Своеобразие русской архитектуры: Основной материал – дерево – быстрота постройки, но недолговечность и необходимость деления...
Типы оградительных сооружений в морском порту: По расположению оградительных сооружений в плане различают волноломы, обе оконечности...
Топ:
Марксистская теория происхождения государства: По мнению Маркса и Энгельса, в основе развития общества, происходящих в нем изменений лежит...
Устройство и оснащение процедурного кабинета: Решающая роль в обеспечении правильного лечения пациентов отводится процедурной медсестре...
Интересное:
Подходы к решению темы фильма: Существует три основных типа исторического фильма, имеющих между собой много общего...
Финансовый рынок и его значение в управлении денежными потоками на современном этапе: любому предприятию для расширения производства и увеличения прибыли нужны...
Влияние предпринимательской среды на эффективное функционирование предприятия: Предпринимательская среда – это совокупность внешних и внутренних факторов, оказывающих влияние на функционирование фирмы...
Дисциплины:
2017-11-28 | 1065 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Статические потери в полупроводниковых электронных ключах
Задача 1.1
Исходные данные: резистор с сопротивлением R н подключен к источнику переменного синусоидального напряжения через диод VD (рис. 1.1 а), имеющий ВАХ, изображенную на рисунке 1.1 б.
U(υ) = Um · sin υ;
Um = 12 В;
υ = ωt, где ω = 314 рад;
R н = 0,2 Ом;
Δ UVD = 2 В.
Определить:
•среднее и действующее значение тока в резисторе;
•среднюю мощность статических потерь в диоде VD.
Решение:
В соответствии с ВАХ, диод VD может быть заменен эквивалентной схемой замещения (рис. 1.1 в):
Ввиду того, что собственное сопротивление диода в открытом состоянии принято равным 0, эквивалентная схема состоит из источника напряжения между катодом и анодом. Заметим, что UVD = U(υ), если U(υ) < Δ UVD = 2 В и UVD = Δ UVD = 2 В, если U(υ) > Δ UVD.
Наличие порогового напряжения Δ UVD обеспечивает протекание тока в нагрузке между углами υ1 и υ2, так как только в этом случае напряжение на нагрузке:
U н (υ) = U(υ) - Δ UVD > 0. (1.1)
Для этого случая ток в нагрузке будет равен:
i н (υ) = (U н (υ)- Δ UVD) / R н. (1.2)
В свою очередь, υ1 и υ2 определяются, соответственно, как:
Um · sin υ1 = Δ UVD;
υ1 = arcsin(Δ UVD / Um);
υ2 = π - υ1;
Δ UVD/ Um = 2/12 0,166;
υ1 = arcsin (0,166) = 9,60 = 0,17 рад;
υ2 = π - υ1 = 1800 - 9,60 = 170,40 = 2,97 рад.
Эквивалентная схема цепи и диаграммы токов и напряжений на входе и на нагрузке представлены на рисунках рис. 1.1 г и рис. 1.1 д соответственно.
С учетом υ1 и υ2 , имеем следующий интеграл для среднего значения тока в нагрузке:
С учетом (2) имеем:
Вычисляем действующее значение тока нагрузки:
.
С учетом (2) имеем:
Интегралы вычисляем отдельно:
|
Подставляем полученные интегралы в исходную формулу для I д:
Зная среднее значение тока в нагрузке и исходя из того, что Δ UVD = const, можем сразу записать выражение для средней мощности, выделяемой в диоде VD:
P ср = I ср· Δ UVD = 14,37·2 = 28,7 Вт.
Ответ: - среднее значение тока в резисторе I ср = 14,37 А;
- действующее значение тока в резисторе I д = 23,8 А;
- средняя мощность статических потерь в диоде VD P ср = 28,7 Вт.
Задача 1.2
Определить мощность статических потерь в тиристоре (рис.1.2 а)
а) б)
в)
Рис. 1.2
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | ||||||
Em, В | Р ст | |||||||
R н, Ом | 0,5 | 0,5 | ||||||
R откр, Ом | 0,2 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | |||
R закр, кОм | ||||||||
α, о | ||||||||
f, Гц | ||||||||
Задача 1.3
Определить среднее значение тока нагрузки и мощность статических потерь в транзисторе (рис. 1.3 а).
а) б)
в)
Рис. 1.3
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | ||||
E, В | I СР Р VT | |||||
R н, Ом | ||||||
D U, В | ||||||
R обр, кОм | ||||||
N |
Задача 1.4
Дана схема регулятора на встречно-параллельных тиристорах (рис. 1.4 а).
Определить:
•действующее значение тока нагрузки;
•средние значения токов в каждом из тиристоров;
•мощность статических потерь в каждом из тиристоров.
Потерями в закрытом состоянии можно пренебречь.
а) б)
в)
Рис. 1.4
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | |||||||
Em, В | I ср I д VS2,VS1 Р ст VS2,VS1 | ||||||||
R н, Ом | |||||||||
D U, В | |||||||||
VS1, о | |||||||||
VS2,, о | |||||||||
Задача 1.5
Определить мощность статических потерь в транзисторе (рис. 1.5 а).
|
а) б)
в)
Рис. 1.5
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | |||||||
E, В | Р ст | ||||||||
R н, Ом | |||||||||
D U, В | |||||||||
IVT, мА | |||||||||
N | |||||||||
Задача 1.6
Определить мощность статических потерь в транзисторе (рис.1.6 а).
Считать, что за то время, что транзистор находится в закрытом состоянии, ток в индуктивности спадает до 0.
а) б)
в)
Рис. 1.6
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | |||||||
E, В | Р ст | ||||||||
R н, Ом | |||||||||
L, мГн | |||||||||
D U, В | |||||||||
N | |||||||||
f, кГц | 0,10 | 0,15 | |||||||
Задача 1.7
Определить мощность статических потерь в транзисторе (рис. 1.7 а).
Считать, что за то время, что транзистор находится в закрытом состоянии, ток в индуктивности спадает до 0. Диод VD считать идеальным.
а) б)
в)
Рис. 1.7
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | |||||||
E, В | Р ст | ||||||||
R н, Ом | |||||||||
L, мГн | |||||||||
R откр, Ом | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,2 | ||||
N | |||||||||
f, кГц | 0,1 | 0,2 | 1,5 | ||||||
Задача 1.8
Определить мощность статических потерь в диоде, среднее и действующее значение токов (рис. 1.8 а).
а) б)
в)
Рис. 1.8
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | |||||||
Em, В | I ср I д Р ст | ||||||||
R н, Ом | |||||||||
D U, В | |||||||||
f, Гц | |||||||||
Задача 1.9
Определить мощность статических потерь в транзисторе (рис. 1.9 а)., а также среднее и действующее значение тока в ключе за период коммутации.
Считать, что за то время, что транзистор находится в закрытом состоянии, ток в индуктивности спадает до 0.
а) б)
в)
Рис. 1.9
Исходные данные
Параметр | Вариант | Найти | ||||
E, В | I ср I д Р ст | |||||
R н1, Ом | ||||||
R н2, Ом | ||||||
L, мГн | ||||||
DU, В | ||||||
N | 1,5 | |||||
f, кГц | 0,1 |
Задача 2.1
|
Определить динамические потери в транзисторе VT при его включении и выключении (рис. 2.1).
Схема содержит источник постоянного напряжения Е, транзистор VT, активно-индуктивную нагрузку R н, L н и цепь формирования траектории переключения (ЦФТП), состоящую из быстродействующего диода VD, конденсатора С, и резистора R. ЭДС источника Е = 100 В. Время включения и выключения транзистора t вкл = t выкл = 10 мкс, статические характеристики транзистора и диода идеальны, транзистор включается и выключается с частотой f = 100 Гц и скважностью работы q = 2. Активное сопротивление нагрузки R н = 10 Ом, а индуктивность
L н = 1 мГн. Диод VD идеален по быстродействию (время включения и выключения диода равны нулю), емкость конденсатора С =10 мкФ, сопротивление резистора R = 0,1 Ом.
Рис. 2.1
Решение
Для определения динамических потерь необходимо определить энергию, выделяющуюся в ключе при его включении и выключении. Рассмотрим отдельно каждый из этих процессов.
Включение транзистора
При рассмотрении процессов необходимо определить начальные условия. Когда транзистор был выключен, токи транзистора и нагрузки равны нулю, к закрытому транзистору приложено напряжение источника Е, конденсатор С заряжен до того же напряжения, к диоду VD не приложено напряжение, следовательно, он закрыт. При включении транзистора напряжение на нем падает от значения, приложенного в момент включения, до нуля за время t = t вкл. Поэтому на интервале включения транзистор можно заменить источником линейно спадающего напряжения Uvt = Е (1 - t / t вкл) имеющего характеристику, показанную на рис. 2.2. При этом начинается разряд конденсатора С через включающийся транзистор и нарастание тока через нагрузку, эти процессы независимы и можно рассматривать каждый из них отдельно. Нагрузка оказывается подключенной к источнику линейно нарастающего напряжения, причем Е - Uvt = Et/t вкл. На рис. 2.3 представлена эквивалентная схема замещения. Процессы в схеме описываются уравнением Кирхгофа:
|
(2.1)
Решив это уравнение с учетом начального условия , получим:
, (2.2)
где .
Упростив приведенное выражение, получим:
. (2.3)
Как видно из (2.3), выражение для тока нагрузки содержит две составляющие - линейную и экспоненциальную.
Рис. 2.2 | Рис. 2.3 |
Теперь рассмотрим процесс разряда конденсатора через резистор R
(рис. 2.4). Запишем для полученной схемы уравнение Кирхгофа
(2.4)
решив которое с учетом начального условия U c(0) = Е, будем иметь:
. (2.5)
Полученное выражение можно записать в виде:
(2.6)
где .
Ток разряда конденсатора можно определить на основании дифференциальной связи между током и напряжением на конденсаторе:
. (2.7)
Тогда с учетом (2.6) получим:
(2.8)
Ток транзистора на интервале включения равен сумме двух токов: тока нагрузки и тока разряда конденсатора. По окончании включения напряжение на транзисторе станет равным нулю, и законы для токов и напряжений в схеме изменятся, причем начальные условия для этих законов могут быть получены из выражений (2.3) и (2.6) путем подстановки t = t вкл.
Рис. 2.4
Выключение транзистора
Рассмотрим процесс выключения. Так как при указанных параметрах схемы постоянные времени процессов разряда конденсатора С и роста тока нагрузки много меньше половины периода работы транзистора, можно считать, что переходные процессы полностью завершатся к следующему выключению транзистора, то есть к моменту выключения транзистора конденсатор С полностью разрядится, а ток нагрузки достигнет установившегося значения. Теперь на интервале выключения транзистор следует заменить источником линейно спадающего тока, имеющего характеристику, приведенную на рис. 2.5. Поскольку за время t выкл ток в нагрузке практически не успевает измениться (это связано с индуктивным характером нагрузки и возникновением ЭДС самоиндукции при попытке резко снизить ток), цепь нагрузки целесообразно заменить источником постоянного тока. Таким образом, при выключении транзистора на нем мгновенно повысится напряжение, и к диоду VD скачком будет приложено прямое напряжение. Так как в условии задачи было оговорено, что быстродействие диода много выше быстродействия транзистора (так обычно и бывает на практике), можно считать, что диод мгновенно откроется и процессы выключения будут определятся эквивалентной схемой замещения, представленной на рис. 2.6.
Рис. 2.5 | Рис. 2.6 |
Согласно полученной схеме замещения напряжение на транзисторе равно сумме напряжений на конденсаторе С и резисторе R. Конденсатор С заряжается разностью токов источника I н и iVT. Ток конденсатора определяется по первому закону Кирхгофа:
|
(2.9)
где .
Преобразуя это выражение, получим:
(2.10)
Напряжение на конденсаторе определим на основании дифференциальной связи между напряжением и током емкости
. (2.11)
В результате будем иметь:
(2.12)
Напряжение на транзисторе будет определяться как:
Энергия, выделяющаяся в транзисторе при включении, определяется соотношением:
Преобразуем полученное выражение:
Подставив цифры и проинтегрировав, получим:
;
Энергию, выделяющуюся в транзисторе при выключении, определяем аналогично:
Преобразуем полученное выражение:
затем подставим числовые значения и проинтегрируем:
Средняя мощность динамических потерь определяется из соотношения:
11 Вт.
Задача 2.2
Определить динамические потери в транзисторе VT при частоте переключения f и скважности q=2 (рис. 2.7). Время включения транзистора t вкл и время выключения t выкл.
а) | б) |
Рис. 2.7 |
Исходные данные
Вариант | ||||||
Рисунок | 2.7 а | 2.7 б | ||||
E, В | ||||||
J, А | ||||||
R H, Ом | ||||||
f, Гц | ||||||
t вкл, мкс | ||||||
t выкл, мкс |
Задача 2.3
Определить динамические потери в транзисторе VT (рис. 2.8). Время включения транзистора t вкл и время выключения t выкл. Транзистор переключается с периодом Т и скважностью q.
а) | б) |
Рис.2.8 |
Исходные данные
Вариант | ||||||||||
Рисунок | 2.8 а | 2.8 б | ||||||||
E, В | ||||||||||
J, А | ||||||||||
L, мкГн | ||||||||||
С, мкФ | ||||||||||
T, мс | ||||||||||
q | ||||||||||
t вкл, мкс | ||||||||||
t выкл, мкс | ||||||||||
Задача 2.4
Определить динамические потери при выключении (вариант 1-3) или при включении (вариант 4-6) транзистора VT (рис. 2.9). Время включения транзистора t вкл и время выключения t выкл. Транзистор выключается при установившемся токе нагрузки.
а) | б) |
Рис.2.9 |
Исходные данные
Вариант | ||||||||
Рисунок | 2.9 а | 2.9 б | ||||||
E, В | ||||||||
R H, Ом | ||||||||
L H, мкГн | ||||||||
C H, мкФ | ||||||||
t вкл, мкс | ||||||||
t выкл, мкс | ||||||||
Задача 2.5
Определить значение защитной индуктивности LS, снижающей в N раз значение динамических потерь при включении транзистора VT (рис.2.10). Для решения задачи необходимо вычислить потери при включении транзистора без индуктивности LS , а затем определить ее требуемое значение. Диод VD – идеальный ключ, ток нагрузки считать неизменным за время переключения.
Рис. 2.10
Исходные данные
Вариант | ||||||
N | ||||||
R н, Ом | ||||||
E, В | ||||||
t вкл, мкс |
Задача 2.6
Определить значение защитной емкости CS, снижающей в N раз значение динамических потерь при выключении транзистора VT (рис. 2.11). Для решения задачи необходимо вычислить потери при выключении транзистора без емкости СS , а затем определить ее требуемое значение. Диод VD – идеальный ключ, ток нагрузки считать неизменным за время переключения.
Рис. 2.11
Исходные данные
Вариант | ||||||
N | ||||||
R н, Ом | ||||||
E, В | ||||||
t вкл, мкс |
Задача 2.7
Определить динамические потери при выключении в транзисторе и в защитном стабилитроне (рис. 2.12 а). ВАХ стабилитрона представлена на рис. 2.12 б. Определить во сколько раз увеличится значение динамических потерь при отключении стабилитрона.
а) | б) |
Рис. 2.12 |
Исходные данные
Вариант | |||||||||
R H, Ом | |||||||||
L H, мГн | 0,5 | ||||||||
E, В | |||||||||
t вкл, мкс | |||||||||
U ст, В | |||||||||
Задача 3.1
Подобрать тип силового тиристора для ключевого регулятора постоянного тока, работающего в импульсном режиме с частотой 400 Гц, коэффициентом заполнения g = 0,6, амплитудой тока Iu. max = 30 А, напряжением источника питания 150 В, скорость спада прямого тока 15 А/мкс, обратное напряжение не более
200 В.
Рассчитать параметры для проектирования охладителя к выбранному прибору, если температура окружающей среды 40 ºC. При решении задачи пренебречь динамическими потерями мощности в приборе.
Решение
1. В соответствии с заданными параметрами выбираем высокочастотный тиристор ТЧ 25-5 штыревого типа с параметрами среднего тока в открытом состоянии ITAV = 25 А для максимальной температуры кристалла Tj = 110 ºC.
Задача 3.2
Выбрать тип силового диода для работы в качестве выпрямителя тока с частотой 50 Гцна напряжение сети U (рис. 3.2). Амплитуда выпрямленного тока Im.
Рассчитать параметры для проектирования охладителя к выбранному прибору, если температура окружающей среды 40 ºC.
Рис. 3.2
Исходные данные
Вариант | ||||||
U c, В | ||||||
Im, А |
Задача 3.3
Выбрать тип силового МОП транзистора, работающего в ключевом режиме c коэффициентом заполнения g (рис. 3.3).
Рассчитать параметры для проектирования охладителя к выбранному транзистору, если температура окружающей среды равна 40 ºC. При решении задачи пренебречь динамическими потерями мощности в приборе.
Рис. 3.3
Исходные данные
Вариант | ||||||
E, В | ||||||
g | 0,8 | 0,7 | 0,9 | 0,8 | 0,7 | 0,9 |
R н, Ом |
Задача 3.4
Рассчитать параметры для проектирования охладителя к силовому диоду штыревого типа (рис. 3.4). Полная мощность рассеяния диода PdS. Температура окружающей среды t.
Рис. 3.4
Исходные данные
Вариант | ||||||
PdS, Вт | ||||||
t, 0С |
Задача 3.5
Рассчитать параметры для проектирования охладителя к силовому тиристору, таблеточного типа (рис. 3.5). Полная мощность рассеяния тиристора PdS. Тепловое сопротивление перехода кристалл-корпус Rj-с. Температура окружающей среды t.
Рис. 3.5
Исходные данные
Вариант | ||||||
PdS, Вт | ||||||
t, ºC |
Задача 3.6
Рассчитать параметры для проектирования охладителя к силовому IGBT- транзистору (рис. 3.6). Полная мощность рассеяния транзистора PdS. Тепловое сопротивление перехода кристалл-корпус Rj-c. Температура окружающей среды t.
Рис. 3.6
Исходные данные
Вариант | ||||||
PdS, Вт | ||||||
t, 0С |
Пассивные элементы
Задача 4.1
Для сглаживания пульсации постоянного входного напряжения U вх установлен Г-образный LC фильтр, состоящий из L Ф и C Ф (рис. 4.1). Задан коэфициент сглаживания фильтра S 1 на частоте основной гармоники пульсации f 1. На этой частоте можно принебречь влиянием эквалентной собственной индуктивности конденсатора L Э. Определить изменение коэффициента сглаживания фильтра при изменении частоты основной гармоники пульсации до f 2 для 2-х случаев:
а) без учёта влияния собственной индуктивности конденсатора L э;
б) с учётом влияния на этой частоте индуктивности L э.
Рис. 4.1
Исходные данные
Дано | Значения | Найти |
f 1 , Гц | S 2 | |
С ф, мкФ | ||
S 1 | ||
L э, мкГн | ||
f 2, кГц |
Решение
а) Коэффициент сглаживания LC -фильтра для гармонической составляющей с круговой частотой w (на холостом ходу) равен отношению модулей сопротивления LC -цепи и сопротивления конденсатора, т.е.
На частоте w1 = 2p f 1 = 2p 102рад/скоэффициент S = 10.
При изменении частоты до значения w2 = 2p f 2= 2p 105 рад/c без учёта влияния L э получим
.
б) Учитывая собственную индуктивность конденсатора L э можем записать
.
Очевидно, что L э<< L ф, поэтому можем пренебречь значением L э во втором сомножителе и учесть его только в первом сомножителе, где L э стоит в знаменателе и оказывает существенное влияние при больших w. Пренебрегая указанным образом и учитывая, что L ф× C ф×w 2 –1=1,1×107 (из а)очевидно, что это просто есть значение коэффициента сглаживания без учёта паразитной индуктивности конденсатора), а также, используя заданные значения L э и C ф получаем
.
Задача 4.2
Определить коэффициент сглаживания S Г-образного RC -фильтра в цепи постоянного тока (рис. 4.2) для гармонической составляющей пульсации частотой f. Сопротивление резистора фильтра R. Конденсатор имеет следующие значения параметров схемы замещения из последовательно соединённых элементов СS; rS; LS.
Рис. 4.2. Последовательная схема замещения конденсатора
Исходные данные
Вариант | Найти | ||||||
f, кГц | S | ||||||
R, Ом | 0,5 | 0,5 | |||||
СS,мкФ | |||||||
rS, Ом | 0,1 | 0,2 | 0,1 | 0,5 | 0,05 | ||
LS, мкГн | |||||||
Задача 4.3
В конденсаторе переменного тока емкостью C (рис. 4.3)при частоте f и действующем значении синусоидального напряжения U с выделяется активная мощность Р. Какая мощность будет выделяться, если частота напряжения станет равной 2f, при условии, что тангенс угла потерь конденсатора и диэлектрическая проницаемость его диэлектрика от частоты не зависят?
Исходные данные
Вариант | Найти | |||||||||||||
С, мкФ | P | |||||||||||||
f, Гц | ||||||||||||||
U c , B | ||||||||||||||
P, Bт | ||||||||||||||
Задача 4.4
На входе выпрямителя, имеющего прямоугольную схему входного тока на частоте, включены LC -фильтры, шунтирующие 3-ю и 5-ю гармоники входного тока выпрямителя. Конденсаторы шунтирующих цепей имеют одинаковую емкость, а индуктивности фильтров обеспечивают условия резонанса для соответствующих гармоник. Какими будут значения амплитуд 3-й и 5-й гармоник тока, поступающих в сеть, если частота сети увеличится на 10 %? Эквивалентное входное сопротивление сети со стороны выпрямителя имеет индуктив
|
|
Историки об Елизавете Петровне: Елизавета попала между двумя встречными культурными течениями, воспитывалась среди новых европейских веяний и преданий...
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого...
Биохимия спиртового брожения: Основу технологии получения пива составляет спиртовое брожение, - при котором сахар превращается...
Таксономические единицы (категории) растений: Каждая система классификации состоит из определённых соподчиненных друг другу...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!