для ОУ

Таким образом, величину коэффициента усиления усилителя можно регулировать величиной сопротивления обратной связи .

На основе ОУ выполняются различные преобразователи сигналов. Так, например, для изменения временных параметров импульсов, а также их формы применяются дифференцирующие и интегрирующие устройства.

Для дифференциатора на идеальном ОУ рис.12

Рис. 12 Схема дифференциатора на идеальном ОУ

,т.к. , то

, где - постоянная времени цепи.

Таким образом, сигнал на выходе цепи пропорционален дифференциалу входного сигнала, причем для повышения точности дифференцирования необходимо, чтобы постоянная времени цепи была как можно меньше длительности входного импульса.

Для интегратора на идеальном ОУ рис 13

Рис. 13 Схема интегратора на ОУ

, ,

Таким образом, сигнал на выходе цепи пропорционален интегралу входного сигнала, причем интегрирование тем точнее, чем больше величина постоянной времени цепи по сравнению с периодом сигнала на входе.

На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, использующиеся в качестве генератора разверток осциллографов, мониторов телевизионных систем и.д.

Пример 5.Заданы коэффициент передачи биполярного транзистора =50, обратный ток коллектор- база = 10 мкА. Найти токи , , при включениях с ОБ и ОЭ, если ток коллектора одинаков в обоих случаях, а соотношение между управляющими токами .

Решение.Воспользовавшись соотношениями токов в схемах с ОБ и ОЭ и соотношениями между коэффициентами передачи и запишем систему уравнений

Решив систему относительно тока базы, получим =0,122 мА. Ток эмиттера мА. Ток коллектора из системы уравнений =6,6 мА.

Пример 6.На инвертирующий вход идеального операционного усилителя подается напряжение 20 мВ. Сопротивления Ком, сопротивление ОС Ком, сопротивление нагрузки Ком рис.14. Найти коэффициенты усиления операционного усилителя по току, напряжению и мощности.