5.3.Методические рекомендации к решению задачи 3.

Данная задача относится к расчету выпрямителей переменного тока, собранных на полупроводниковых диодах. Для решения этой задачи необходимо изучить материал по теме 2.4. «Электронные выпрямители» и рассмотреть решение типовых примеров №4-7. Все схемы к задаче 3 должны быть выполнены карандашом с применением чертежных инструментов.

При решении задачи следует помнить, что основными параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток I_доп., на который рассчитан диод (ток, протекающий через диод в проводящий период), и обратное напряжение U_обр., которое выдерживает диод без электрического пробоя в непроводящий период. Обычно при составлении реальной схемы выпрямителя задаются значением мощности потребителя Р_о(Вт), получающего питание от данного выпрямителя, и выпрямительным напряжением U_о (В), при котором работает потребитель постоянного тока. Отсюда ток потребителя .

Диоды работающие в схемах выпрямления, должны удовлетворять следующим условиям: I_доп. ≥ I _пр.д. и U_обр. ≥ U_В , где I_пр.д. – ток, протекающий через диод в схеме, U_В – напряжение, действующее на диод в схеме в непроводящий период. Параметры I _пр.д и U_В зависят от I₀ и U₀ , а так же от схемы выпрямителя. Для однополупериодной схемы выпрямления: I _пр.д. = I₀, U_В = 3,14 U₀; для двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой: I _пр.д = , U_В = 3,14 U₀ ; для мостовой схемы выпрямления: I_пр.д = , U_В = 1,57 U_0.

Рассмотрим примеры на составление схем выпрямления.

Пример 4. Составить схему мостового выпрямителя, использовав один из четырёх диодов: Д218, Д222, КД202Н, Д215Б, Мощность потребителя Р₀ = 300 Вт, напряжение потребителя U₀ = 200В.

Решение.

Выписываем из таблицы 1 Приложения А параметры диодов:

Д218: I _доп = 0,1 А; U_обр = 1000 В;

Д222: I _доп = 0,4 А; U_обр = 600 В;

КД202Н: I _доп = 1 А; U_обр = 500 В;

Д215Б: I _доп = 2 А; U_обр = 200 В;

Определяем ток потребителя I₀ :

I₀ = = = 1,5 (А).

Определяем ток, протекающий через диод в схеме, I _пр.д :

I _пр.д = = = 0,75 (А).

Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период, U_В:

U_В = 1,57 U₀ = 1,57 ∙200 = 314 (В).

Выбираем диод из условий:

или

Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н: I _доп = 1А>0,75А; U_обр = 500 В >3,14 В. Диоды Д218 и Д222 удовлетворяют по напряжению (1000 В>314В и 600 В>314В), не удовлетворяют условию по току (0,1А < 0,75А и 0,4< 0,75А).

Диод Д215Б удовлетворяет условию по току (2А >0,75А), но не удовлетворяет условию по напряжению (200В < 314В).

Схема мостового выпрямителя, реализованная на диодах КД202Н, представлена на рисунке 4.

Т—трансформатор Т— трансформатор

VД1…VД4–диодКД202Н VД1… VД4 – диод Д243Б

R_н -- потребитель

~ U_с – переменное сетевое напряжение

Рис.4 Рис.5

Пример 5. Для питания постоянным током потребителя мощностью Р₀ = 250 Вт при напряжении U₀ = 100 В необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, использовав стандартные диоды Д243Б.

Решение.

Выписываем из таблицы 1 Приложения А параметры диода: I _доп = 2А, U_обр = 200 В. Определяем ток потребителя I₀:

I₀ = = = 2,5 (А).

Определяем ток, протекающий через диод в схеме, I_пр.д :

I_пр.д = = = 1,25(А).

Определяем напряжение действующее на диод в непроводящий период, U_В :

U_В = 3,14 U₀ = 3,14 ∙100 = 314 (В).

Проверяем диод на выполнение условий:

Диод Д243В удовлетворяет условию по току (2А >1,25А), по напряжению - нет: 200В<314В.

Для того, чтобы уменьшить напряжение, действующее на диод в непроводящий период, необходимо использовать последовательное включение диодов: необходимое количество диодов

n ≥ ==1,57; выбираем n = 2, т.е. вместо одного диода в схеме необходимо включить два диода последовательно.

Полная схема двухполупериодного выпрямления с заданными параметрами представлена на рис.5. Напряжение, действующее на каждый из диодов в этой схеме в непроводящий период, U_В ^′

U_В ^′ = = 157 (В)

и условие U_обр ≥ U_В ^′ будет выполняться (200В > 157В).

Пример 6. Для питания постоянным током потребителя мощностью Р₀ = 300 Вт при напряжении U₀ = 20 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды Д242А.

Решение.

Выписываем из табл. 1 Приложения А параметры диода Д242А:

I _доп = 10А, U_обр = 100 В.

Определяем ток потребителя I₀:

I₀ = = = 15 (А).

Определяем ток, протекающий через диод в схеме, I _пр.д = I₀ = 15(А).

Определяем напряжение действующее на диод в непроводящий период, U_В :

U_В = 3,14 U₀ = 3,14 ∙20 = 62,8 (В).

Проверяем диод на выполнение условий:

Диод Д242 не удовлетворяет условию по току (10А <15А), но соблюдается условие по напряжению (100 В> 62,8В).

Составляем схему выпрямителя: для того, чтобы уменьшить токовую нагрузку на диод и выполнить условие I _доп = I _{пр.д ,} необходимо использовать параллельное соединение диодов, при этом необходимое количество диодов будет:

выбираем n=2, то есть вместо одного диода в схеме необходимо включить два диода параллельно. Полная схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис.6. Ток, протекающий через каждый диод в схеме:

I_пр.д = I _пр.д/2=15/2=7,5 А, и условие

I _допI _пр.д будет выполняться (10А > 7,5А).

Т— трансформатор

VД1, VД2 – диод Д242А

R_н -- потребитель

~ U_с – переменное сетевое напряжение

Рис.6.

Пример 7. Для составления схемы однофазного однополупериодного выпрямителя заданы диоды Д243. Выпрямитель должен питать потребитель с напряжением U₀ = 150 (В). Определить допустимую мощность потребителя Р₀ max и пояснить порядок составления схемы выпрямителя.

Решение.

Выписываем из табл. 1 Приложения А параметры диода Д243: I_доп = 5А, U_обр = 200В.

Определяем допустимую мощность потребителя: Р₀ max = U₀ · I₀ max, где I₀ max – максимальный ток, протекающий через потребитель, А.

Максимальный ток, протекающий через потребитель, ограничивается током, протекающий через диод в схеме. Из соотношения I_доп ≥ I_пр.д ток через диод в схеме ограничивается I_доп, т. е. максимальное значение тока, протекающего через диод, I_{пр.д max} составит: I_{пр.д max} = I_доп, = 5 А , а из соотношения I_пр.д =I₀, I_{0 max} составит:

I_{0 max} = I_{пр.д max} = 5А. Отсюда допустимая мощность потребителя:

Р_{0 max} = U₀ · I_{0 max} = 150 · 5 = 750 (Вт).

Следовательно, данный выпрямитель будет питать потребитель с мощностью

Р₀ ≤750(Вт).

Определим напряжение, действующее на диод в непроводящий период, U_в :

U_в = 3,14 · 150 = 471 (В)

Составляем схему выпрямителя. Проверяем диод по условию: U_обр ≥ U_в , это условие в данном случае не выполняется (200 В < 471 В), поэтому для того, что бы уменьшить напряжение, действующее на диод в непроводящий период, т. е. чтобы выполнилось условие U_обр ≥ U_в, необходимо в схеме использовать последовательное включение диодов, при этом необходимое количество диодов n ≥ ==2,36; выбираем n = 3, т.е. вместо одного диода необходимо включить три диода последовательно. Полная схема выпрямителя приведена на рис.7. Напряжение, действующее на каждый из диодов в этой схеме в непроводящий период, U_В ^′

U_В ^′ = = 157 (В) и условие U_обр ≥ U_В ^′ будет выполняться (200В > 157В).

Т – трансформатор;