Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
metods / Диоды.pdf
Скачиваний:
221
Добавлен:
26.03.2015
Размер:
1.71 Mб
Скачать

Министерство образования Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех» им. Д.Ф. Устинова

СЕРИЯ:

“ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИКИ

И И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ”

В.А.ВЕСЕЛОВ, О.С.ИПАТОВ, В.В.ГАВРИЛОВ

ДИОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2003

УДК 621.38 (075.8) В38

Веселов В.А., Ипатов О.С., Гаврилов В.В. Диоды и их при-

В38 менение / Балт. гос. техн. ун-т; СПб., 2003. 127 с. Сер. «Элементы аналоговых систем автоматики и их применение»

Содержит описание технических характеристик диодов и других двухвыводовых приборов с объяснением их физического смысла. Обсуждаются особенности применения таких приборов в практической схемотехнике.

Предназначено для студентов специальностей 210500, 220200, 071900.

УДК 621.38 (075.8)

Рецензенты: кафедра аэрокосмических приборов и измерительновычислительных комплексов Санкт-Петербургского университета аэрокосмического приборостроения (зав. каф. ). Зав. каф., канд. техн. наук Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) В. И. Халимон

Утверждено редакционно-издательским советом университета

© БГТУ, СПб., 2003

2

Предисловие

В данном учебном пособии из серии “Элементы аналоговых систем автоматики и их применение” из всего обширнейшего семейства таких приборов рассматриваются, в основном, диоды и, в меньшей мере, другие двухвыводовые приборы, основанные на p-n-переходах. Физические принципы действия таких устройств подробно изучаются в курсе “Физические основы построения полупроводниковых приборов”. Данное пособие предназначено для использования в курсах “Электроника”, “Схемотехника” для различных специальностей приборостроительного профиля. По этой причине здесь приведены, в основном, технические характеристики двухвыводовых приборов с учетом обусловленных принципом их действия особенностей, принимать во внимание которые необходимо при проектировании и создании реальных систем, что особенно важно для простых приборов. В этом случае у разработчика, в силу простоты прибора, формируется его восприятие в виде упрощенной модели, что и приводит, зачастую, к неудачам проектирования. Поэтому в данном пособии особый упор делается на особенности реальных коммерчески доступных приборов. На множестве типовых примеров иллюстрируется учет этих особенностей.

Авторы надеются, что данная работа послужит хорошим введением будущего специалиста в объектный мир его творчества.

В.А. Веселовым написаны разд. 2, 3, 6, 7, 12, 13 и осуществлена общая редакция; О.С. Ипатовым – разд. 1, 5, 8, 9; В.В. Гавриловым – разд. 4, 10, 11.

Авторы выражают глубокую благодарность кандидату технических наук, доценту В.Ю. Емельянову и кандидату технических наук А.П. Бочарову – известному специалисту по специальным системам управления – за рекомендации по совершенствованию пособия.

3

1. ИДЕАЛЬНЫЕ ДИОДЫ. ВЫПРЯМЛЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Диодом называется двухвыводовый прибор, который проводит электрический ток только в одном направлении. Его обозначение на электрических схемах представлено на рис. 1, а, а вольт-амперные характеристики идеализированного прибора – на рис.1, б.

а)

VD

в)

 

г)

цепь закорочена

 

 

 

 

 

 

 

 

А

К

 

А

К

 

 

 

Iд

 

 

Iц= 0

б)

Iд

д)

 

е)

цепь разомкнута

 

 

 

 

 

 

 

 

А

К

 

А

К

 

Uд

 

Iдо= 0

 

 

Iц= 0

Рис. 1

Стрелка в условном обозначении прибора показывает направление протекания тока через него. Встречно стрелке ток через прибор протекать не может. В соответствии с общепринятым условным направлением протекания тока в электрических цепях, ток через диод может протекать лишь при знаке приложенного к нему напряжения (рис. 1, в). Такое напряжение называется прямым. При обратном знаке приложенного к диоду напряжения – обратном напряжении (рис. 1, д) – ток через диод протекать не может. Говоря иначе, диод можно рассматривать как прибор, управляемый знаком приложенного к нему напряжения. При прямом напряжении диод проводит ток, он замыкает электрическую цепь (рис. 1, г), а при обратном – размыкает ее (рис. 1, е).

Идеальный диод характеризуется нулевым падением напряжения на нем, если он введен в проводящее состояние, и нулевым током через него, если он пребывает в непроводящем состоянии (рис. 1, б).

Проводимость диода определяется знаками прикладываемого к нему напряжения, поэтому можно осуществлять выпрямление знакопеременных напряжений. Точнее, при этом представляется возможным преобразовать переменное разнонаправленное напряжение в однонаправленное переменное, называемое пульсирующим.

4

Ниже рассматриваются основные схемы устройств выпрямления переменных напряжений, называемых выпрямителями и выполняемых на идеальных диодах. Существующие схемы выпрямителей делятся на однополупериодные и двухполупериодные.

1.1. Однополупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель (рис. 2, а) состоит из трансформатора Т, диода и резистивной нагрузки Rн.

а)

А

К

 

+(-)

 

 

 

 

U1

U2

Rн

Uн

 

 

 

 

-(+)

 

 

б)

U

 

в)

А

К

 

U2m

н

 

н

+

 

 

 

 

U2

Rн

Uн

 

 

ч

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

г)

U

 

д)

А

К

 

U2m

 

 

 

-

 

 

Uнср

н

ч

н

U2

Rн

Uн

 

 

 

W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

Рис. 2

 

 

 

Трансформатор T преобразует, “трансформирует”, первичное напряжение U1 в нужное по величине вторичное напряжение U2. Они связаны известным соотношением: U2=nU1, где n= W2/W1 – коэффициент трансформации трансформатора; W1 , W2 – число витков первичной и вторичной обмотки соответственно.

Положим, что первичное и вторичное напряжения синусоидальны

(рис. 2, б):

u2 = U2m sin ωt.

Как известно, гармоническое напряжение дважды за период меняет знак. Будем считать полупериоды переменного напряжения над осью времени “t” нечетными (индекс “н”), а под осью времени – четными (ин-

5

декс “ч”). Очевидно, что мгновенное напряжение в нечетные полупериоды положительно (знаки без скобочек), а в четные оно отрицательно (знаки в скобочках на рис. 2, а).

Эквивалентная схема выпрямителя в нечетные полупериоды представлена на рис. 2, в. В соответствии с изложенным выше принципом действия прибора в этом случае диод закорачивает участок цепи анод-катод (участок А-К) вторичной цепи трансформатора. В результате все напряжение, трансформируемое во вторичную обмотку трансформатора, оказывается приложенным к сопротивлению нагрузки Rн (рис. 2, г). На рис. 2, д представлена эквивалентная схема выпрямителя применительно к четным полупериодам. Поскольку в эти полупериоды участок (А-К) диода оказывается разомкнутым, то ток в цепи нагрузки равен нулю, а следовательно, равно нулю и напряжение на ней (рис. 2, г).

Таким образом, рассмотренный выпрямитель преобразует синусоидальное переменное напряжение u2 = U2m sinωt в однонаправленное положительное переменное напряжение (рис. 2, г), наблюдаемое на нагрузке в течение лишь каждой половины периода выпрямляемого напряжения. Напряжение такой формы называется однополупериодным выпрямленным. Лучше его назвать пульсирующим однополупериодным.

Как анализ, так и синтез таких выпрямителей сводится к определению токов и напряжений в нагрузке, токов диода и напряжения на нем, а также токов, обтекающих вторичную обмотку трансформатора.

Напряжения и токи в резистивной нагрузке определяются в соответствии с рис.2, г следующими соотношениями:

max Uн = U2m

, cp U =

1

U

=0,318U

,

 

 

 

 

 

н

π 2m

 

 

2m

 

max Iн

=

U2m

, cp Iн = 0,318

U2m

.

 

 

 

 

 

 

 

Rн

 

 

 

Rн

 

Для выбора диода в схему необходимо знать обтекающие его токи и прикладываемые к нему напряжения. Поскольку диод и нагрузка включены последовательно, то max Iд = max Iн, cp Iд = ср Iн.

Напряжение, прикладываемое к диоду, легко находится из эквивалентной схемы (рис. 2, д). В четные полупериоды диод размыкает цепь нагрузки. Тока в нагрузке нет. Нет и падения напряжения на Rн. Следовательно, потенциал зажима “+” источника U2 оказывается равным потенциалу катода К диода. Потенциал отрицательного зажима источника U2 оказывается равным потенциалу анода А диода. Следовательно, к диоду в непроводящие четные полупериоды оказывается приложенным max Uд об = U2m.

Для рационального выбора сечения провода обмоток трансформатора необходимо знать действующее значение обтекающего их тока. Вторич-

6

ная обмотка трансформатора, будучи включенной последовательно с Rн, обтекается тем же током, что и нагрузка. Отсюда действующий ток

 

1

T / 2

I =

(Iнm sin ωt)2 dt = 0,5Iнm .

T

 

 

0

 

Если обмотка трансформатора выбрана из условия фактического среднего тока, обтекающего обмотку, то токоведущая жила, имеющая сопротивление провода Rпр, претерпевает перегрев в число раз

 

(0,5I

нm

)2 R

 

K =

 

 

пр

= 2,27 ,

(0,318I

нm

)2 R

 

 

 

пр

 

поскольку нагрев провода определяется квадратом действующего значения тока в нем.

Недостатки данной схемы:

-при среднем напряжении на нагрузке равном срUн обратное напряжение, прикладываемое к диоду, равно Uоб 3(срUн);

-трансформатор обтекается током срIпр=0,318Iнm, что приводит к подмагничиванию сердечника трансформатора, а следовательно, к увеличению сердечника трансформатора при той же передаваемой им мощности;

-сечение провода оказывается избыточным, выбранным из условия обтекания его действующим током, а не его фактическим средним значением.

Таким образом, в данной схеме как провод обмоток, так и железо сердечника трансформатора используются нерационально.

1.2. Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель

Более рациональны двухполупериодные выпрямители. Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель представлен на рис. 3, а.

Положим, что выпрямляемое напряжение опять-таки синусоидально рис. 3, б. Тогда в нечетные полупериоды верхний диод VD1 замыкает участок A-K, подключая сопротивление Rн к верхней полуобмотке трансформатора, рис. 3, в. На сопротивлении Rн наблюдаются положительные полуволны напряжения в нечетные полупериоды рис. 3, г. Ток в нагрузке при этом течет от точки 1 к точке 2. В этот же полупериод диод VD2 размыкает соответствующий участок А-К, и нижняя полуобмотка оказывается отключенной от Rн.

В четные полупериоды (рис. 3, г) к нижней полуобмотке вторичной обмотки трансформатора подключается резистор Rн. К нагрузке опять оказывается приложенным напряжение U2. При этом ток в нагрузке течет в прежнем направлении, на нагрузке вновь выделяется положительная полуволна напряжения. Верхняя полуобмотка в четные полупериоды оказывается отключенной от нагрузки Rн.

7

а)

 

б)

+(-)

 

 

U2

VD1

Uн

Rн

 

U1

-(+)

Ф

 

+(-)

1

г)

цепь закорочена

U2

 

 

 

 

 

 

-(+)

 

 

Iц = 0

 

VD2

е)

цепь разомкнута

 

 

А

К

1

+(-)

 

 

U2

VD1

Uн

Rн

-(+)

 

+(-)

2

 

U2

-(+)

АК

Iц = 0

б) U2

U2m

нн

чW

г) U2

U2m

Uнср

н

ч

н

W

Рис. 3

Таким образом, в рассматриваемом выпрямителе однонаправленное – в данном случае положительное – напряжение наблюдается в течение обоих полупериодов выпрямляемого напряжения. Такое напряжение является переменным однонаправленным и называется двухполупериодным пульсирующим.

Напряжения и токи в нагрузке для этой схемы определяются (рис. 3) следующими соотношениями:

maxUн=U2m,

срUн=

2

U2m = 0,636U2m ,

 

 

 

 

π

 

 

max Iн =

U2m

, срIн = 0,636

U2m

.

Rн

Rн

 

 

 

 

 

Токи через каждый диод схемы и напряжение, прикладываемое к каждому диоду, окажутся равными:

8