На полупроводниковых диодах

Задание. На вход диодного преобразователя поступает синусоидальное напряжение частотой f = 50 Гц с амплитудным значением U _вх.m. Для заданной схемы преобразователя напряжения (рис. 1) подобрать по справочнику полупроводниковые диоды, построить временные диаграммы напряжения на диодах и на нагрузке, а также тока, протекающего через диоды и нагрузку. Рассчитать амплитудные значения напряжения U _нm и тока нагрузки I _нm.

Предельные, статические и динамические параметры диодов указаны в справочниках [2, 3]. В табл. 1 приведены основные параметры выпрямительных диодов. Варианты заданий в виде значений входного напряжения u _вх. и сопротивления нагрузки R _н приведены в табл. 2.

Таблица 1

1) 2) 3)

	Рис. 1. Схемы преобразователей напряжения на диодах

Таблица 2

Методические указания. Перечертить схему преобразователя напряжения. Проанализировать работу схемы, определить состояния диодов (открытое или закрытое) и указать направления протекания токов в схеме для обеих полуволн входного синусоидального напряжения. В соответствии с заданным входным напряжением U _вх.m и сопротивлением нагрузки R _н выбрать по справочнику [2, 3] выпрямительные полупроводниковые диоды с учётом коэффициента запаса по напряжению и по току: U _обр.maх > (1,1…1,2) U_VD и I _{пр.ср.maх} > (1,1…1,2) I_VD. Допускается также выбирать универсальные диоды и диоды других типов. Выписать из справочника основные параметры диодов: U _обр.maх (В); I _{пр.ср.maх} (мА); P _ср. (Вт); U _пр. (В); I _обр. (мкА); T _к (^оС).

С учётом состояния каждого диода (отперт или заперт) для обеих полуволн входного напряжения (один период работы преобразователя) построить временные диаграммы напряжения и тока для всех элементов. На полученных диаграммах указать амплитудные значения напряжения и тока. Для расчёта амплитудных значений напряжения и тока следует применить законы Кирхгофа, а также использовать вольт-амперные характеристики (ВАХ) элементов схемы.

Пример решения задачи. В качестве примера решения задачи рассмотрим схему выпрямления переменного напряжения с одним диодом (рис. 2). Исходными данными являются: амплитуда входного синусоидального напряжения U _вх.m = 100 В и сопротивление нагрузки R _н = 50 Oм.

Поскольку на вход преобразователя поступает переменное напряжение, то для решения задачи целесообразно рассмотреть отдельно работу схемы при положительной и отрицательной полуволнах входного напряжения. При положительной полуволне диод VD ₁ открыт, и через него протекает прямой ток, величина которого ограничивается сопротивлением нагрузки. При отрицательной полуволне диод закрыт и через нагрузку будет протекать незначительный обратный ток I _обр., величина которого определяется типом диода. На рис. 3 приведены схемы замещения для обеих полуволн входного напряжения, на схемах указаны направления токов, протекающих через все элементы и падения напряжения на них.

Для выбора типа полупроводникового диода рассчитаем среднее за период значение тока, протекающего через диод. Для положительной полуволны получим:

,

где T = 1/ f – период входного напряжения, с; w = 2p/ T – угловая частота, рад/c; I_{VD 1m} – амплитудное значение тока, протекающего через диод VD1.

Считая диод идеальным элементом, найдём амплитуду тока через диод для положительного полупериода:

.

Тогда среднее значение тока за период будет равно:

.

При отрицательной полуволне диод VD ₁ закрыт, поэтому амплитудное значение обратного напряжения на диоде будет равно амплитуде входного напряжения:

.

Тогда, с учётом коэффициента запаса по току и напряжению k _зап. = 1,2 выберем из справочника выпрямительный диод, удовлетворяющий условиям:

т.е.

Указанным требованиям удовлетворяет кремниевый диффузионный выпрямительный диод марки Д229Г с параметрами: U _обр.maх = 200 В; I _{пр.ср.maх} = 700 мА; U _пр.ср. = 1 В; I _обр.ср. = 200 мкА; T _к = 85 ^оС.

На рис. 3, в построены временные диаграммы работы преобразователя с учётом справочных данных диода Д229Г. Т.к., нагрузка активная, то ток нагрузки i _н совпадает по форме с напряжением на нагрузке u _н. Для расчёта амплитудных значений тока и напряжения всех элементов цепи используем законы Ома и Кирхгофа.

Амплитудное значение напряжения нагрузки для положительной полуволны равно:

,

тогда амплитуда тока в нагрузке:

.

Амплитудное значение напряжения нагрузки для отрицательной полуволны будет равно:

.

Полученные амплитудные значения тока и напряжения нанесены на временные диаграммы работы преобразователя (см. рис. 3, в).