Выбор полупроводниковых диодов

Основными исходными параметрами, по которым производится выбор диодов, являются среднее значение анодного тока I_a и амплитудное значение обратного напряжения U_am. Определив расчетом эти величины, по справочнику выбирают тип вентиля, для которого выполняются условия

I_{a макс доп} ³ I_a,

U_{a макс доп} ³ U_am,

где I_{a макс доп} – максимально допустимое среднее значение анодного тока вентиля данного типа;

U_{a макс доп} -максимально допустимое амплитудное значение обратного напряжения для вентиля данного типа.

В необходимых случаях следует учитывать влияние повышенной температуры окружающей среды, что обычно снижает допустимое обратное напряжение. Необходимые данные для учета влияния температуры приводятся в справочном листке на вентиль.

Большинство современных типов диодов изготавливается на основе германиевых и кремниевых кристаллов. При решении вопроса о выборе исходного материала следует иметь в виду, что кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, чем германиевые, и имеют значительно меньшую величину обратного тока.

Преимуществом германиевых вентилей следует считать меньшую величину прямого падения напряжения, что повышает к.п.д. выпрямителя, и несколько меньшую стоимость по сравнению с кремниевым.

При выборе мощных вентилей следует обращать внимание на условия их охлаждения. Способы охлаждения предусматриваются техническими условиями на вентили и весьма сильно влияют на допустимую величину анодного тока вентиля.

Пример. Для установки в выпрямительном блоке требуется выбрать полупроводниковый диод. Расчетом установлено, что при работе устройства максимальные электрические нагрузки на диод составят:

I_a = 4.8 А;

U_am = 375 В.

Пользуясь справочником [2], для установки в схему выбираем диод типа КД203А со следующими основными параметрами:

I_{а макс доп} = 10 А;

U_{а макс доп} = 600 В.

Примечание. Выбранный диод имеет избыточный запас по допустимому прямому току I_а. Однако ближайший меньший номинал анодного тока составляет 5 А (диоды типа КД202). Такие диоды, хотя и способны работать в данной схеме, однако не обеспечивают достаточного запаса по току, поэтому их применение не может быть рекомендовано.

 

 

Выбор транзисторов

 

При выборе транзисторов учитываются три основные параметра: амплитудное значение тока коллектора I_кm, амплитудное значение напряжения коллектор-эмиттер или коллектор-база U_кэm (U_кбm), средняя мощность, выделяемая на коллекторе Р_к. Пользуясь справочником, выбираем такой тип транзистора, для которого:

I_{к макс доп} ³ I_кm;

U_{кэ макс доп} ³ U_{кэ m};

Р_{к макс доп} ³ Р_к,

где I_{к макс доп} - максимально допустимое значение коллекторного тока;

U_{к макс доп} - максимально допустимое значение напряжения коллектор-эмиттер;

Р_{к макс доп­} - максимально допустимое среднее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе.

Температура окружающей среды при выборе транзисторов оказывает влияние на максимально допустимое напряжение и максимально допустимую мощность. При выборе материала транзистора следует учитывать те же особенности, что и при выборе диодов.

Частотные свойства транзисторов, предназначенных для работы в устройствах судовой автоматики, не имеют существенного значения, поскольку инерционность транзисторов заведомо пренебрежимо мала по сравнению с инерционностью других элементов, входящих в систему регулирования. Поэтому, как правило, в усилителях и других электронных элементах автоматики применяются транзисторы, принадлежащие к группе низкочастотных.

Особое внимание следует обратить на то, что транзисторы делятся на два типа: прп и рпр. При этом очевидно, что если схема рассчитана на транзистор, например рпр типа, то установка в данную схему транзистора прп совершенно невозможна, хотя бы он и имел все численные параметры, удовлетворяющие поставленным условиям. В некоторых случаях, однако, затруднения подобного рода могут быть преодолены незначительной перестройкой структуры схемы так, что она становится пригодной для использования транзисторов другого типа.

При выборе мощных транзисторов часто возникает вопрос о способе отвода тепла, выделяемого на коллекторном переходе транзистора, Обычно этот вопрос решается установкой транзистора на теплоотводящий радиатор. Необходимая величина площади радиатора в этом случае может быть определена с помощью специальных таблиц.

Пример. Для установки в схему усилителя мощности требуется подобрать транзистор рпр типа, способный работать в следующем режиме:

I _кm = 2.5 A;

U_{кэ m} = 30 В;

Р_к  = 2.5 В.

Пользуясь справочником [2], выбираем для установки транзистор типа ГТ703Д, имеющий следующие основные параметры:

I_{к макс доп} = 3.5 А;

U_{кэ макс доп} = 40 В;

Р_{к макс доп} = 15 В (с теплоотводом).

 

 

Выбор резистора

 

Для правильного выбора резистора необходимо знать величину его сопротивления R, рассеиваемую мощность Р_Р  и дополнительные условия эксплуатации. Этими дополнительными условиями в основном определяется выбор типа резистора. Для изделий общепромышленного назначения наиболее часто применяются резисторы типов ВС и МЛТ.

После выбора типа резистора на шкале номинальных мощностей выбирается мощность резистора. Например, для названных типов резисторов шкала номинальных мощностей выглядит следующим образом:

Р_ном= 0.125 Вт; 0.25 Вт; 0.5 Вт; 1.0 Вт; 2.0 Вт; 5.0 Вт; 10.0 Вт, (последние два значения только для резисторов типа ВС).

При выборе мощности резистора должно выполняться условие:

Р_ном > Р_р.

Номинальное значение сопротивления резистора выбирается наиболее близким к расчетному по шкале номинальных величин постоянных сопротивлений с учетом допустимого разброса. Резисторы названных типов выпускаются со следующими значениями допустимых отклонений сопротивления от номинального значения: + 5%; + 10%; + 20%. С целью снижения стоимости аппаратуры следует стремиться выбирать резисторы с наибольшим разбросом, допустимым по условиям работы схемы.

При выборе номинала следует убедиться, что необходимый номинал находится внутри пределов, предусмотренных для данного типа резистора. Например, резисторы типа ВС-0.25 имеют номинальные значения в пределах от 27 Ом до 5.1 мОм, резисторы типа ВС-2 – от 47 Ом до 10 мОм и т.д.

Пример. Для установки в цепи смещения транзисторного каскада требуется подобрать резистор, имеющий сопротивление 3510 Ом; расчетное значение тока, протекающего через резистор, равно 5.4 мА.

Выбираем тип резистора МЛТ. Определяем мощность, выделяемую в резисторе.

Р_р = I ² R = (5.4∙10^-3 ) ² 3510 = 0.092 Вт.

Выбираем номинальное значение мощности резистора.

Р _ном = 0.125 Вт.

Учитывая, что величина сопротивления данного резистора определяет режим работы транзистора и должна по возможности близко соответствовать расчетной, выбираем минимальную величину допуска D R = ±0.5 %.

По справочной таблице [4] убеждаемся, что необходимая нам величина сопротивления находится внутри диапазона сопротивлений, на которые изготавливается выбранный нами тип резистора.

По шкале номинальных значений выбираем ближайшую величину сопротивления

R _ном = 3.6 кОм.

Таким образом, нами выбран резистор МЛТ – 0.125 ± 5% 3.6 кОм.

 

 

Выбор конденсаторов

При выборе конденсаторов основными критериями являются расчетные значения емкости С и максимального напряжения U_m, а также род тока в цепи, где будет установлен конденсатор. Кроме этого учитываются и другие условия эксплуатации (частота переменного тока, температура окружающей среды и т.д.). В устройствах судовой автоматики наиболее часто применяются металлобумажные конденсаторы различных типов (МБГ, ОМБГ, МБГО, МБМ, МБГЧ и др.) и электролитические конденсаторы.

Металлобумажные конденсаторы используются для работы в целях постоянного, пульсирующего и переменного (только МБГЧ) напряжения, электролитические – только в цепях постоянного напряжения с невысоким уровнем пульсации. Преимущество электролитических конденсаторов – малые габариты по сравнению с металлобумажными, основной недостаток – нестабильность параметров и пониженный срок службы.

Типы конденсаторов различаются между собой номинальными рядами емкостей, номинальными рядами рабочих напряжений, вариантами конструктивных исполнений.

Выбор номинальных значений напряжения и емкости, а также конструктивного исполнения производят после определения типа конденсатора и только по таблицам, относящимся к конденсаторам данного типа.

Пример. Требуется подобрать конденсатор для установки в эмиттерной цепи усилителя. Расчетное значение емкости конденсатора 124 мкФ, напряжение на конденсаторе 4.8 В.

Поскольку конденсатор работает при постоянной полярности напряжения с малой пульсацией, в схему может быть установлен электролитический конденсатор.

Выбираем тип конденсатора К50 – 6.

По таблицам номиналов конденсаторов данного типа выбираем конденсатор К50 – 6 10 В 200 мкФ .

Задание для контрольной работы

а) подобрать по справочнику полупроводниковый диод. Режим работы диода указан в таблице 1.1.

Примечание. Здесь и далее: цифры внутри таблицы означают номер варианта задания. Необходимые параметры по данному варианту находят в верхней строке и левом столбце таблицы;

б) подобрать по справочнику транзистор, удовлетворяющий режиму работы, указанному в таблице 1.2. Мощность рассеяния на коллекторе при подборе транзистора не учитывать.

в) выбрать резистор для установки в схему, если известны расчетные данные (табл. 1.3).

г) выбрать конденсатор для установки в схему, если известны расчетные данные (табл. 1.4).

 

Таблица 8.2 - Режим работы транзистора

Максимальный ток коллектора Iк m, А	Максимальное напряжение на коллекторе Uкэ m, В
	10	20	30	40	50
0.13	1	2	3	4	5
0.25	6	7	8	9	10
0.5	11	12	13	14	15
1.5	16	17	18	19	20
2.6	21	22	23	24	25
3.0	26	27	28	29	30

Таблица 8.3 - Расчетные данные для выбора резистора

Расчетное значение тока I, А	Расчетное сопротивление, Ом
	2270	5368	8210	3220	458
0.012	1	2	3	4	5
0.025	6	7	8	9	10
0.033	11	12	13	14	15
0.045	16	17	18	19	20
0.063	21	22	23	24	25
0.095	26	27	28	29	30

Таблица 8.4 - Расчетные данные для выбора конденсатора

Напряжение U, В	Расчетное значение емкости, мкФ
	2270×10^-4	5368×10^-3	8210×10^-5	322×10^-2	458×10^-3
16	1	2	3	4	5
20	6	7	8	9	10
30	11	12	13	14	15
40	16	17	18	19	20
60	21	22	23	24	25
80	26	27	28	29	30

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение резистора, как элемента электроники, приведите классификацию резисторов. Перечислите основные параметры резисторов и способы их обозначения. Перечислите виды и типы резисторов.

2. Дайте определение конденсатора, как элемента электроники, приведите классификацию конденсаторов. Перечислите основные параметры конденсаторов.

3. Дайте определение транзистора, как элемента электроники. Перечислите основные параметры транзисторов. Перечислите виды и типы резисторов.

4. Дайте определение диода, как элемента электроники. Перечислите основные параметры диодов и способы их обозначения. Перечислите виды и типы диодов.

Практическое занятие 9

Расчет маломощных выпрямителей, работающих на активную нагрузку

 

Теоретические сведения

Схемы выпрямителей

Маломощные выпрямители, как правило, выполняются по схемам с однофазным питанием. Схемы таких выпрямителей, работающих на чисто активную нагрузку, показаны на рис. 2.1.

Задача расчета

Определить электрические нагрузки на вентили в схеме и сделать выбор вентилей, определить основные параметры трансформатора, на котором в дальнейшем может быть расчет трансформатора (I ₁, Е ₁, I ₂, Е ₂, Р ₁).

Исходные данные для расчета

Основными исходными данными для расчета выпрямителей являются параметры нагрузки, для питания которой предназначен выпрямитель. Эти параметры задаются двумя величинами из следующих четырех:

U _d – среднее значение напряжения на нагрузке;

I _d – среднее значение тока нагрузки;

P_d – средняя мощность нагрузки;

R_d – сопротивление нагрузки.

Два других параметра определяются по заданным с помощью очевидных соотношений. Дополнительными данными для расчета являются напряжение питающей сети U_c, температура окружающей среды t_окр, частота питающей сети f_c и др. В качестве примера примем следующие исходные данные: U _d = 150 В, R_d  = 350 Ом, U_c = 220 В.

Условия расчета

В ходе расчета учитывается неидеальность характеристик вентилей и трансформатора. Для вентилей принимается во внимание падение напряжения при протекании прямого тока, обратный ток считается пренебрежимо малым. Потери в трансформаторе учитываются введением в расчетные формулы величины сопротивления обмоток трансформатора.

Пример расчета выполнен для однополупериодной схемы выпрямителя. Для двухтактной схемы со средней точкой и мостовой схемы приводятся только расчетные формулы, если они отличаются от формул, применяемых для расчета однополупериодной схемы.

Порядок расчета

9.2.1Определяем параметры нагрузки:

а) ток нагрузки

I_d =  A;

б) мощность нагрузки

Р_d  = U_d I_d  = 150 ∙ 0.43 = 64.5 Вт.

9.2.2 Определяем основные параметры вентилей:

а) средний прямой ток, протекающий через вентили

I_a = I_d = 0.43 А.

Для двухтактной схемы со средней точкой и для мостовой схемы

I_a =

б) амплитуда обратного напряжения (предварительно)

U_{обр m} = π U_d = 3.14 ∙ 150 = 471 В.

Для мостовой схемы

U_{обр m}  =

9.2.3 По найденным величинам I_a и U_{обр m}  производим выбор вентиля

Для установки в схему выбираем кремниевый вентиль типа КД202С со следующими основными параметрами.

Максимально допустимый анодный ток (среднее значение)

I_{a макс доп} = 3.5 А (с радиатором);

I_{a макс доп} = 1.5 А (без радиатора).

Максимально допустимое обратное напряжение (амплитудное значение)

U_{обр mмакс доп} = 600 В.

Прямое падение напряжения при номинальном анодном токе

U ₀ = 0.9 В.

9.2.4 Определяем основные параметры трансформатора:

а) суммарное активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке

R _тр = R_d ν = 350 ∙ 0.049 = 17.2 Ом,

где ν – коэффициент, определяемый по графику (рис.2.2) как функция активной мощности трансформатора;

б) приближенное значение сопротивления вентиля в прямом включении

R_д = Ом;

в) действующее значение э.д.с. вторичной обмотки с учетом падения напряжения на диоде и активном сопротивлении обмоток трансформатора

E ₂ = 2.22 U_d + I_d (R _тр + R _д) == 2.22∙150 + 0.43(17.2 + 0.26) = 341 В.

Для двухполупериодной схемы со средней точкой:

E ₂ = 1.11 U_d + I_d (R _тр + R_д),

Для мостовой схемы:

E ₂ = 1.11 U_d + I_d (R _тр + 2 R _д);

г) коэффициент трансформации

n =

д) действующее значение тока вторичной обмотки

I ₂ =

Для схемы со средней точкой:

I ₂ =

Для мостовой схемы:

I ₂ = 1.11 I_d;

е) действующее значение тока первичной обмотки:

I ₁ = 1.21

Для схемы со средней точкой и мостовой схемы I ₁ =

ж) типовая мощность трансформатора (без учета подмагничивания сердечника):

Р _тр = .

Для схемы со средней точкой Р _тр =

з) типовая мощность трансформатора с учетом подмагничивания сердечника постоянной составляющей тока вторичной обмотки (только для однополупериодной схемы)

Р^¹ _тр ≈ 1.1 Р _тр = 1.1 ∙ 204 = 224 Вт.

2.5.5 Уточняем величину обратного напряжения на вентиле

U_{обр m} = Е ₂ = 1.41 ∙ 341 = 482 В, что вполне допустимо для выбранного вентиля.

Для схемы со средней точкой U_{обр m} = 2 Е ₂.

Задание для контрольной работы:

Рассчитать выпрямитель, работающий на активную нагрузку. Параметры нагрузки указаны в таблице 2.1.

Таблица 9.1 - Параметры нагрузки выпрямителя

Сопротивление нагрузки Rd, Ом	Напряжение на нагрузке Ud, В
	65	95	130	165	210
120	1	2	3	4	5
180	6	7	8	9	10
240	11	12	13	14	15
350	16	17	18	19	20
400	21	22	23	24	25
550	26	27	28	29	30

Схема выпрямителя – по указанию преподавателя. Напряжение сети принять равным 220 В.

Вопросы для самоконтроля:

1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления. Принцип работы. Временные диаграммы.

2. Однофазная двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Принцип работы. Временные диаграммы

3. Мостовая схема выпрямления. Принцип работы. Временные диаграммы.

 

 

Практическое занятие 10

Расчет мощных выпрямителей

 

Теоретические сведения

Схема выпрямителя

В системах судового электрооборудования мощные выпрямители выполняются наиболее часто по мостовой схеме с трехфазным питанием (схема Ларионова), показанной на рис. 3.1.

Задача расчета

Определить параметры вентилей выпрямителя, сделать выбор вентилей и определить условия их охлаждения.

Исходные данные для расчета

Основными исходными данными для расчета мощных выпрямителей являются параметры нагрузки – ток и напряжение (сопротивление, мощность).

Существенно важным параметром является температура окружающего воздуха, используемого для охлаждения вентилей, t ⁰_охл. Кроме этого, во внимание принимается характер нагрузки – активная либо индуктивная, - т.к. это влияет на форму кривой тока в вентиле и, следовательно, на величину допустимых токовых нагрузок.

В качестве исходных данных для примера расчета принимаем следующие: U_d = 50 B; I_d = 80 A; t ⁰ _охл = 60 ⁰ С.

Нагрузка активно – индуктивная.

Условия расчета

Основное внимание при расчете уделяется определению параметров вентилей и условий их охлаждения. Расчет параметров трансформатора не производится.

Необходимые для расчета вентилей параметры трансформатора определяются по обобщенным кривым.

Порядок расчета

10.2.1 Определяем параметры нагрузки:

а) сопротивление нагрузки

R_d =

б) мощность нагрузки

P_d = U_d I_d = 50 ∙ 80 = 4 кВт.

10.2.2 Определяем активное сопротивление трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке

R _тр = R_d ν = 0.625 ∙ 0.037 = 0.023 Ом,

где ν = 0.037, определяется по графику (рис.2.2).

10.2.3 Определяем падение напряжения в обмотках трансформатора

10.2.4 Определяем коммутационные потери в выпрямителе

 

где А ₀ – коэффициент наклона внешней характеристики, для трехфазной мостовой схемы А ₀ = 0.5;

е_кз % - напряжение короткого замыкания трансформатора, определяется по графику (рис.3.2).

10.2.5 Принимая предварительно величину падения напряжения в вентиле

U ₀ = 1 В, определяем потери напряжения в вентилях U_в = 2 U ₀ = 2 B

10.2.6 Определяем суммарные потери напряжения в выпрямителе

4.5.7

10.2.7 Определяем выходное напряжение холостого хода выпрямителя

U_{d xx} = U_d +

10.2.8 Определяем э.д.с. вторичной обмотки трансформатора

Е _{2 ф} =

10.2.9 Определяем параметры вентилей выпрямителя:

а) ток вентиля I_a =

б) напряжение на вентиле U_{обр m} = Е _{2 m} =

10.2.10 Производим выбор вентилей. Выбираем вентили кремниевые серии В. Предельно допустимые значения прямого тока диодов этой серии и условия охлаждения приведены в таблице 3.1.

 

Таблица 10.1 - Предельно допустимые значения прямого тока диодов серии В и условия охлаждения

Скорость обдува воздухом при t ^0охл = 40 ^0С        Uохл, м/сек	Предельные точки с типовым охладителем I no, А
	В 10	В 25	В 50	В 200	В 320
0	10	-	-	-	-
3	-	35	-	-	-
6	-	-	50	-	-
12	-	-	-	180	320

По найденному значению анодного тока с помощью этой таблицы определяем, что для установки в схему следует выбрать вентиль типа В 50 с принудительным воздушным охлаждением и скоростью обдува 6 м/сек.

Выполненный выбор вентиля носит предварительный характер, поскольку таблица 3.1 составлена для случая, когда вентиль работает в схеме однополупериодного выпрямления напряжения синусоидальной формы с чисто активной нагрузкой (проводимости l = 180⁰). Кроме того, температура охлаждающего воздуха здесь принята равной 40⁰. Поэтому выбор вентиля нуждается в уточнении.

10.2.11 Уточняем выбор вентиля, пользуясь рис. 4.3, показывающим зависимость максимально допустимого среднего тока от температуры окружающей среды при прямоугольной форме тока и угле проводимости l = 120 ⁰ для различных вентилей серии В.

Определяем, что при температуре охлаждающегося воздуха, равной 60^о, выбранный вентиль допускает протекание прямого тока I _п,равного 45 А.

Таким образом, выбранный вентиль удовлетворяет предъявленным требованиям по величине анодного тока, поскольку I _n > I_a.

10.2.12 Определяем класс вентилей. В соответствии с найденной величиной обратного напряжения

U _{обр m} = 57.8 B

Выбираем вентили класса 1 с величиной допустимого обратного напряжения

U _{обр m макс доп} = 100 В.

Задание для контрольной работы:

Произвести расчет мощного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме с трехфазным питанием. Параметры нагрузки указаны в таблице 3.2. Температуру охлаждающего воздуха принять согласно табл. 3.3. Частота питающей сети 50 Гц.

Вопросы для самоконтроля:

1. Трехфазная схема выпрямления с нулевым проводом. Принцип работы. Временные диаграммы.

2. Трехфазная мостовая схема выпрямления. Принцип работы. Временные диаграммы.

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1.    Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

2.    Забродин Ю.С. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1982. – 496 с.

3.    Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Вища школа, 1987. – 423 с.

4.    Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – Высшая школа, 1991. – 622 с.

5.    Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: справочник. – К.: Наукова думка, 1983. – 672 с.

 

1

 

Сергей Павлович Голиков

Масленников Андрей Анатольевич

Вынгра Алексей Викторович