Cvičení 6
Parametry a aplikace diod Teplotní závislost propustného úbytku a závěrného proudu diody (PSpice) Reálná charakteristika diody, model diody v PSpice Extrakce parametrů diody pro PSpice Měření a simulace závěrného zotavení diody, stanovení trr Jednopulzní usměrňovač – princip činnosti, návrh a výpočet zvlnění
Simulace průběhu proudu a napětí na usměrňovači, porovnání s experimentem
Elektronické prvky
A2B34ELP
Vliv teploty na VA charakteristiku diody IF [mA]
200
T2
T2>T1
T1
150
100
50
UR [V] 80
60
40
20 0
0.2
0.4
0.6
0.8
T2
T1
1.0
0.8
1.0
1.2
UF [V]
0.2
0.4
0.6
UF ↓, IR ↑ UBR ↑ (lavinový průraz) UBR ↓ (Zenerův průraz) IR [A]
PSpice V-A charakteristika 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project … 06_D_VA_temp.opj K dispozici jsou tři simulační profily: 1. Pracovní bod 2. Stejnosměrná analýza – VA propustná 3. Stejnosměrná analýza – VA závěrná Pro teploty -125, -75, -25, 25, 75 a 125 oC nasimulujte průběhy propustných VA charakteristik diody 1N4001 Pro teploty -125, -75, -25, 25, 75 a 125 oC nasimulujte průběhy závěrných VA charakteristik diody 1N4001 Výsledky simulací zpracujte v Excelu.
Zpracování výsledků – list UF(T) zde importovat grafy charakteristik
zde doplnit odečtené hodnoty UF pro IF= 1mA
Rx zodpovědět otázky
Zpracování výsledků – list IR(T) zde importovat grafy charakteristik zde doplnit odečtené hodnoty IR pro UR= 50V
Rx zodpovědět otázky
Reálná V-A charakteristika diody (propustná) I I0 e
1N4007
1
10
0
eU nkT
reálná ideální
10
-1
10
IF [A]
-2
10
-3
10
-4
10
rekombinační proud
difůzní proud
vliv sériového odporu Rs
-5
10
-6
10
-7
10
n~1
n~2
n~2
dI~1/Rs·dU
-8
10
-9
10
0.0
0.2
0.4
0.6
UF [V]
0.8 vysoká injekce
1.0
Reálná V-A charakteristika diody (závěrná) UR [V] 2500
2000
1500
1000
500
0 0
IR = I0 5 generační proud
10
reálná ideální
15
průraz
20
IR [A]
3000
Model diody v PSpice RS
ID I0 e
U nUT
UT kT/e U
CD
ID
C j0 τ CD Cd C j T I0 e nUT m UT U 1 UD
Parametr PSpice Symbol
Název
Jednotka
IS
I0
saturační proud
A
N
n
emisní koeficient
RS
Rs
sériový odpor
Ω
VJ
UD
difúzní napětí
V
CJO
Cj0
bariérová kapacita při U=0
F
M
m
dotační koeficient
TT
τT
doba průletu
s
BV
UBR
průrazné napětí
V
IBV
IBR
závěrný proud pro UR=UBR
A
Parametry modelu diody v PSpice IF [mA]
T2>T1
RS
200
T2
T1
XTI
150
BV
UR [V] 80
60
40
100
IS
50
N UF [V]
0.2
IBV
0.4
NBV
0.6
0.8
T1
TBVI
20 0
T2
EG
IR [A]
1.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Odečet parametrů modelu – list Reálná VA zde doplnit hodnoty dané aproximací průběhů a odečíst hodnoty parametrů n a RS
Měření doby závěrného zotavení tRR diody Doba závěrného zotavení tRR dává rychlost s jakou je dioda schopna přepnout z propustného do závěrného směru. Závisí na tom, jak je dioda resp. vnějšího obvod schopna odčerpat z přechoduin minoritní nositele injekované při propustné polarizaci.
Proud
(mA)
propustná polarizace
3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7
závěrná polarizace
IFM
IFM vrcholová hodnota propustného proudu
trr
IRRM vrcholová hodnota proudu při závěrném zotavení
25% IRRM
trr
doba závěrného zotavení
Qrr komutační náboj
90% IRRM
IRRM 0.0
0.1
0.2 0.3 Čas (s)
0.4
0.5
Měřící přípravek měření tRR diody
volba diody
odpor zvolit 1k
Zapojení pro měření tRR diody A
Ugen maximální f = 20 kHz
B
1k OSC
OSC CH2
R=1k
OSC CH1
PSpice Měření trr 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project … 06_trr.opj K dispozici jsou tři simulační profily: 1. Pracovní bod 2. trr – simulace měření doby zotavení 3. trr_priklad – vlivu závěrného zotavení diody na charakteristiky obvodu Proveďte simulaci měření doby závěrného zotavení pro trr= 1 a 6 μs (parametr ). Výsledky simulace zpracujte v Excelu (list trr) a porovnejte s měřením.
Proveďte simulaci s hodnotou trr zjištěnou měřením.
Zpracování výsledků – list TRR zde doplnit hodnoty IFM, trr ,IRRM odečtené z průběhů získaných simulací a měřením
zde importovat grafy simulovaných průběhů
Aplikace diod - Usměrňovač
Aplikace diod - Usměrňovač
Aplikace diod - Usměrňovač
Aplikace diod - Usměrňovač
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Motivace: 230V
usměrňovač
filtr
stabilizátor
zátěž
50Hz Tr1 TRANSFORMER
Např. 5V/100mA
1
1
OUT
3 C
Tr1 TRANSFORMER
C1 1uF
2
2
#EN
2
50Hz
5V 5
IN
GND
230V
TPS76950
4
1
1
1
2
U1
zátěž
NC/FB C2 4.7uF/6.3V
2
D1
U1 , C1 a C2 dle doporučeného katalogového zapojení
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Návrh stabilizovaného zdroje napětí: 1 3 C1 1uF
4
NC/FB
2
2
#EN
2
50Hz
U2
IZ
OUT
1
IN
C
5V 5
GND
230V
TPS76950
Tr1 TRANSFORMER
zátěž
C2 4.7uF/6.3V
2
U1
1
U1
1
2
1
US
D1
5,0V/100mA
Postup při návrhu 1) Výběr vhodného stabilizátoru podle potřeb zátěže (napětí U2, proudový odběr zátěže…) 2) Návrh usměrňovače a filtru podle požadavků stabilizátoru (napětí U1 , jeho zvlnění …) 3) Výběr vhodného transformátorku (velikost napětí US …)
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Stabilizátor napětí TPS76950
IZ U1 U1
U2
U2
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Doporučené obvodové zapojení stabilizátoru napětí
IZ
U2
U1 U1 U2
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Požadavky na vstupní napětí stabilizátoru
U1MAX
U1MAX ∆ U1šš U1
U1MIN
t
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Požadavky na vstupní napětí stabilizátoru
U1MIN
U1MAX ∆ U1šš U1
U1MIN
t
U1MIN ≥ U2 + 0,1 V
71mV zaokrouhlíme např. na 0,1 V
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Požadavky na vstupní napětí stabilizátoru IZ 5 IN
4
NC/FB
zátěž
C2 4.7uF/6.3V
2
2
2
2
#EN C1 1uF
U2
OUT
3 C
50Hz
5V
GND
230V
TPS76950
1
1
1
1
2
U1
1
U1
D1
Tr1 TRANSFORMER
U1MAX= 13,5 V
(mezní katalogový údaj)
U2= 5 V / 100 mA U1MIN ≥ U2+ 0,1 V = 5,1V (zaokrouhlený charakteristický katalogový údaj)
U1MAX = 13,5 V U1
∆ U1šš
U1 + 1/2 ∆U1šš
≤
U1MAX= 13,5 V
U1 - 1/2 ∆U1šš
≥
U1MIN= 5,1 V
U1MIN ≥ U2+0,1 V = 5,1V
t
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Požadavky na vstupní napětí stabilizátoru IZ IN
4
NC/FB
zátěž
C2 4.7uF/6.3V
2
C1 1uF
2
2
#EN
2
50Hz
U2
OUT
3 C
5V 5
GND
230V
TPS76950
1
1
1
1
2
U1
1
U1
D1
Tr1 TRANSFORMER
Potlačení zvlnění (dle katalogu) = 60dB = 20log(∆U1 / ∆U2) = 60dB ∆U1 / ∆U2 = 1000 U1MAX = 13,5 V U1
∆ U1šš
Pokud požadujeme zvlnění výstupního napětí např. ∆U2šš = +/- 1 mV
U1MIN ≥ U2+0,1 V = 5,1V ∆U1šš = +/- 1 V t
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Požadavky na vstupní napětí stabilizátoru IZ OUT
3 C1 1uF
2
2
#EN
2
50Hz
U2
4
1
IN
C
5V 5
GND
230V
TPS76950
1
1
1
1
2
U1
NC/FB
zátěž
C2 4.7uF/6.3V
2
U1
D1
Tr1 TRANSFORMER
Maximální ztrátový výkon stabilizátoru (dle katalogu) PMAX= (U2 - U1)*IZ = 212 mW Snaha minimalizovat ztrátový výkon minimalizace (U2 - U1) U1MAX = 13,5 V
U1 volíme co nejblíže k U1MIN
U1
∆ U1šš U1 - 1/2 ∆U1šš ≥ U1MIN= 5,1 V a ∆U1šš = +/- 1 V
U1MIN ≥ U2+0,1 V = 5,1V
U1 ≥ U1MIN + 1/2 ∆U1šš = 5,1 + 1 = 6,1 V t
Zvolíme například U1 = 6,5 V
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Výpočet kapacity filtru pro jednocestný usměrňovač: IZ
D1
U1= 6,5 V / 100 mA
1
1
2
230V
U1
C
2
50Hz
C = ???
Tr1
Q C U
∆U1 = +/- 1 V
U1šš = 2V
IZ= 100 mA
I Z T IZ U1 C U1šš U1šš f RZ U1šš f
dQ dU I I C dt dt U1MAX U1
U1šš U1MIN
Rz
T=1/f t
U1 pro I Z RZ
IZ 0,1 C 1 mF U1šš f 2 50
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Výpočet kapacity filtru pro můstkový usměrňovač: IZ 230V
+
∆U1 = +/- 1 V
1
-
U1= 6,5 V / 100 mA
50Hz
U1
C
2
Tr1
Rz
U1šš = 2V
IZ= 100 mA
C = ??? Q C U
IZ T / 2 IZ U1 C U1šš U1šš 2 f RZ U1šš 2 f
dQ dU I I C dt dt U1MAX U1
U1šš U1MIN
T/2
T=1/f t
U1 pro I Z RZ
IZ 0,1 C 500 F U1šš f 2 2 50
USMĚRŇOVAČ S FILTREM Velikost výstupního napětí US pro jednocestný usměrňovač IS
U1= 6,5 V / 100 mA
UFD1
∆U1 = +/- 1 V
D1
IZ= 100 mA
1
1
2
U1šš = 2V
US
230V
Rz
2
50Hz
U1
C
Tr1
UFD1= 0,7 až 1 V (dle zatížení diody)
USmax = U1 + 1/2 ∆U1š+ UFD1= 6,5 + 1 + 0,85 = 8,35 V (maximální hodnota)
USef = USmax /√2 = 8,35 / 1,41 = 5,9 V
(efektivní hodnota)
Zvolíme například transformátor s výstupním napětím USef = 6 V při IS=100mA
PSpice Měření na usměrňovači 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project 06_usmernovac.opj K dispozici jsou tři simulační profily: 1. Pracovní bod 2. usmernovac – tranzientní analýza průbehů proudů a napětí 3. mereni – tranzientní analýza průbehů proudů a napětí v měřítku shodném s měřením
Proveďte simulaci průběhu proudu a napětí v obvodu jednopulzního usměrňovače (profil usmernovac). Proveďte simulaci v profilu mereni. Výsledky simulace zpracujte v Excelu (list usmernovac) a porovnejte s měřením.
Měření – Usměrňovač
Měření – Usměrňovač
CH1
CH2
G
Měření vstupního střídavého napětí uvst a nabíjecího proudu iD.
Měření – Usměrňovač
G
Měření vstupního střídavého napětí uvst a výstupního střídavého napětí uvýst .
Zpracování výsledků – list Usměrňovač zde importovat grafy simulovaných průběhů zde doplnit hodnoty uvýstšš, Uvýst,iDmax@t odečtené z naměřených a simulovaných průběhů
