| CATEGORII DOCUMENTE |
| Aeronautica | Comunicatii | Electronica electricitate | Merceologie | Tehnica mecanica |
CIRCUITE CU DIODE - SEMICONDUCTOARE
Prezentul capitol are doua obiective:
prezentarea catorva circuite electronice care au in componenta numai diode semiconductoare,
fixarea modului de utilizare a elementelor semiconductoare prezentate in cadrul capitolului I.
In cazul general circuitele electronice primesc la intrare un semnal variabil a carui componenta de curent continuu este nenula. Semnalul poate fi considerat ca fiind format prin suprapunerea unui semnal de c.c. VA si un semnal periodic va(t) fara componenta de curent continuu, altfel spus a carui valoare medie este nula.
 |
.In figura 2.1 este prezentat un astfel de semnal unde componenta variabia este
sinusoidala
va(t)= Vmax
sin(
),
va(t)=
Vefsin()
de frecventa
f=
,
Orice semnal variabil poate fi exprimat printr-o suma de semnale sinusoidale de frecvente (pulsatii diferite):
va(t)=
=v1sin(+
1)+ v2sin(+2)+ ,
unde
tgk=
; Vak=
,
iar termenii Ak si Bk provin din dezvoltarea in serie Fourier a semnalului.
Se calculeaza cu relatiile de mai jos:
AK=
BK=
Valoarea efectiva si respectiv valoarea medie se calculeaza cu relatiile:
Vef=
Vmed=
.
Forma de unda este caracterizata de factorul de forma sau de factorul ondulatie
.
Principiul suprapunerii efectelor
Raspunsul unui sistem este dat de suma raspunsurilor sistemului la marimea de c.c. si la marimea de c.a. , altfel spus: se calculeaza mai intai raspunsul sistemului la aplicarea unei tensiuni de c.c. apoi se calculeaza raspunsul sistemului la aplicarea unei tensiuni de c.a. Raspunsul sistemului este dat de suma celor doua raspunsuri.
Rezolvarea circuitelor se face prin metode grafice sau prin metode analitice.
In cadrul metodelor grafice se utilizeaza caracteristici statice ale dispozitivelor exprimate sub forma grafica.
Exemplu
Se exemplifica ambele metode pentru circuitul cu dioda semiconductoare din figura 2.2.
Metoda grafica de rezolvare a circuitelor
Teorema a II-a a lui Kirchhoff RIA+ VAK = VA, determina ecuatia dreptei de sarcina.
Dreapta de sarcina se reprezinta prin intersectiile cu axele IA=0, VAK=VA(VA, 0),
VAK=0
IA=
, in planul caracteristicilor statice ale dispozitivului
semiconductor (in acest caz ale diodei). P. Solutie = intersectia celor 2 curbe reprezinta
punctul static de
functionare(VAo,IAo).
Metoda analitica de rezolvare a circuitelor
VA:V1+VAK=RIA+ VAK (dreapta de sarcina)
IA=Io(e
-1) (modelul
dispozitivului)
Sistemul se rezolva printr-o metoda oarecare.
In conditiile in care viteza
de variatie a semnalului este mare (
frecventa este mare) sau in conditiile tranzitiei de la o
stare la alta a circuitului spunem ca avem de-a face cu un sistem dinamic.
In aceste conditii nu se mai folosesc transformate in Complex ci transformate Laplace pentru a analiza raspunsul sistemului.
Au rolul de a
transforma marimea alternativa de la intrare intr-o marime a carei componente
medie este 
0.
Redresoarele pot fi monofazate sau polifazate.
Dupa modul de utilizare al alternantelor tensiunii c.a.
monoalternanta,
bialternanta.
Redresorul
din figura 2.4 este monofazat pentru ca se alimenteaza cu o singura tensiune 
, este monoalternanta pentru ca avand un singur element
neliniar de circuit, si anume dioda D, poate prelucra o singura alternanta a de
circuit, si anume dioda D, poate prelucra o singura alternanta a tensinii de
intrare vi (ca in figura 2.5) si este cu sarcina rezistiva pentru ca
la iesire se afla rezistorul RS .
Dioda semiconductoare este modelata prin rezistenta interna
Rint=
.
In circuit avem un singur curent, circuitul fiind neramificat, a carei valoare se deduce din relatia
i =
Valoarea de curent continuu este valoarea medie a curentului
,
0 
2 3 4
Fig. 2.5.
S-a notat cu Imax valoarea maxima a curentului in decursul unei perioade a tensiunii de alimentare.
Din figura 2.5 se constata ca valoarea medie se obtine prin egalarea ariei marginita de curba i = f(wt) cu aria unui dreptunghi de lungime 2p si inaltime I0 - valoarea medie a curentului.
Componenta de c.c. a tensiunii se afla cu relatia lui Ohmm
.
Din figura 2.5 constatam ca tensiunea pe sarcina nu este tocmai continuua ci are variatii in jurul valorii medii. De fapt este un curent (si tensiune) variabil in timp. Valoarea efectiva a acestui curent este
Pentru a efectua o comparatie intre valoarea efectiva si valoarea de curent continuu se exprima una in functie de cealalta
.
Din reteaua de curent alternativ circuitul absoarbe numai putere activa (pentru ca nu contine decat rezistoare, ceea ce inseamna ca defazajul j dintre tensiune si curent este nul)
.
Randamentul este definit prin eficienta conversiei puterii de c.a. in putere de c.c.
Puterea in regim de curent continuu contine valorile medii
.
Randamentul este mic nedepasind valoarea de mai jos
.
Pentru a exprima continuitatea tensiunii - altfel spus cat de aproape de o linie paralela cu axa timpului este tensiunea - se foloseste factorul de forma
,
a carei valoare ar trebui (in conditii perfecte) sa fie egal cu 1, sau se foloseste factorul de ondulatie
,
a carei valoare ar trebui sa fie cat mai aproape de zero.
Dependenta dintre tensiunea de la iesire si curentul absorbit de sarcina, din figura 2.6, reprezinta caracteristica externa a redresorului. Caracteristica externa ne spune ce se intampla cu valoarea tensiunii furnizate de o sursa cand creste numarul consumatorilor conectati (in paralel) la respectiva sursa.
Deoarece circuitul de redresare este un convertor al puterii de curent alternativ in putere de curent continuu, pentru consumatorii conectati pe partea de curent continuu redresorul este un furnizor de putere - de fapt este privit ca generator de tensiune.
Din punctul de vedere al consumatorilor un generator de tensiune este calitativ "bun" daca mentine valoarea tensiunii indiferent de numarul consumatorilor alimentati. Daca panta dreptei din figura 2.6 este mica ( ceea ce inseamna ca rezistenta interna este mica) valoarea tensiunii nu scade semnificativ la cresterea curentului absorbit.
Dioda este
solicitata la valoarea medie a curentului 
si la o tensiune inversa egala cu valoarea maxima a tensiunii de alimentare 
.
Caracteristicile reale ale dispozitivului semiconductor vor modifica, in anumite conditii de functionare, forma de unda a semnalului de pe sarcina.
Daca tinem seama ca Rinv
finita, in aceste conditiiprin dispozitiv va circula un curent si in alternanta
negativa a tensiunii de alimentare, ca in figura 2.7.
Fig. 2.7.
Dioda nu incepe sa conduca curentul de la o tensiune de 0V ci de la o tensiune mai mare (0,5V) Þ in aceste conditii forma de unda se modifica in sensul ca vom avea curent nul ti in alternanta pozitiva a tensiunii de intrare. Curentul incepe sa creasca cind dioda intra in conductie si anume cand vi depaseste pragul de (0,5V).
La valori mici ale tensiunii de alimentare (pana la 1V) nu se mai poate neglija modul de variatie al tensiuni care decurge dupa o lege exponentiala ceea ce inseamna ca la tensiuni mici
,
curentul are o forma exponentiala si nu (ca tensiunea de intrare) o forma sinusoidala.
Orice forma de unda nesinusoidala (exponentiala) poate fi descompusa intr-o suma de sinusoide numite armonici ale fundamentalei, de frecvente multiplu intreg al frecventei fundamentalei. Este de dorit sa nu apara armonici pentru ca deranjeaza alti consumatori.
In cazul circuitelor de redresare cu diode semiconductoare avantajul este ca armonicile apar la tensiuni mici, ceea ce inseamna ca amplitudinea lor este mica si acest fenomen poate fi neglijat in majoritatea cazurilor. (Nu poate fi neglijat daca tensiunea de alimentare este prea mica.)
Circuitele de redresare monofazate bialternanta sunt realizate conform topologiilor
cu transformator cu priza mediana (figura 2.8);
in punte (figura 2.10).
Fig. 2.8.
In figura 2.8 este prezentat redresorul monofazat bialtrenanta cu transformator cu priza mediana, iar in figura 2.9 sunt prezentate formele de unda asociate.
Transformatorul TR in fiecare alternanta a tensiunii din primar induce in fiecare sectiune a secundarului o tensiune de aceeasi polaritate cu tensiunea de intrare.
Tensiunea din primar Vi=
in alternanta pozitiva polarizeaza in conductie, prin
tensiunea din secundar, dioda D1, iar in alternanta negativa
polarizeaza in conductie dioda D2.
Inseamna ca in
intervalul (0,) conduce curent prin sarcina D1 iar in intervalul
conduce curent prin
sarcina D2.
In alternanta (+) tensiunea vi 
iL=iD1; 0
In alternanta (-) tensiunea vi
iL=iD2;
D1 D2 D1 D2
Fig. 2.9.
Tensiunea de pe sarcina
VL=RsiL
VL=
,
este de dubla fata de cazul redresorului monoalternanta.
Solicitarile diodelor sunt diferite
in functie de schema utilizata, in cazul redresorului monofazat bialternanta cu
transformator fiecare dioda este solicitata la valoarea medie a curentului Imed
si la tensiunea inversa Vinv max=
Redresorul monofazat bialternanta in punte este prezentat in figura 2.10.
Formele de unda sunt cele din figura 2.9.
In timpul alternantei pozitive (+) diodele D1
si D4 sunt
polarizate direct, pentru ca avem (1)=(+) curentul se inchide pe calea (1) 
D1 R D4(2).
In timpul alternantei pozitive (-) diodele D2
si D3 sunt polarizate direct pentru ca
avem (1)=(-) (2) D2 R D3(1).
Nici in acest caz nu avem o tensiune continua ci o tensiune pulsatorie, numai ca pilsatiile tensiunii in jurul valorii medii sunt mai mici decat in cazul monoalternanta.
Valoarea tensiunii pe sarcina VL se pastreaza VL=2
.
In cazul redresoarelor
in punte diodele sunt solicitate la o tensiune inversa Vinv=
mai mica decat in cazul redresorului cu transformator. Sunt solicitate la valoarea medie a curentului.
Filtre de netezire
Pentru micsorarea ondulatiilor tensiunii pe
sarcina se utilizeaza filtre "
"sau"", ca in figura 2.11 respectiv a) si b).
De fapt ideea este ca, un element de acumulare a energiei (cum ar fi un condensator sau o inductivitate), sa furnizeze energie sarcinii in intervalul de timp cand circuitul de redresare livreaza o tensiune mai mica decat valoarea medie.
b)
Fig. 2.11.
Filtrele se intercaleaza intre sarcina RS si circuitul de redresare. Pot fi realizate cu condensatori C si rezistori sau inductivitati.
Cel mai simplu filtru este reprezentat de un condensator in paralel cu sarcina RS .
Redresorul
monofazat monoalternanta cu filtru capacitiv () este prezentat in figura 2.12, cu formele de unda din
figura 2.13.
Fig. 2.13.
Se bazeaza pe capacitatea C de a inmagazina energia in timp ce prin dioda D trece curent si de a ceda energiea catre sarcina cat timp dioda nu conduce.
In intervalul 
a-b dioda conduce, determina incarcarea
condensatorului si asigura curentul prin sarcina. Condensatorul se incarca catre valoarea
maxima a tensiunii de intrare.
Dar tensiunea Vi
,dupa ce ajunge la , incepe sa scada.
La b tensiunea de alimentare a scazut sub valoarea la
care s-a incarcat condensatorul. Dioda se blocheaza si circuitul va fi format
dintr-o capacitate care se descarca prin sarcina cu un curent scazator
exponential.
In cazul unor elemente
ideale de circuit condensatorul se va incarca pana la dupa care se va
descarca cu o constanta de timp 
.
Plecand de la definitia capacitatii electrice si de la definitia curentului electric de conductie se obtine ecuatia diferentiala a circuitului, astfel
C=
i=
Factorul de
ondulatie in cazul prezentei condensatorului este: 
Se constata ca valoarea factorului de ondulatie scade la cresterea capacitatii condensatorului, motiv pentru care circuitele de filtraj au in componenta capacitati de valori mari (mii de mF).
2.3. Stabilizatorul parametric (cu dioda Zener)
Stabilizatoarele de tensiune continua sunt circuite electronice care au rolul de a mentine constanta tensiunea pe sarcina in conditiile in care se modifica valoarea tensiunii de intrare Vi, curentul absorbit de sarcina IL sau temperatura mediului ambiant de functionare al circuitului, ceea ce se poate scrie condensat astfel
In figura 2.14 sunt evidentiate notatiile marimilor fizice de la bornele circuitului de stabilizarea a tensiunii ( notat cu ST).
Datorita cauzelor
mentionate tensiunea pe sarcina se modifica de la VL la 
, unde ΔVL are atat valori pozitive cat si
negative.
Deoarece scopul
circuitului de stabilizare este sa mentina constanta tensiunea VL
rezulta ca se impune 
, cea ce inseamna ca putem diferentia functia
care exprima tensiunea de pe sarcina
.
Derivatele partiale au un corespondent fizic motiv pentru care se noteaza astfel
sau altfel scris
numit coeficient de
stabilizare a tensiunii;
numit rezistenta
interna;
numit coeficient de
variatie cu temperatura.
Cu aceste notatii, variatia tensiunii pe sarcina se poate scrie, evidentiind conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca schema electronica a stabilizatorului pentru ca tensiunea de pe sarcina sa aiba variatii cat mai mici, sub forma
.
Stabilizatorul se bazeaza pe caracteristice statica a diodei Zener, din figura 2.15, care este caracterizata prin faptul ca la variatia curentului in limite admise ( IZmin , IZmax ) tensiunea la bornele diodei nu se modifica foarte mult fata de tensiunea de la curent nul VZ0 . Ecuatia caracteristicii statice a diodei Zener poate fi exprimata printr-o functie liniara a carei panta este mica
VZ=VZo+RZIZ .
Fig.2.15.
Tensiunea de stabilizare se modifica cu temperatura dupa o relatie
liniara
VZo=VZo'(1+2
T),
unde 2=(1..8)10-4/gradeC cu valori negative sau pozitive, este
coeficientul de variatie cu temperatura a tensiunii diodei.
Fig. 2.16
Curentul prin rezistorul R se scrie prin diferenta de potential de la capetele rezistorului
Ii=
.
Suma curentilor in nod este nula
Ii=IZ+IL
Ii-I2-IL=0.
Curentul prin dioda poate fi exprimat din ecuatia caracteristicii statice
V2=VZo+rZ+IZ IZ=
Succesiv se determina expresia tensiunii pe sarcina.
Variatia tensiunii pe sarcina se obtine prin diferentierea expresiei tensiunii
VL=
,
de unde se determina parametrii stabilizatorului
,
,
.
Pentru ca stabilizatorul sa aiba performante cat mai bune se impune ca rZ sa aiba valori cat mai mici si R sa fie cat mai mare.
Rezistorul R nu poate fi foarte mare pentru ca ar determina pierderi de putere si caderi de tensiune mari.
Dioda Zener nu poate avea rezistente interne foarte mici decat la puteri mari, iar puterea diodei este stabilita de puterea sarcinii.
|
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 1591
Importanta: 
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved
