Grundlegende AC-DC-Netzteile

Die grundlegende Störung der Menschen - Eckhart Tolle (November 2018).

Anonim

Grundlegende AC-DC-Netzteile

Diskrete Halbleiterbauelemente und -schaltungen


Frage 1

Sitz nicht nur da! Baue etwas !!

Das mathematische Analysieren von Schaltkreisen erfordert viel Übung und Übung. Üblicherweise üben die Schüler, indem sie viele Beispielprobleme durcharbeiten und ihre Antworten mit denen des Lehrbuchs oder des Lehrers vergleichen. Während das gut ist, gibt es einen viel besseren Weg.

Sie werden viel mehr lernen, indem Sie reale Schaltkreise erstellen und analysieren und Ihr Testgerät die "Antworten" anstatt eines Buches oder einer anderen Person liefern lassen. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um erfolgreiche Übungen für den Schaltungsaufbau durchzuführen:

  1. Messen und notieren Sie sorgfältig alle Komponentenwerte vor dem Schaltungsaufbau und wählen Sie Widerstandswerte, die hoch genug sind, um Schäden an aktiven Komponenten unwahrscheinlich zu machen.
  2. Zeichnen Sie das schematische Diagramm für die zu analysierende Schaltung.
  3. Bauen Sie diese Schaltung vorsichtig auf einem Steckbrett oder einem anderen geeigneten Medium auf.
  4. Überprüfen Sie die Genauigkeit der Schaltungskonstruktion, folgen Sie jeder Leitung zu jedem Verbindungspunkt und überprüfen Sie diese Elemente nacheinander in der Abbildung.
  5. Mathematisch analysieren Sie die Schaltung und lösen Sie alle Spannungs- und Stromwerte.
  6. Messen Sie sorgfältig alle Spannungen und Ströme, um die Genauigkeit Ihrer Analyse zu überprüfen.
  7. Wenn es wesentliche Fehler gibt (mehr als ein paar Prozent), überprüfen Sie sorgfältig die Konstruktion Ihrer Schaltung gegen das Diagramm, dann berechnen Sie die Werte sorgfältig neu und messen Sie erneut.

Wenn Studenten sich zum ersten Mal mit Halbleiterbauelementen befassen und sie am ehesten durch unpassende Verbindungen in ihren Schaltungen beschädigen, empfehle ich ihnen, mit großen Bauteilen mit hoher Wattleistung (1N4001 Gleichrichterdioden, TO-220 oder TO-3-Gehäusetransistoren) zu experimentieren usw.) und unter Verwendung von Trockenbatterie-Stromquellen anstatt einer Tischnetzteilversorgung. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit eines Komponentenschadens.

Wie üblich, vermeiden Sie sehr hohe und sehr niedrige Widerstandswerte, um Messfehler zu vermeiden, die durch das "Laden" des Messgeräts (am oberen Ende) verursacht werden, und um einen Durchbrennen des Transistors (am unteren Ende) zu vermeiden. Ich empfehle Widerstände zwischen 1 kΩ und 100 kΩ.

Eine Möglichkeit, Zeit zu sparen und die Möglichkeit von Fehlern zu reduzieren, besteht darin, mit einer sehr einfachen Schaltung zu beginnen und schrittweise Komponenten hinzuzufügen, um nach jeder Analyse die Komplexität zu erhöhen, anstatt für jedes Übungsproblem eine ganz neue Schaltung zu erstellen. Eine weitere zeitsparende Technik ist die Wiederverwendung der gleichen Komponenten in einer Vielzahl verschiedener Schaltungskonfigurationen. Auf diese Weise müssen Sie den Wert einer Komponente nicht mehr als einmal messen.

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Lassen Sie die Elektronen selbst Antworten auf Ihre eigenen "Übungsprobleme" geben!

Anmerkungen:

Es ist meine Erfahrung, dass Studenten viel Übung mit Schaltungsanalyse benötigen, um kompetent zu werden. Zu diesem Zweck stellen die Dozenten ihren Studenten normalerweise viele Übungsprobleme zur Verfügung und geben den Studenten Antworten auf ihre Arbeit. Während dieser Ansatz Schüler in der Schaltungstheorie kompetent macht, kann sie sie nicht vollständig ausbilden.

Studenten brauchen nicht nur mathematische Praxis. Sie brauchen auch echte, praktische Übungsschaltkreise und Testgeräte. Daher schlage ich den folgenden alternativen Ansatz vor: Schüler sollten ihre eigenen "Übungsprobleme" mit realen Komponenten aufbauen und versuchen, die verschiedenen Spannungs- und Stromwerte mathematisch vorherzusagen. Auf diese Weise wird die mathematische Theorie "lebendig", und die Studenten erlangen praktische Fertigkeiten, die sie nicht nur durch Lösen von Gleichungen gewinnen würden.

Ein weiterer Grund für das Praktizieren dieser Methode ist es, den Schülern eine wissenschaftliche Methode beizubringen: den Prozess des Testens einer Hypothese (in diesem Fall mathematische Vorhersagen) durch Ausführen eines echten Experiments. Die Schüler entwickeln auch echte Fähigkeiten zur Fehlersuche, da sie gelegentlich Schaltungsfehler machen.

Verbringen Sie einige Momente mit Ihrer Klasse, um einige der "Regeln" für den Aufbau von Schaltungen zu überprüfen, bevor sie beginnen. Besprechen Sie diese Probleme mit Ihren Schülern auf die gleiche sokratische Weise, dass Sie normalerweise die Arbeitsblattfragen diskutieren, anstatt ihnen einfach zu sagen, was sie tun sollten und was nicht. Ich bin immer wieder erstaunt darüber, wie schlecht die Schüler Anweisungen verstehen, wenn sie in einem typischen Vortragsformat (Instructor Monolog) präsentiert werden!

Ein Hinweis an die Dozenten, die sich über die "verschwendete" Zeit beschweren können, die erforderlich ist, damit die Schüler reale Schaltungen aufbauen können, anstatt nur theoretische Schaltkreise mathematisch zu analysieren:

Was ist der Zweck der Schüler, die Ihren Kurs belegen? "Worksheetpanel panel panel-default" itemscope>

Frage 2

Ein Techniker baut eine einfache Halbwellengleichrichterschaltung für ein Projekt, ist aber überrascht festzustellen, dass die Diode weiterhin versagt:

Dies ist überraschend, da die Diode eine Spitzenspannung von 50 Volt für die wiederholte Umkehrspannung aufweist, von der der Techniker weiß, dass sie größer ist als die vom Abwärtstransformator ausgegebene Spitzenspannung. Der Techniker hat jedoch etwas sehr wichtiges in diesem Schaltungsentwurf übersehen. Erkläre, was das Problem ist und wie es gelöst werden kann.

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Die Spitzen-Sperrspannung ("PIV") der Diode ist unzureichend. Es muss ungefähr 85 Volt oder mehr betragen, um den Anforderungen dieser Schaltung zu widerstehen.

Folgefrage: schlagen Sie eine Teilenummer für eine Diode vor, die in der Lage ist, der von dieser Schaltung erzeugten Sperrspannung standzuhalten, und in der Lage ist, mindestens 1 Ampere Dauerstrom zu verarbeiten.

Anmerkungen:

Wenn Schüler Schwierigkeiten haben, die erforderliche PIV-Bewertung für die Diode dieses Schaltkreises zu berechnen, bitten Sie sie, die Spitzenleistung der Sekundärwicklung des Transformators für jeden Halbzyklus der Wechselstromwellenform zu analysieren und dabei die Spannungsabfälle an allen Schaltungskomponenten zu notieren. Sobald eine vollständige Zyklusspannungsanalyse für alle Schaltungskomponenten durchgeführt wurde, sollte die erforderliche Diodenleistung offensichtlich werden.

Obwohl dies beim ersten Lesen nicht offensichtlich ist, kann diese Frage tatsächlich als Einstieg für die Erörterung von Spannungsvervielfacherschaltungen dienen. Die Tatsache, dass die Diode eine Sperrspannung erfährt, die doppelt so hoch ist wie die Spitzenwechselspannung, können wir ausnutzen!

Ein anderer Zuverlässigkeitsfaktor, den die meisten Studenten in dieser Schaltung nicht erkennen werden, ist der Einschaltstrom, den die Diode jedes Mal erfährt, wenn die Schaltung eingeschaltet und der Kondensator wieder aufgeladen wird. Sicher, die Diode wurde nicht richtig für die Sperrspannung ausgelegt, die sie hatte, aber das ist vielleicht nicht die einzige Form des Missbrauchs! Wenn es die Zeit erlaubt, besprechen Sie diese Möglichkeit ebenfalls.

Frage 3

Dioden und Kondensatoren können miteinander verbunden sein, um eine Art von Schaltung zu bilden, die die Spannung im Gleichrichtungsprozess erhöht . Diese Art von Schaltung ist allgemein als Spannungsvervielfacher bekannt . Hier sind ein paar verschiedene Spannungsvervielfacher:

Bestimmen Sie den Grad der Spannungsvervielfachung (doppelt, dreifach usw.), der von jedem Stromkreis bereitgestellt wird.

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Anmerkungen:

Fragen Sie Ihre Schüler, wie sie die einzelnen Spannungsvervielfacher-Schaltungen analysiert haben und erklären Sie ihre Technik dem Rest der Klasse während der Diskussion.

Frage 4

Nehmen wir an, ein Techniker misst die Ausgangsspannung eines AC-DC-Stromversorgungsschaltkreises:

Die vom Oszilloskop gezeigte Wellenform ist meist Gleichstrom, wobei nur ein kleines bisschen AC-Welligkeitsspannung als Welligkeitsmuster auf einer ansonsten geraden, horizontalen Linie erscheint. Dies ist ganz normal für die Ausgabe einer AC-DC-Stromversorgung.

Angenommen, wir wollten diese "Welligkeit" näher betrachten. Wir wollen die Wellen auf dem Bildschirm deutlicher machen, damit wir ihre Form besser erkennen können. Wenn wir jedoch die Anzahl der Volt pro Teilung auf dem "vertikalen" Steuerknopf verringern, um die vertikale Verstärkung des Oszilloskops zu vergrößern, verschwindet das Muster vollständig vom Bildschirm!

Erläutern Sie, was das Problem ist und wie wir es korrigieren können, um die Wellenform der Welligkeitsspannung zu vergrößern, ohne dass sie vom Oszilloskopbildschirm verschwindet.

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Das Problem ist, dass der vertikale Achseneingang DC-gekoppelt ist.

Folgefrage: Vorhersage der Frequenz der Brummspannung in diesem Stromversorgungskreis.

Anmerkungen:

Was ich hier in einer Antwort suche, ist wie immer eine Erklärung für das, was passiert. Wenn ein Student Ihnen einfach sagt, "der vertikale Eingang ist DC-gekoppelt, " drücken Sie sie für weitere Details. Was bedeutet es, dass der Eingang "DC-gekoppelt" ist, und warum die Zeile dadurch vom Bildschirm verschwindet, wenn wir die vertikale Empfindlichkeit erhöhen "panel panel panel-default" itemscope>

Frage 5

AC-DC-Stromversorgungsschaltungen sind eine der häufigsten Schaltungskonfigurationen in elektronischen Systemen. Obwohl die Entwürfe variieren können, ist die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom für das Funktionieren vieler elektronischer Geräte unerlässlich.

Warum ist das? Was ist mit dieser Art von Schaltung, die es so ein notwendiger Bestandteil vieler elektronischer Systeme macht?

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Die meisten Stromverteilungssysteme sind Wechselstrom, doch die meisten elektronischen Schaltungen arbeiten mit Gleichstrom.

Anmerkungen:

Ein Faktor, der in der Antwort nicht erwähnt wird, ist die Betriebsspannung der Schaltung. Wie vergleichen sich die Betriebsspannungen eines typischen Wechselstromnetzes und einer typischen elektronischen Schaltung (Radio, Wecker, Computer)? Fragen Sie Ihre Schüler, welchen Zweck ein Netzteil in Bezug auf die Spannung hat.

Fragen Sie Ihre Schüler, ob das Wort "Versorgung" wirklich für diese Art von Schaltung geeignet ist. Liefert es wirklich Energie, oder wandelt es nur Energie von einer Form in eine andere um?

Frage 6

Obwohl es kein populäres Design ist, sind einige Stromversorgungsschaltungen transformatorlos. Die direkte Gleichrichtung der Wechselstromleitung ist in einigen Anwendungen eine praktikable Option:

Diese Form der AC-zu-DC-Leistungsumwandlung weist jedoch einige signifikante Grenzen auf. Erklären Sie, warum die meisten Stromversorgungskreise einen Transformator verwenden, anstatt die Netzspannung direkt zu regeln, wie dies bei diesem Stromkreis der Fall ist.

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Transformatoren liefern eine Spannungs / Strom-Verhältnistransformation und auch eine elektrische Isolation zwischen der Wechselstromleitungsschaltung und der Gleichstromschaltung. Das Problem der Isolation ist ein Sicherheitsrisiko, da keiner der Ausgangsleiter in einer nicht isolierten (direkten) Gleichrichterschaltung auf dem gleichen Potential wie jeder der Leitungsleiter liegt.

Folgefrage: Erklären Sie im Detail, wie das Problem der Nicht-Isolation ein Sicherheitsrisiko darstellen könnte, wenn diese Gleichrichterschaltung von einem geerdeten Wechselstromnetzkreis gespeist würde.

Anmerkungen:

Viele alte Fernsehgeräte verwendeten solche transformatorlosen Gleichrichterschaltungen, um Geld zu sparen, aber das bedeutete, dass das Metall-Schaltungsgehäuse innerhalb der Kunststoffabdeckung aktiviert war, anstatt auf Massepotential zu sein! Sehr gefährlich für Techniker, um daran zu arbeiten.

Frage 7

Ein wesentlicher Teil eines AC-DC-Stromversorgungsschaltkreises ist der Filter, der dazu dient, den Rest-Wechselstrom (der als "Welligkeitsspannung" bezeichnet wird) vor der Ausgabe von der Gleichspannung zu trennen. Hier sind zwei einfache AC-DC Stromversorgungskreise, einer ohne Filter und einer mit:

Zeichnen Sie die jeweiligen Ausgangsspannungs-Wellenformen dieser beiden Stromversorgungsschaltungen (V ungefiltert gegenüber V- gefiltert ). Identifizieren Sie auch die Art der Filterschaltung, die für die Aufgabe benötigt wird (Tiefpass, Hochpass, Bandpass oder Bandstopp), und erklären Sie, warum diese Art von Filterschaltung benötigt wird.

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Ein Tiefpassfilter ist die Art, die benötigt wird, um "Welligkeitsspannung" von dem Stromversorgungsausgang zu filtern.

Anmerkungen:

Vor vielen Jahren, als ich zum ersten Mal etwas über Stromversorgungen gelernt habe, habe ich versucht, ein Autoradio mit Spannung aus einem Batterieladegerät zu versorgen. Das Batterieladegerät war ein einfaches Netzteil, das zum Laden von 12-Volt-Autobatterien geeignet ist, überlegte ich. Welchen Schaden würde es also bei der Verwendung eines Kfz-Radios verursachen?

Frage 8

Beachten Sie die folgenden zwei Wellenformen, wie sie auf einer Oszilloskopanzeige dargestellt werden, die die Ausgangsspannung einer gefilterten Stromversorgung misst:

Wenn diese beiden Wellenformen an derselben Stromversorgungsschaltung zu unterschiedlichen Zeiten gemessen wurden, bestimmen Sie, welche Wellenform während einer Periode mit stärkerer "Belastung" gemessen wurde (eine "schwerere" Last wird als eine Last definiert, die einen größeren Strom zieht).

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Die Wellenform der linken Seite wurde während einer Periode mit stärkerer Belastung gemessen.

Anmerkungen:

Fragen Sie Ihre Schüler, was der Begriff "Laden" in diesem Zusammenhang bedeutet. Einige von ihnen verstehen den Begriff möglicherweise nicht genau und deshalb ist es gut, sie zu überprüfen, nur um sicherzugehen.

Was noch wichtiger ist, besprechen Sie mit Ihren Schülern, warum die Kräuselung unter schweren Belastungen stärker ist. Was genau passiert in der Schaltung, um diese Art von Wellenform zu erzeugen "Arbeitsblatt Panel Panel-Standard" itemscope>

Frage 9

Was bedeutet es, wenn ein Netzteil einen Gleichstromausgang mit 5% Restwelligkeit hat?

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Dies bedeutet, dass die Spitze-zu-Spitze-Welligkeitsspannung gleich 5% der DC- (Durchschnitts-) Spannung ist.

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, die Schüler dazu zu bringen, die Formel zur Berechnung des Prozentsatzes der Welligkeitsspannung zu suchen. Beachten Sie, wie ich sie nicht einfach gebeten habe, eine Formel zu erbrechen; vielmehr habe ich ihnen eine realistische Figur zur Interpretation gegeben. Wenn möglich, versuchen Sie Ihre Fragen in diesem praktischen Kontext zu formatieren!

Frage 10

Welche Parameter bestimmen die Frequenz der Welligkeitsspannung eines Netzteils?

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Für lineare Stromversorgungen (solche mit einer Transformator-Gleichrichter-Filter-Topologie) sind die Parameter, die die Welligkeitsfrequenz bestimmen, die Zeilenfrequenz und die Gleichrichtungsimpulse.

Anmerkungen:

Beachten Sie, dass ich nicht einfach gesagt habe, dass die Welligkeitsfrequenz gleich der Netzfrequenz für die Halbwellengleichrichtung und die doppelte Netzfrequenz für die Vollwelle ist. Eine solche Antwort ist irreführend, da sie die mehrphasige AC-Rektifikation völlig ignoriert!

Frage 11

Angenommen, eine Stromversorgung wird von einer Wechselstromquelle mit 119 V RMS gespeist. Das Transformator-Untersetzungsverhältnis beträgt 8: 1, es verwendet eine Vollwellen-Brückengleichrichterschaltung mit Siliziumdioden, und der Filter ist nichts anderes als ein einzelner Elektrolytkondensator. Berechnen Sie die unbelastete Ausgangsgleichspannung für diese Versorgung (nehmen Sie an jeder Diode einen Abfall von 0, 7 Volt an). Schreiben Sie auch eine Gleichung, die für die DC-Ausgangsspannung (V out ) auflöst, unter Berücksichtigung all dieser Parameter.

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V out = 19, 6 Volt

V out =
V in


r


0, 707

- 2 V f

Woher,

V out = DC-Ausgangsspannung in Volt

Vin = AC-Eingangsspannung, in Volt RMS

r = Transformatoruntersetzungsverhältnis

Vf = Durchlassspannungsabfall jeder Diode in Volt

Follow-up-Frage: Algebraisch manipulieren Sie diese Gleichung, um nach V in zu lösen.

Anmerkungen:

Es ist wichtig, dass die Schüler verstehen, woher diese Gleichung kommt. Bitten Sie Ihre Schüler, Schritt für Schritt die Berechnung der Ausgangsspannung für eine einfache Stromversorgungsschaltung zu erklären. Es ist in diesem Prozess hilfreich, die Spannung an jeder "Stufe" der Stromversorgung (Primärtransformator, Sekundärtransformator usw.) zu berechnen, als würden wir die Schaltung jeweils eine Komponente gleichzeitig aufbauen.

Übrigens spart die Methode, ein Projekt (wie eine Stromversorgung) Schritt für Schritt und nicht auf einmal zu erstellen, viel Zeit und Mühe, wenn etwas schief geht. Die gleiche "Schritt-für-Schritt" -Strategie eignet sich gut für mathematische Analysen und andere Problemlösungsaufgaben: Versuchen Sie, die Schaltung "Block" auf einmal zu analysieren, anstatt das Ganze auf einmal.

Frage 12

Was bedeutet es, wenn ein Netzteil eine Spannungsregelung von 2% aufweist?

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Dies bedeutet, dass der Unterschied zwischen der Leerlauf-Ausgangsspannung und der Volllast-Ausgangsspannung 2% der Volllast-Ausgangsspannung beträgt.

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, die Schüler dazu zu bringen, die Formel für die Berechnung des Prozentsatzes der Spannungsregelung nachzuschlagen. Beachten Sie, wie ich sie nicht einfach gebeten habe, eine Formel zu erbrechen; vielmehr habe ich ihnen eine realistische Figur zur Interpretation gegeben. Wenn möglich, versuchen Sie Ihre Fragen in diesem praktischen Kontext zu formatieren!

Frage 13

Was wird die Konsequenz sein, wenn eine Diode im Brückengleichrichter einer einphasigen Stromversorgung ausfällt?

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Die (ungefilterte) Ausgangsspannung ist eine Halbwelle, keine Vollwelle.

Anmerkungen:

Eine solche Frage wird am besten in der schematischen Darstellung eines Brückengleichrichters diskutiert. Ich empfehle, ein Bild einer Brückengleichrichterschaltung auf ein Whiteboard zu projizieren, und dann die Studenten mit trocken abwischbaren Markern zu versehen, um den Schaltplan mit Pfeilen für Strom-, Spannungsabfallanzeigen usw. zu "markieren". Auf diese Weise können Fehler korrigiert oder alterniert werden Zyklen gelöscht und neu gezeichnet, ohne das Schaltbild selbst löschen und neu zeichnen zu müssen.

Frage 14

Angenommen, Sie vermuten eine gescheiterte offene Diode in diesem Stromversorgungskreis. Beschreiben Sie, wie Sie die Anwesenheit ohne Oszilloskop feststellen können:

Übrigens ist die "Niederspannungs-Wechselstromversorgung" nicht mehr als ein Abwärtstransformator mit einer mittig angezapften Sekundärwicklung.

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"Entferne alle Dioden aus der Schaltung und teste sie einzeln" ist keine akzeptable Antwort auf diese Frage. Stellen Sie sich eine Möglichkeit vor, wie sie während des In-Circuit-Tests überprüft werden können (idealerweise ohne die Stromzufuhr zur Schaltung unterbrechen zu müssen).

Anmerkungen:

Eine allgemeine Tendenz für Schüler besteht darin, den "Shotgun-Ansatz" zu verwenden, bei dem jede Komponente einzeln entfernt und getestet wird. Dies ist eine sehr zeitintensive und ineffiziente Methode zur Fehlerbehebung. Stattdessen müssen Schüler diagnostische Verfahren entwickeln, die keine Entfernung von Komponenten aus der Schaltung erfordern. Zumindest sollte es eine Möglichkeit geben, die Bandbreite der Möglichkeiten durch In-Circuit-Tests einzuschränken, bevor Komponenten entfernt werden.

Frage 15

Ein Schüler lernt, dass auf eine Gleichrichterschaltung oft eine Tiefpassfilterschaltung in einer AC-DC-Stromversorgung folgt, um eine "Welligkeits" -Spannung am Ausgang zu reduzieren. Wenn er seine Notizen aus der AC-Theorie betrachtet, baut der Student diese Stromversorgungsschaltung mit einem Tiefpassfilter am Ausgang auf:

Während dieses Design funktioniert, gibt es für diese Anwendung bessere Filterkonfigurationen. Beschreibe die Einschränkungen der gezeigten Schaltung und erkläre, wie einige der anderen Filter einen besseren Job machen würden.

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Der Widerstand R neigt dazu, den Ausgangsstrom zu begrenzen, was zu einer weniger als optimalen Spannungsregelung führt (die Ausgangsspannung "sackt" unter Last ab). Zu den besseren Filterkonfigurationen gehören alle Formen von LC-Ripple-Filtern, einschließlich des beliebten "pi" (π) -Filters.

Folgefrage: In manchen Anwendungen - vor allem bei sehr großen Filterkondensatoren - ist es sinnvoll, vor dem Kondensator einen Vorwiderstand zu platzieren. Ein derartiger Widerstand wird typischerweise auf einen niedrigen Wert eingestellt, um keine übermäßige Ausgangsspannung unter Last zu verursachen, aber sein Widerstand dient einem praktischen Zweck. Erkläre, was dieser Zweck sein könnte.

Anmerkungen:

Fordern Sie Ihre Schüler mit dieser Frage heraus: Ist dies die richtige Art von Filterkreis (Tiefpass, Hochpass, Bandpass, Bandstop) zu verwenden, sowieso "alle">

i = C dv


dt

Frage 16

Identifizieren Sie die Spannungen, die zwischen den aufgeführten Testpunkten auftreten sollen:

  1. V TP1-TP2 =
  2. V TP1-TP3 =
  3. V TP2-TP3 =
  4. V TP4-TP5 =
  5. V TP5-TP6 =
  6. V TP7-TP8 =
  7. V TP9-TP10 =

Angenommen, der Leistungstransformator hat ein Untersetzungsverhältnis von 9, 5: 1.

Antwort enthüllen Antwort verstecken

  1. V TP1-TP2 = 120 Volt Wechselstrom
  2. V TP1-TP3 = 120 Volt Wechselstrom
  3. V TP2-TP3 = 0 Volt
  4. V TP4-TP5 = 12, 63 Volt Wechselstrom
  5. V TP5-TP6 = 12, 63 Volt Wechselstrom
  6. V TP7-TP8 = 16, 47 Volt Gleichstrom
  7. V TP9-TP10 = 16, 47 Volt Gleichstrom

Anmerkungen:

Bevor man einen fehlerhaften Schaltkreis behandeln kann, muss man wissen, welche Spannungen und Ströme in verschiedenen Teilen des Schaltkreises sein sollen. Diese Frage ist daher ein Vorspiel für weitere Fragen zur Fehlerbehebung.

Frage 17

Ein Techniker behebt einen Stromversorgungskreis ohne DC-Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung soll 15 Volt DC betragen:

Der Techniker beginnt mit Spannungsmessungen zwischen einigen der Testpunkte (TP) auf der Leiterplatte. Was folgt ist eine sequentielle Aufzeichnung seiner Messungen:

  1. V TP9-TP10 = 0 Volt Gleichstrom
  2. V TP8-TP7 = 0 Volt DC
  3. V TP8-TP5 = 0 Volt Gleichstrom
  4. V TP6-TP7 = 0 Volt Gleichstrom
  5. V TP4-TP5 = 0 Volt Wechselstrom
  6. V TP1-TP3 = 0 Volt Wechselstrom
  7. V TP1-TP2 = 116 Volt Wechselstrom

Basierend auf diesen Messungen, was vermuten Sie, ist in dieser Versorgungsschaltung ausgefallen. "# 17"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Die Sicherung ist aufgeblasen.

Folgefrage: In Bezug auf die Fehlersuchtechnik scheint dieser Techniker von einem Ende der Schaltung gestartet zu sein und sich inkrementell zur anderen bewegt zu haben, wobei die Spannung an fast jedem Punkt dazwischen geprüft wurde. Können Sie sich eine effizientere Strategie vorstellen, als an einem Ende zu beginnen und langsam auf das andere zuzugehen?

Anmerkungen:

Problemlösungsszenarien sind immer gut für anregende Diskussionen. Achten Sie darauf, dass Sie mit Ihren Schülern viel Zeit im Unterricht verbringen, um effiziente und logische Diagnoseverfahren zu entwickeln, da dies ihnen in ihrer Karriere sehr helfen wird.

Frage 18

Ein Techniker behebt einen Stromversorgungskreis ohne DC-Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung soll 15 Volt DC betragen:

Der Techniker beginnt mit Spannungsmessungen zwischen einigen der Testpunkte (TP) auf der Leiterplatte. Was folgt ist eine sequentielle Aufzeichnung ihrer Messungen:

  1. V TP1-TP2 = 118 Volt Wechselstrom
  2. V TP3-TP2 = 0 Volt Wechselstrom
  3. V TP1-TP3 = 118 Volt Wechselstrom
  4. V TP4-TP5 = 0, 5 Volt Wechselstrom
  5. V TP7-TP8 = 1, 1 Volt Gleichstrom
  6. V TP9-TP10 = 1, 1 Volt Gleichstrom

Basierend auf diesen Messungen, was vermuten Sie, ist in dieser Versorgungsschaltung ausgefallen. "# 18"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Der Transformator hat eine offene Wicklung.

Folgefrage 1: In Bezug auf die Fehlerbeseitigungstechnik scheint dieser Techniker von einem Ende des Stromkreises gestartet zu sein und sich inkrementell zum anderen zu bewegen, wobei er die Spannung an fast jedem Punkt dazwischen überprüft. Können Sie sich eine effizientere Strategie vorstellen, als an einem Ende zu beginnen und langsam auf das andere zuzugehen?

Herausforderungsfrage: Basierend auf den Spannungsmessungen, welche sind Ihrer Meinung nach die wahrscheinlichsten Fehler, eine offene Primärwicklung oder eine offene Sekundärwicklung?

Folgefrage 2: Wie könnten Sie die beiden Wicklungen des Transformators auf einen möglichen offenen Fehler prüfen? Mit anderen Worten, gibt es eine andere Art von Messung, die unsere Hypothese einer fehlgeschlagenen Wicklung bestätigen könnte?

Anmerkungen:

Problemlösungsszenarien sind immer gut für anregende Diskussionen. Achten Sie darauf, dass Sie mit Ihren Schülern viel Zeit im Unterricht verbringen, um effiziente und logische Diagnoseverfahren zu entwickeln, da dies ihnen in ihrer Karriere sehr helfen wird.

Die Schüler können durch das Vorhandensein von Gleichspannung zwischen TP7 und TP8 und auch zwischen TP9 und TP10 (1, 1 Volt) verwirrt sein, da am Eingang des Gleichrichters weniger als diese Menge an Wechselspannung liegt. Dies ist jedoch ein übliches Phänomen bei Elektrolytkondensatoren, um eine kleine Spannung nach dem Entladen "wiederzugewinnen".

Frage 19

Ein Techniker behebt einen Stromversorgungskreis ohne DC-Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung soll 15 Volt DC betragen:

Der Techniker beginnt mit Spannungsmessungen zwischen einigen der Testpunkte (TP) auf der Leiterplatte. Was folgt ist eine sequentielle Aufzeichnung seiner Messungen:

  1. V TP9-TP10 = 0 Volt Gleichstrom
  2. V TP1-TP2 = 117 Volt Wechselstrom
  3. V TP1-TP3 = 117 Volt Wechselstrom
  4. V TP5-TP6 = 0 Volt Wechselstrom
  5. V TP7-TP8 = 0, 1 Volt Gleichstrom
  6. V TP5-TP4 = 12 Volt Wechselstrom
  7. V TP7-TP6 = 0 Volt DC

Basierend auf diesen Messungen, was vermuten Sie, ist in diesem Versorgungsstromkreis fehlgeschlagen. "# 19"> Antwort anzeigen Antwort ausblenden

Zwischen TP4 und TP6 liegt ein "offen" -Fehler.

Folgefrage: In Bezug auf die Fehlersuchtechnik scheint dieser Techniker von einem Ende der Schaltung gestartet zu sein und sich inkrementell zur anderen bewegt zu haben, wobei die Spannung an fast jedem Punkt dazwischen geprüft wurde. Können Sie sich eine effizientere Strategie vorstellen, als an einem Ende zu beginnen und langsam auf das andere zuzugehen?

Anmerkungen:

Problemlösungsszenarien sind immer gut für anregende Diskussionen. Achten Sie darauf, dass Sie mit Ihren Schülern viel Zeit im Unterricht verbringen, um effiziente und logische Diagnoseverfahren zu entwickeln, da dies ihnen in ihrer Karriere sehr helfen wird.

Frage 20

AC-DC-Stromversorgungen sind eine Ursache von Oberwellenströmen in Wechselstromsystemen, insbesondere großen AC-DC-Stromversorgungen, die in Motorsteuerschaltungen und anderen Hochleistungssteuerungen verwendet werden. In diesem Beispiel zeige ich die Wellenformen für die Ausgangsspannung und den Eingangsstrom für eine unbelastete AC-DC-Stromversorgung mit einem Abwärtstransformator, einem Vollwellengleichrichter und einer kapazitiven Filterschaltung (die ungefilterte Gleichspannungswellenform ist als gestrichelte Linie gezeigt) als Referenz):

Wie Sie sehen können, folgt die Wellenform des Eingangsstroms der Spannungswellenform um 90 °, denn wenn die Stromversorgung entladen wird, ist der einzige Eingangsstrom der Magnetisierungsstrom der Primärwicklung des Transformators.

Bei erhöhter Belastung wird die Ausgangswelligkeitsspannung ausgeprägter. Dies ändert auch die Wellenform des Eingangsstroms signifikant und macht es nicht sinusförmig. Verfolgen Sie die Form der Wellenform des Eingangsstroms anhand der Wellenform der Ausgangsspannung und des Magnetisierungsstroms (gestrichelte Linie), die hier gezeigt werden:

Die nicht gefilterte DC-Ausgangswellenform wird zu Referenzzwecken immer noch als gepunktete Linie gezeigt.

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Challenge Frage: Enthält die hier gezeigte Wellenform des Eingangsstroms geradzahlige Harmonische (z. B. 120 Hz, 240 Hz, 360 Hz) "Notizen ausgeblendet"> Anmerkungen:

Bei einer gefilterten Gleichstromversorgung wird nur dann der Strom aus dem Gleichrichter gezogen, wenn sich der Filterkondensator auflädt. Daher ist der einzige Zeitpunkt, zu dem Sie den Eingangsstrom oberhalb und unterhalb der Magnetisierungsstromwellenform sehen, wenn die Kondensatorspannung geladen werden muss.

Beachten Sie, dass, obwohl die Wellenform des (sinusförmigen) Magnetisierungsstroms um 90 ° phasenverschoben zu der Spannungswellenform ist, die Eingangsstromtransienten genau in Phase mit den Stromtransienten an der Sekundärwicklung des Transformators sind. Dies überprüft ein wichtiges Prinzip von Transformatoren: dass jeder Primärstrom, der sich aus der Sekundärwicklungslast ergibt, in Phase mit dem Sekundärlaststrom ist. In dieser Hinsicht wirkt ein Transformator nicht als eine reaktive Vorrichtung, sondern eine direkte Energiekopplungsvorrichtung.

Beachten Sie auch, dass nach dem anfänglichen Anstieg (Anstiegsflanke) des Stroms die Eingangsstromwellenform einer anderen Kurve als die Spannungswellenform folgt, weil i = C (dv / dt) für einen Kondensator.

Falls Sie es noch nicht erraten haben, es passiert eine Menge in dieser Schaltung! Ich würde diese Frage für die meisten Einführungskurse als "fortgeschritten" ansehen und könnte nach eigenem Ermessen übersprungen werden.

Frage 21

Stromversorgungen sind manchmal mit EMI / RFI- Filtern an ihren Eingängen ausgestattet, um zu verhindern, dass hochfrequente "Rausch" -Spannung, die innerhalb des Stromversorgungskreises erzeugt wird, zur Stromquelle zurückkehrt, wo sie andere angetriebene Geräte stören könnte. Dies ist besonders nützlich zum "Schalten" von Stromversorgungsschaltungen, bei denen Transistoren dazu verwendet werden, das Spannungs-Transformations- und Regelungsverfahren sehr schnell ein- und auszuschalten:

Bestimmen Sie, um welche Art von Filterschaltung es sich handelt (LP, HP, BP oder BS), und bestimmen Sie die induktiven und kapazitiven Reaktanzen der Komponenten bei 60 Hz, wenn die Induktivitäten 100 μH und die Kondensatoren jeweils 0, 022 μF betragen.

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X L = 0, 0377 Ω (jeweils)

X C = 120, 6 kΩ (jeweils)

Anmerkungen:

Fragen Sie Ihre Schüler, wie sie die Identität dieses Filters festgestellt haben. Erinnern sie sich streng an Filterkonfigurationen oder haben sie eine Technik, um zu bestimmen, welche Art von Filterschaltung auf grundlegenden elektrischen Prinzipien beruht (Reaktanz von Komponenten auf unterschiedliche Frequenzen)? Worksheetpanel panel panel - default "itemscope"

Frage 22

Vervollständigen Sie diese schematische Darstellung, indem Sie sie in ein Split- oder Dual -Netzteil mit drei Ausgangsklemmen verwandeln: + V, Ground und -V:

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Beispiele für Schaltpläne mit "gespaltenen" oder "doppelten" Stromversorgungen sind in Lehrbüchern reichlich vorhanden. Ich lasse dich hier recherchieren und präsentiere deine Antwort (en) während der Unterrichtsdiskussion!

Anmerkungen:

Die Schüler müssen keine Einzelheiten der Spannungsregelung angeben, sondern lediglich zeigen, wie die Wechselspannung von einer Transformatorwicklung mit Mittelanzapfung in zwei verschiedene Gleichstromausgänge mit einer gemeinsamen "Masse" -Verbindung gleichgerichtet werden kann.

Frage 23

Geben Sie an, wie alle Komponentenspannungen und -ströme in diesem Schaltkreis aufgrund der folgenden Fehler beeinflusst werden. Betrachten Sie jeden Fehler einzeln (dh einzeln, keine Mehrfachfehler):

Jede einzelne Diode fällt aus:
Transformator-Sekundärwicklung funktioniert nicht:
Induktivität L 1 schlägt offen:
Kondensator C 1 ist kurzgeschlossen:

Erkläre für jede dieser Bedingungen, warum die resultierenden Effekte auftreten.

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Jede einzelne Diode fällt aus: Halbwellengleichrichtung statt Vollwelle, weniger Gleichspannung über die Last, mehr Welligkeit (AC) über die Last .
Transformator-Sekundärwicklung ist offen: keine Spannung oder Strom auf der Sekundärseite des Stromkreises, nachdem C 1 durch die Last entladen ist, wenig Strom durch die Primärwicklung .
Die Induktivität L 1 fällt aus: keine Spannung über die Last, kein Strom durch die Last, kein Strom durch den Rest der sekundärseitigen Komponenten, wenig Strom durch die Primärwicklung .
Kondensator C 1 ist kurzgeschlossen: Erhöhter Strom durch beide Transformatorwicklungen, erhöhter Strom durch Dioden, erhöhter Strom durch Induktor, geringe Spannung über oder Strom durch Last, Kondensator und alle Dioden werden wahrscheinlich heiß werden .

Anmerkungen:

Der Zweck dieser Frage besteht darin, den Bereich der Fehlersuche von Schaltkreisen aus einer Perspektive zu betrachten, um zu wissen, was der Fehler ist, anstatt nur zu wissen, was die Symptome sind. Obwohl dies nicht unbedingt eine realistische Perspektive ist, hilft es den Studenten, das grundlegende Wissen aufzubauen, das notwendig ist, um einen fehlerhaften Schaltkreis anhand empirischer Daten zu diagnostizieren. Fragen wie diese sollten (eventuell) durch andere Fragen befolgt werden, in denen die Schüler aufgefordert werden, mögliche Fehler anhand von Messungen zu identifizieren.

Frage 24

Angenommen, dieser Stromversorgungskreislauf funktionierte mehrere Jahre lang einwandfrei, dann konnte eines Tages überhaupt keine Gleichspannung ausgegeben werden:

Wenn Sie das Gehäuse dieses Netzteils öffnen, bemerken Sie sofort den starken Geruch von verbrannten Komponenten. Bestimmen Sie anhand dieser Informationen einige wahrscheinliche Komponentenfehler und erläutern Sie Ihre Argumentation.

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Kurzgeschlossener Kondensator, offene Transformatorwicklung (infolge Überlastung), kurzgeschlossene Diode (n), was zu einer durchgebrannten Sicherung führt.

Anmerkungen:

Problemlösungsszenarien sind immer gut für anregende Diskussionen. Achten Sie darauf, dass Sie mit Ihren Schülern viel Zeit im Unterricht verbringen, um effiziente und logische Diagnoseverfahren zu entwickeln, da dies ihnen in ihrer Karriere sehr helfen wird.

Erinnern Sie Ihre Schüler daran, dass die Messwerte der Testgeräte nicht die einzige brauchbare Quelle für Diagnosedaten sind! Verbrannte elektronische Komponenten erzeugen normalerweise einen starken und leicht erkennbaren Geruch, der immer auf Überhitzung hinweist. Es ist wichtig, im Hinterkopf zu behalten, dass die verbrannte Komponente oft nicht die ursprüngliche Ursache von Problemen ist, sondern dass sie bei einem anderen Komponentenfehler auftreten kann.

Frage 25

Die Welligkeitsfrequenz einer Halbwellengleichrichterschaltung, die mit 60 Hz Wechselstrom betrieben wird, wird mit 60 Hz gemessen. Die Welligkeitsfrequenz einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung, die von genau der gleichen 60 Hz-Wechselstromleitungsspannung gespeist wird, wird mit 120 Hz gemessen. Erklären Sie, warum die Welligkeitsfrequenz des Vollwellengleichrichters doppelt so groß ist wie die des Einweggleichrichters.

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Die Anzahl der Impulse im Ausgang des Vollweggleichrichters ist doppelt so groß, dh die Wellenform wiederholt sich doppelt so oft.

Anmerkungen:

Ich habe gehört, dass Studenten sehr interessante (und falsche) Erklärungen für die Unterschiede zwischen den beiden Frequenzen zusammenstellen. Ein weit verbreiteter Irrtum ist, dass es etwas mit dem Transformator zu tun hat, als ob ein Transformator die Frequenz genauso hoch- oder runterschalten könnte wie Spannung oder Strom! Wenn die Schüler nicht verstehen, warum es einen Frequenzunterschied gibt, können Sie ihnen helfen, indem Sie zwei Schüler bitten, an die Spitze der Klasse zu kommen und zwei Wellenformen zu zeichnen: Halbwelle und Vollwelle, zusammen mit ihrer ursprünglichen Wechselspannung (nicht korrigierte) Wellenformen.

Frage 26

Berechnen Sie die ungefähre DC-Ausgangsspannung dieses Netzteils, wenn es nicht geladen ist:

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V out 21, 4 Volt

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler, Schritt für Schritt zu erklären, wie sie diese Ausgangsspannung gelöst haben.

Frage 27

Berechnen Sie die ungefähre DC-Ausgangsspannung dieses Netzteils, wenn es nicht geladen ist:

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V out 11, 6 Volt

Anmerkungen:

Bitten Sie Ihre Schüler, Schritt für Schritt zu erklären, wie sie diese Ausgangsspannung gelöst haben.

Frage 28

Ein einfacher AC-DC-Stromversorgungsschaltkreis gibt ungefähr 6, 1 Volt Gleichstrom aus, ohne dass ein Filterkondensator angeschlossen ist, und ungefähr 9, 3 Volt Gleichstrom mit einem angeschlossenen Filterkondensator:

Erkläre, warum das so ist. Wie kann die Hinzufügung von nichts als einem Kondensator eine so große Wirkung auf die Menge an Gleichspannung haben, die von der Schaltung ausgegeben wird. "# 28"> Antwort anzeigen Antwort verbergen

Der Filterkondensator erfasst den Spitzenspannungspegel jedes Impulses von der Gleichrichterschaltung und hält diesen Spitzenpegel während der Zeit zwischen den Impulsen.

Anmerkungen:

Viele neue Studenten finden dieses Phänomen paradox, besonders wenn sie eine Ausgangsgleichspannung sehen, die größer ist als die AC (RMS) -Ausgangsspannung der Sekundärwicklung des Transformators. Ein Beispiel hierfür ist die Möglichkeit, eine 30-Volt-Gleichstromversorgung mit einem Transformator mit einer Sekundärspannung von nur 24 Volt zu realisieren. Der Zweck dieser Frage besteht darin, die Schüler dazu zu bringen, sich diesem Paradox zu stellen, wenn sie es nicht bereits erkannt und gelöst haben.

Frage 29

Ein Techniker untersucht eine Stromversorgungsschaltung, die wesentlich weniger Gleichspannung ausgibt, als sie sollte. Die Ausgangsspannung soll 15 Volt DC betragen, aber sie gibt tatsächlich weniger als 8 Volt DC aus:

Der Techniker misst ungefähr 18 Volt Wechselstrom (RMS) über die Sekundärwicklung des Transformators. Basierend auf dieser Spannungsmessung und dem Wissen, dass eine reduzierte DC - Ausgangsspannung vorhanden ist, identifizieren Sie zwei mögliche Fehler, die das Problem und alle Messwerte in dieser Schaltung erklären könnten, und identifizieren auch zwei Schaltungselemente, die möglicherweise nicht beschuldigt werden können (dh zwei Dinge, die du kennst, müssen richtig funktionieren, egal was sonst noch falsch ist. Die Schaltungselemente, die Sie entweder als fehlerhaft oder richtig funktionierend identifizieren, können Drähte, Leiterbahnen und Verbindungen sowie Komponenten sein. Sei so genau wie möglich in deinen Antworten und identifiziere sowohl das Schaltungselement als auch die Art des Fehlers.

Schaltungselemente, die möglicherweise fehlerhaft sind
1.
2.
Schaltungselemente, die ordnungsgemäß funktionieren müssen
1.
2.
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Ich lasse dich und deine Klassenkameraden hier einige Möglichkeiten herausfinden!

Anmerkungen:

Problemlösungsszenarien sind immer gut für anregende Diskussionen. Achten Sie darauf, dass Sie mit Ihren Schülern viel Zeit im Unterricht verbringen, um effiziente und logische Diagnoseverfahren zu entwickeln, da dies ihnen in ihrer Karriere sehr helfen wird.

Frage 30

Ein Techniker behebt einen Stromversorgungskreis ohne DC-Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung soll 15 Volt DC betragen, gibt aber eigentlich gar nichts aus (Null Volt):

Der Techniker misst 120 Volt Wechselstrom zwischen den Testpunkten TP1 und TP3. Basierend auf dieser Spannungsmessung und dem Wissen, dass es keine DC - Ausgangsspannung gibt, identifizieren Sie zwei mögliche Fehler, die das Problem und alle gemessenen Werte in dieser Schaltung erklären könnten, und identifizieren Sie auch zwei Schaltungselemente, die nicht beschuldigt werden können (dh zwei Dinge, die du kennst, müssen richtig funktionieren, egal was sonst noch falsch ist. Die Schaltungselemente, die Sie entweder als fehlerhaft oder richtig funktionierend identifizieren, können Drähte, Leiterbahnen und Verbindungen sowie Komponenten sein. Sei so genau wie möglich in deinen Antworten und identifiziere sowohl das Schaltungselement als auch die Art des Fehlers.

Schaltungselemente, die möglicherweise fehlerhaft sind
1.
2.
Schaltungselemente, die ordnungsgemäß funktionieren müssen
1.
2.
Antwort enthüllen Antwort verstecken

Ich lasse dich und deine Klassenkameraden hier einige Möglichkeiten herausfinden!

Anmerkungen:

Problemlösungsszenarien sind immer gut für anregende Diskussionen. Achten Sie darauf, dass Sie mit Ihren Schülern viel Zeit im Unterricht verbringen, um effiziente und logische Diagnoseverfahren zu entwickeln, da dies ihnen in ihrer Karriere sehr helfen wird.

Frage 31

Eine gemeinsame Teilschaltung in Stromversorgungen aller Art ist ein EMI / RFI- Filter. Dieses LC-Netzwerk ist für die 50- oder 60-Hz-Netzfrequenz nahezu "transparent", so dass der Transformator jederzeit die volle Netzspannung hat:

Wenn dieser EMI / RFI-Filter nichts mit oder mit der Netzspannung macht, welcher Zweck dient es "# 31"> Antwort anzeigen Antwort verbergen

Ein EMI / RFI-Filter hat keinen Zweck bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Es trägt jedoch dazu bei, zu verhindern, dass die Stromversorgungsschaltung andere Geräte, die von der gleichen Wechselstromleitung gespeist werden, stört, indem unerwünschtes hochfrequentes Rauschen herausgefiltert wird, das in der Stromversorgung durch Diodenschaltung erzeugt wird.

Follow-up-Frage: Berechnen Sie die gesamte induktive Reaktanz der beiden Induktivitäten auf 60 Hz, wenn die Induktivität 100 μH beträgt.

Anmerkungen:

Diese Filter sind sehr verbreitet in Schaltnetzteilen, aber sie sind in linearen ("Brute-Force") Stromversorgungsschaltungen wie dieser nicht fehl am Platz. Erwähnen Sie Ihren Studenten, wie die Reduzierung elektromagnetischer und hochfrequenter Störungen bei allen Arten der Konstruktion von elektronischen Geräten eine hohe Priorität hat.

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