Компонентная база электроники. Электроника курс лекций

1. Электроника курс лекций

2.

Компонентная база
электроники

3. 2. Классификация полупроводниковых приборов

1.
Диоды
2.
Тиристоры
3.
Транзисторы
4.
Интегральные микросхемы (ИМС)
02.06.2021
3

4. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов

Выпрямительный и
импульсный диод
А
К
Динистор
02.06.2021
Стабилитрон
и
стабистор
Симметричный
стабилитрон
А
К
УЭ
А
Варикап
К
УЭ
Тиристор
Тринистор
УЭ – управляющий электрод
4

5.

Полупроводниковый диод
содержит одним p-n – переходом и имеет два вывода:
вывод А (анод) от р-области и К (катод) от n-области.
Анод
02.06.2021
Катод
5

6.

Идеальный электрический вентиль (диод)
не имеет потерь, его сопротивление в
проводящем направлении от анода А к катоду К
равно нулю, в непроводящем – бесконечности.
ВАХ
02.06.2021
6

7.

Таким образом, полупроводниковый диод
обладает
односторонней
проводимостью,
т. е. является электрическим вентилем.
Диод характеризуется статическим и
дифференциальным сопротивлениями.
У линейных элементов
02.06.2021
7

8.

КС225А
К – кремний
С – стабилитрон
2 – мощность рассеивания 0,3-5 Вт,
диапазон напряжений U= 10 – 100 В
25 – U = 25 В
А – порядковый номер разработки
02.06.2021
8

9. ВАХ стабилитрона реальная:

В отличие от диода
стабилитрон работает при обратном напряжении
ВАХ стабилитрона реальная:
02.06.2021
9

10. Однополупериодный выпрямитель

Однофазная
однополупериодная
схема
выпрямления с активной нагрузкой является
простейшей из известных схем выпрямления.
02.06.2021
10

11.

Временные диаграммы
02.06.2021
11

12.

Среднее выпрямленное напряжение и ток
за период:
U 2m
U н.ср
0,318 U 2 m
U2
U н.ср
2
I н.ср
или
2,22 U н.ср
U н.ср
Rн
или
U н.ср
2
U 2 0, 45 U 2
U обр.max 2 U 2
I н.ср
0, 45 U 2
Rн
Прямой ток диода равен току нагрузки:
I н.ср I пр.д
02.06.2021
12

13.

Выпрямленное
напряжение
несинусоидальную форму сигнала
разложено в ряд Фурье:
uн U н.ср U m.осн
02.06.2021
и
uн
имеет
может быть
Um 1
U 2 m sin t ....
2
13

14.

Амплитуда основной гармоники:
U m.осн
1
U2m
2
Частота пульсаций выпрямленного
равна частоте сетевого напряжения.
напряжения
fп = fс
Отношение амплитуды первой гармоники к постоянной
составляющей называется коэффициентом пульсации:
02.06.2021
U m.осн
qп
1,57
U н.ср
2
14

15.

При выборе выпрямительных диодов
используются максимально допустимые
параметры:
максимальный прямой ток Iпр.max,
максимальное обратное напряжение Uобр.max.
02.06.2021
15

16. Преимущества однополупериодного выпрямителя

- его простота и минимальное количество элементов.
Недостатки однополупериодного
выпрямителя:
1. большой коэффициент пульсаций;
2. малые значения выпрямленных тока и напряжения;
3. выпрямленный ток через нагрузку протекает через
обмотки
трансформатора,
что
вызывает
подмагничивание
сердечника
трансформатора
(как следствие снижение к.п.д всего выпрямителя).
02.06.2021
16

17.

Мостовая схема
двухполупериодного выпрямителя:
состоит из трансформатора ТР и четырех диодов,
собранных по мостовой схеме.
02.06.2021
17

18.

Временные диаграммы
Кривые напряжения и тока на нагрузке повторяют
(при прямом напряжении на диодах Uпр 0) по величине и
форме выпрямленные полуволны напряжения и тока
вторичной обмотки трансформатора.
Они пульсируют от нуля до максимального значения U2m.
02.06.2021
18

19.

Среднее выпрямленное напряжение и ток
(постоянные составляющие):
2
U н.ср U 2 m 0,636 U 2 m
U2
2 2
или
U н.ср 1,11 U н.ср
2
I н.ср I 2 m 0,636 I 2 m
02.06.2021
2 2
U н.ср
U 2 0,9 U 2
где
I 2m
U 2m
Rн
19

20.

Прямой ток диода (диоды работают
поочередно, поэтому нагружены вдвое меньше):
I пр.д 0,5 I н.ср
Обратное напряжение на
вентиле:
U обр.max U 2 m 2 U 2 1,57 U н.ср
Амплитуда
основной
(второй)
гармоники
выпрямленного
напряжения,
определенная
из
разложения в ряд Фурье:
U m.осн
02.06.2021
4
U 2 m 0, 424 U 2 m
3
20

21.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения:
fп = 2fс
Тогда коэффициентом пульсации:
U m.осн 2
qп
0,667
U н.ср
3
или можно определить по эмпирической формуле:
2
2
qп 2
0,667
m 1 3
где m – кратность частоты изменения сигнала к частоте тока в сети;
для мостовой схемы m = 2.
02.06.2021
21

22. Недостатки двухполупериодного выпрямителя

-
Недостатки двухполупериодного
выпрямителя
увеличение числа элементов.
Преимущества:
1. Лучше используется трансформатор (работает без
подмагничивания);
2. Меньше коэффициент пульсации (q = 0,67),
хотя его величина остается значительной.
3. Uобр.max не изменилось по сравнению с 1 п/п;
4. Увеличились средневыпрямленные значения
тока и напряжения.
02.06.2021
22

23.

2. Сглаживающие фильтры
Качество фильтра характеризует
коэффициент сглаживания
- отношение коэффициента пульсаций на выходе
выпрямителя qп.вх (до фильтра) к коэффициенту
пульсации на нагрузке qп.вых (после фильтра).
К сгл
qп.вх
qп.вых
Чем больше Kсгл, тем лучше фильтр (всегда больше 1).
02.06.2021
23

24.

Наиболее распространены сглаживающие фильтры
типов L, C и LC.
ёмкостной
индуктивный
Lф
Сф
Rн
Rн
В маломощных ИВЭ
В мощных ИВЭ
Rн- велико Xсф ≤ Rн
Rн- мало Xсф ≥ Rн
Индуктивно-ёмкостной
Lф
Сф
02.06.2021
Rн
24

25. В выпрямителях малой мощности используются емкостные фильтры. Конденсатор Сф включен параллельно нагрузке и напряжение на

Емкостной С-фильтр
В выпрямителях малой мощности используются
емкостные фильтры. Конденсатор Сф включен
параллельно нагрузке и напряжение на конденсаторе
равно напряжению на нагрузке.
1 п/п. схема. вып.
1
I
U2
VD
Uc
Iн
Сф
Uн
Rн
Uc= Uн
2
02.06.2021
25

26.

Временная диаграмма
однополупериодного выпрямителя
с емкостным фильтром
u
Um
uc= uн
∆t2
∆t1
0
t1
t2
диод открыт
(зарядка конденсатора)
u2 > uс
02.06.2021
U2m
T/2
диод заперт
t3
t4
t
(разрядка конденсатора)
u2 < uс
26

27.

Чем меньше разрядится конденсатор Сф, тем меньше
будут пульсации в выпрямленном токе iн.
Время разрядки зависит от постоянной времени
τраз= Cф Rн
которая показывает, в течение какого времени напряжение
на конденсаторе уменьшится в e раз (2,72).
Коэффициент пульсации:
qп
02.06.2021
1
2 f осн разр
27

28.

Схема двухполупериодного выпрямителя
с емкостным сглаживающим фильтром
VD4
VD1
VD3
VD2
iд
iн
u2
Cф
uc
02.06.2021
Rн
uн
28

29.

Временная диаграмма работы схемы
двухполупериодного выпрямителя
с емкостным сглаживающим фильтром.
u, uc, uн
Um
0
t1
t2
T/2 t3
t4
T
t5
t6
t
iд
0
02.06.2021
t
29

30.

Выбор емкости конденсатора для получения нужного
коэффициента пульсации можно осуществить по
следующим формулам:
для однополупериодной схемы выпрямления
1
Cф
qп Rн
для двухполупериодной схемы выпрямления
1
Cф
2 qп Rн
где ω – угловая частота напряжения u2 трансформатора.
02.06.2021
30

31.

Обратное максимальное напряжение и
коэффициент пульсации :
для однополупериодной схемы выпрямления с Сф:
U обр.max 2 U 2 m 2 2 U 2
1
1
qп
2 fC разр 2 fC Rн Cф
для двухполупериодной схемы выпрямления с Сф:
U обр. max U 2 m
2 U2
1
1
qп
4 fC разр 4 fC Rн Cф
02.06.2021
31

32. Одноэлементный L-фильтр

- включают последовательно с нагрузкой Rн.
При нарастании выпрямленного напряжения и тока
нагрузки
iн
магнитная
энергия
запасается
в индуктивном элементе L (дросселе).
При снижении
поддерживается
в дросселе.
В мощных выпрямителях (когда сопротивление Rн мало)
L-фильтр действует наиболее эффективно.
напряжения u2 ток в
за
счет
накопленной
Индуктивность дросселя :
нагрузке
энергии
К сгл Rн
L
n
где n - номер основной гармоники выпрямленного напряжения u2
02.06.2021
32

33. Временная диаграмма двухполупериодного выпрямителя с L - фильтром

02.06.2021
33

34. RС-фильтр:

Коэффициент сглаживания L-фильтра:
Коэффициент
К сгл
XL
Rн
сглаживания
можно
определить и по отдельным формулам, например:
RС-фильтр:
RL-фильтр:
LС-фильтр:
Ксгл m R C
К сгл
m L
R
К сгл ( m ) L C
2
где m – число фаз выпрямления; ω = 2 f – угловая частота тока сети.
02.06.2021
34

35. Временная диаграмма двухполупериодного выпрямителя с LC- фильтром

02.06.2021
35

36. 2.ТРЕХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Трехфазные выпрямители применяют в устройствах
средней и большой мощностей.
02.06.2021
36

37. Временная диаграмма трехфазного тока

02.06.2021
37

38.

Временная диаграмма выпрямленного
трехфазного тока
i
iA
iB
iC
Im
Iн
0
02.06.2021
Т/3
Т
t
38

39.

Если считать диоды идеальными, то напряжение на
нагрузке Rн равно напряжению фазы с открытым диодом,
следовательно, ток в нагрузке изменяется по тому же
закону. Т.е. ток не падает до нуля, как это имело место в
1 п/п и 2 п/п выпрямителей.
Частота пульсаций выпрямленного напряжения:
fп = 3fс
пульсация тока в трехфазном выпрямителе относительно
невелика и коэффициент пульсации :
2
2
qп 2
2
0, 25
m 1 3 1
где m – кратность частоты изменения сигнала к частоте тока в сети, m = 3
02.06.2021
39

40.

Временная диаграмма
02.06.2021
40

41.

U н.ср
Среднее выпрямленное напряжение и
ток на нагрузке.
3 3
U 2 m 0,827 U 2 m
2
или
U н.ср 1,17 U 2ф
I н.ср 0,827 I 2 m
Максимальное
обратное
напряжение
на
каждом
диоде
определяется
линейного напряжения:
U обр.max 2 3 U 2ф 6 U 2ф
02.06.2021
амплитудой
2
U н.ср 2,09 U н.ср
3
41

42.

В каждом диоде ток проходит в течение Т/3, и
поэтому его среднее значение:
I пр.ср
I н.ср
3
Максимальный прямой ток:
I пр.max
02.06.2021
Uфm
Rн
U н.ср
0,827 Rн
1,21 I н.ср
42

43. Преимущества:

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом служит
для питания нагрузочных устройств, в которых средние
значения выпрямленного тока доходят до сотен ампер,
а напряжение – до десятков киловольт.
Преимущества:
достаточно высокая
количество диодов.
надежность
и
минимальное
Недостатки:
подмагничивание
сердечника
трансформатора
постоянным током, что приводит к снижению к.п.д.
выпрямителя.
02.06.2021
43

44.

Схема двухполупериодного
выпрямления трехфазного тока
A
B
C
VD1
VD2
VD3
VD4
VD5
VD6
Rn
02.06.2021
in
44

45.

Временная диаграмма напряжений и токов
трехфазного мостового выпрямителя
02.06.2021
45

46.

Временная диаграмма
выпрямленного трехфазного тока
i
i1,4
i1,6
i3,6
i3,2
i5,2
i5,4
Im
Iн
0
02.06.2021
β
t
2
46

47.

Из временных диаграмм видно, что пульсации
выпрямленного напряжения значительно меньше, чем в
трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом.
Частота пульсаций выпрямленного
в 6 раз больше сетевой частоты:
напряжения
fп = 6fс
Коэффициент пульсации:
2
2
qп 2
2
0,057
m 1 6 1
где m – кратность частоты изменения сигнала к частоте тока в сети, m = 6.
02.06.2021
47

48.

Среднее выпрямленное напряжения
Его
значение
в
рассматриваем
в
2
раза
больше,
чем
в
с нейтральным выводом.
U н.ср
выпрямителе
выпрямителе
3 2
3 6
U 2л
U 2 2,34 U 2
π
π
где: U2л – линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Среднее выпрямленное значение тока:
3I m
I н.ср
0,956 I m
Максимальное обратное напряжение:
U обр.max 1,045 U н.ср
02.06.2021
48

49. Преимущества:

Трехфазный мостовой выпрямитель, несмотря
на то что в нем используется в два раза больше
диодов, по всем показателям превосходит
трехфазный выпрямитель.
У него выше к.п.д. выпрямителя, т.к. нет
подмагничивания сердечника трансформатора
постоянным током.
02.06.2021
49

50. Параметры схем выпрямления

Трехфазный
выпрямитель
с нейтральным
выводом
Трехфазный
мостовой
выпрямитель
Параметры
Однополупериодный
однофазный
выпрямитель
Двухполупериодный
однофазный
выпрямитель
Среднее
значение
выпрямленного
напряжения
Uн.ср
0,45 U2
0,9 U2
1,57 Uн.ср
1,57 Uн.ср
2,09 Uн.ср
1,045 Uн.ср
Частота
пульсаций
fп
fс
2fс
3fс
6fс
Коэффициент
пульсации
qп
1,57
0,67
0,25
0,057
Обратное
максимальное
напряжение
Uобр.max
02.06.2021
1,17 U2ф 2,34 U2л
50

51.

Внешняя характеристика
выпрямителя
Uн.ср
U н.ср. Eн.ср. U н.ср.
Eн.ср
Uн.ср1
ΔUн.ср1
Iн.ср
02.06.2021
Iн.ср1
.
51