2.2 Графоаналитический расчет

Д ля проведения данного расчета проведем кусочно-линейную аппроксимацию характеристики диода. Прежде всего, проведем оценку ожидаемого значения тока в диоде. Если напряжение на диоде равно нулю, то ток будет равен 9 мА, в режиме короткого замыкания диода. Следовательно, рабочим участком скорее всего будет участок характеристики диода с . А поэтому, заменяем этот участок отрезком прямой (А-Б) (рис.7).

Рис.7 Кусочно-линейная аппроксимация прямой ветви характеристики диода.

Таким образом, характеристика диода, аппроксимирована двумя отрезками прямых. Пока, напряжение на диоде, меньше , ток диода равен нулю и расчетная модель будет соответствовать участку 2 (Таб.1). Прямой А-Б будет соответствовать участок 3 (Таб.1), с параметрами и . Обратите внимание на поразительно малое значение дифференциального сопротивления. Это сопротивление характеризует поведение диода при приращениях токов и напряжении. Расчетная схема цепи, при условии, что , имеет вид (рис.8):

Рис.8 Расчетная схема для участка характеристики А-Б

Ток в схеме по рис.8, согласно закона Ома для участка цепи с э.д.с., равен:

Этот значение хорошо совпадает с ранее полученными результатами.

2.3 Расчет схем с диодами по вентильным характеристикам.

Когда схема содержит два и более диода, графические и графоаналитические методы оказываются малоэффективными. С другой стороны, если приложенные к схеме напряжения достаточно велики, по сравнению с величиной «ступеньки» характеристики диода, которая равна приблизительно (рис.5), то хорошие результаты дает использование вентильной характеристики диода (рис.9):

Рис.9 Вентильная характеристика диода

Данной характеристике , соответствует два состояния диода. На участке «а», диод открыт, напряжение равно нулю, ток определяется внешними условиями. Другими словами, на этом участке диод представляет собой короткозамкнутый участок. На участке «б», диод представляет собой разомкнутый участок. При таком подходе, рекомендуется применять следующий порядок расчета и анализа цепей с диодами (Л.1):

1. На первом шаге принимаем, что все диоды работают на участке «а» и заменяем их короткозамкнутыми участками.

2. Рассчитываем полученную схему и определяем направления токов через диоды. Если направление тока, полученное в результате расчета, совпадет с прямым током диода, то оставляем короткозамкнутый участок, если нет -заменяем его разрывом.

3. Рассчитываем полученную цепь и находим фактические токи и напряжения.

Пример №2. Найти токи и напряжения в схеме на рис.4. Диод рассматривать как элемент, имеющий вентильную характеристику (рис.5).

1. Заменяем диод короткозамкнутым отрезком, и получаем схему, показанную на рис.10.

	Расчет схемы по рис.6 очевиден: 1. 2. 3.
Рис.10 Расчетная схема на 1-ом шаге.

Так как ток данного направления больше нуля, то дальнейший расчет проводить не надо.

Пример 3. Найти токи и напряжения в схеме на рис.11. Диоды рассматривать как элементы, имеющие вентильную характеристику (рис.9).

Рис.11 Схема функционального преобразователя.

Исходные данные:

1. Составляем расчетную модель на 1-ом шаге (рис.12):

Рис.12 Расчетная схема на 1-ом шаге.

Расчет схемы можно провести методом наложения. При расчете от напряжения значения токов будут равны: При расчете от источника тока получим: Результирующие значения токов в схеме по рис.12: Полученные значения токов, позволяют создать на 2-шаге расчетную схему, показанную на рис.13:

2. Составляем расчетную схему на 2-ом шаге:

Рис.13 Расчетная схема на 2-ом шаге.

В этой схеме ток, независимо от величины входного напряжения , будет равен величине источника тока В таком случае напряжение на выходе будет равно независимо от величины входного напряжения. Расчет закончен.

Значительно больший интерес представляет для подобных устройств, получение функциональной зависимости вида: , т.е фактически передаточной функции по напряжению вход-выход.

Рекомендуется придерживаться следующего порядка получения данной зависимости:

1. Устанавливаем наличие или отсутствие условии симметрии, связанных с изменением полярности приложенного напряжения. В рассматриваемой схеме (рис.11), при заданной полярности входного напряжения, токи от действия входного напряжения в диодах 1 и 3 совпадают с токами от источника тока, а в диодах 2 и 4 имеют противоположное направление. Если полярность приложенного напряжения сменить, то в диоды 2и 4, токи будут совпадать, а в диодах 1 и 3 будут направлены навстречу. Следовательно схема обладает условием симметрии по отношению к полярности входного напряжения. Поэтому, анализ можно провести только для полярности входного напряжения показанного на рис.11.

2. Полагаем входное напряжение , тогда от действия источника тока все диоды будут открыты и рабочая точка будет находится на 1-ом участке и расчетная модель примет вид (рис.14)

Рис.14 Расчетная схема при

В этой схеме токи всех диодов равны половине источника тока (рис.15), а ток и напряжение будут равны нулю.

Рис.15. Положение рабочей точки при

3. Дадим приращение входному напряжению (рис.16): Предполагая, что диоды по- прежнему работают на 1-ом участке, расчетная схема будет иметь вид

Рис.16 Расчетная модель при входном напряжении больше нуля

Применяя метод наложения получим : Таким образом, пока все диоды открыты, приращение выходного напряжения равно приращению входного напряжения. При этом , при увеличении входного напряжения токи в диодах 1 и 3 увеличиваются, а в диодах 2 и 4 уменьшаются (рис.17). При дальнейшем увеличении входного напряжения ток в диодах 1 и 3 будет продолжать увеличиваться, а в диодах 2,4 уменьшаться.

Рис.17 Положение рабочих точек при

Токи в диодах 2 и 4 станут равным нулю при выполнении условия: . Из последнего следует, что это произойдет при .Таким образом, пока входное напряжение , выходное напряжение равно входному. При дальнейшем росте напряжения, диоды 2, 4 закроются, для источника тока останется путь по диодам 1, 3 и расчетная модель примет вид (рис.18):

Рис.18 Расчетная модель при закрытых диодах 2 и 4

Выходное напряжение будет оставаться постоянным и равным , а разность между входным и выходным напряжением будет падать на источнике тока. График функциональной зависимости для данной схемы, показан на рис.19:

Рис.19 Функциональная зависимость для схемы по рис.11

Данная схема позволяет производить ограничение выходного сигнала по амплитуде. На рис.20 показаны результаты машинного моделирования схемы, при амплитуде входного сигнала равной 168 вольт, которая превышает пороговое значение в 50 вольт..

Рис.20 Машинное моделирование схемы по рис.11.

Как видно из осциллограммы, выходное напряжение представляет собой двуполярные, близкие по форме к прямоугольным, импульсы. Очевидно, чем выше частота входного сигнала, тем больше выходной сигнал будет приближаться к прямоугольному, по форме.

Пример 4. Проведите расчет схемы по рис. 21, при заданных значениях параметров.

Рис.21 Исходная схема с двумя диодами

Заменяя диоды короткозамкнутыми отрезками, получаем , что сопротивления соединены последовательно, т.е фактически это делитель напряжения. Проведя расчет получим, что .

Пример 5. Самостоятельно проведите анализ схемы по рис. 22, и получите функциональную зависимость .

Рис.22 Функциональный преобразователь	Рис.23 Функциональная зависимость

2.4 Типичные схемы с диодами .

2.4.1 Выпрямительные схемы

Полупроводниковые диоды широко используются во всех областях техники. Одно из самых важных направлений это использование диодов в выпрямителях. Выпрямителем называется электротехническое устройство преобразующее переменный (двунаправленный) ток в постоянный (однонаправленный) ток. Структурная схема выпрямителя показана на рис.24.

Рис.24 Структурная схема выпрямителя

В таб.2 показаны основные выпрямительные схемы.

Таб.№2

№	Наименование схемы	Принципиальная схема	Форма выпрямленного тока
1	Однополупериодная
2	Двухполупериодная однофазная схема выпрямителя
3	Мостовая схема
4	Трехфазный выпрямитель с выводом нейтральной точки	С иловой трансформатор
5	Трехфазный выпрямитель мостовая схема

Существуют и другие, более сложные по устройству выпрямители. Главным техническим требованием остается, практически всегда, требование «гладкости» выпрямленного напряжения (тока).Другими словами, в выходном напряжении (токе), коэффициент гармоник должен стремиться к нулю. На рис.25 показаны результаты моделирования трехфазной мостовой схемы, при работе на активную нагрузку. Обратите внимание на спектр выходного напряжения и достаточно высокое амплитудное значение 3-ей гармоники.

Рис.25. Машинное моделирование трехфазной мостовой цепи

2.4.2 Диодные логические схемы.

Свойство односторонней проводимости диода позволяет создавать простые логические схемы. На рис. 26 показана схема, реализующая функцию «ИЛИ».

Рис.26 Схема реализации функции «ИЛИ»

Суть функции «ИЛИ» в данном случае проявляется в том, что при появлении сигнала (замыкании любого ключа) на выходе получим напряжение отличное от нуля. Естественно, должно быть больше 0,6 В.

На рис.27,28 показана схема, реализующая функцию «И».

Рис.27 Реализация функции «И» (выполнено)	Рис.28. Реализация функции «И» (не выполнено)

Отсутствие сигнала по одному вводу (рис.28), приводит к тому,что на выходе сигнал практически равен нулю.

12