Μοντέλα Διόδων i. Δίοδος Διακόπτης Δίοδος Πηγή. i=i(υ) i=i(υ) i i. i i. = 0 γιά. 0 γιά. Παρεμπόδισης

Transcript

1 Μοντέλα Διόδων Ανάστροφη Δναµικό Πόλωση Κατάρρεσης PI Ορθή Πόλωση Δναμικό Παρεμπόδισης Δίοδος Διακόπτης Δίοδος Πηγή =() =() 0 γιά = 0 = 0 γιά < 0 0 γιά = 0 γιά = <

2 Μοντέλα Διόδων σνεχ. Ανάστροφη Δναµικό Πόλωση Κατάρρεσης PI Ορθή Πόλωση Δναμικό Παρεμπόδισης Δίοδος Πηγή µε εσωτερική αντίσταση ( ) = r B ( ) για = r = 0 για B

3 Σηµείο Λειτοργίας Διόδο Το Σ.Λ. µιας διόδο καθορίζεται από την τάση u στος ακροδέκτες της και το δι' ατής διερχόµενο ρεύµα. Για κάθε µία από τις προσεγγίσεις το µοντέλο της διόδο, το Σ.Λ. µπορεί να ερεθεί από τη τοµή της γραµµής φορτίο επί το διαγράµµατος της χαρακτηριστικής της διόδο: s T Μη γραμμικό μοντέλο = = Is e Δίοδος διακόπτης Δίοδος πηγή L s =, = 0 s =, = Δίοδος πηγή με εσωτερική αντίσταση L L s = = L Μοντέλο Διόδο Διακόπτη Q = (, ) r B S L s Μοντέλο Διόδο Διακόπτη Με Πηγή 4 u s = L Γραµµή Φορτίο S L Μη-Γραµµικό Μοντέλο Διόδο Μοντέλο Διόδο Διακόπτη Με Πηγή & Εσωτερική Αντίσταση

4 Ασκήσεις Αν θεωρηθούν οι δίοδοι το διπλανού σχήματος ως «διακόπτες», να σχεδιασθεί το διάγραμμα πο σχετίζει την είσοδο n με την έξοδο out. 0 γιά = 0 = 0 γιά < 0 =() D "" + + n n D "" "" + + =0 Ω =0 - - "" 4 n D "" "" + + =0 Ω =0 Ω =0 - - "" "4" S S D S L D D L out out out =0 - - ""

5 D Αν θεωρηθούν οι δίοδοι το διπλανού σχήματος ως «διακόπτες», να σχεδιασθεί το διάγραμμα πο σχετίζει την είσοδο n με την έξοδο out. Λύση: Λόγω της διακριτής μορφής το μοντέλο Άσκηση - "" + + n =0 Ω =0 - - "" διακόπτη θα πρέπει να θεωρήσομε όλος τος δνατούς σνδασμούς: D - άγει, D - άγει: πράγμα πο σημαίνει S. Αν πάρομε τος βρόχος και τον κόμβο και γράψομε τις αντίστοιχες εξισώσεις Krchoff : απ όπο προκύπτει, και για να ισχύει, όπως απαιτήθηκε παραπάνω, S θα πρέπει. και προφανώς σε ατή την περίπτωση = = 0 > 0, = > 0 n = + = + S = ( + ) ( + ) = = ( )( ) ( )( ) > 0, = > 0 > 5 n n S n S out S S D out 5

6 D Άσκηση - D - άγει, D δεν άγει: πράγμα "" πο σημαίνει. + + > 0, S = = 0 Αν πάρομε τον πρώτο βρόχο D (ο δεύτερος δεν διαρρέεται =0 Ω n από ρεύμα) και τον κόμβο S και γράψομε τις αντίστοιχες =0 εξισώσεις Krchoff : - - "" n = + n = = + και για να ισχύει, όπως απαιτήθηκε παραπάνω, > 0, S = = 0 θα πρέπει n. > 0 και προφανώς σε ατή την περίπτωση out = = n δηλαδή.. Το ότι δεν άγει η D εξασφαλίζεται αν + out = n out = n < S = 0 n < 5 Επομένως οι σνθήκες ισχύον για 0< n < 5 οπότε out = n. D - δεν άγει, D δεν άγει: πράγμα πο σημαίνει = 0, S = = 0. Δεδομένο ότι ο κλάδος - (όπως και όλοι) δεν διαρρέεται από ρεύμα, τότε out = = =. Για να μην άγει η δίοδος D θα πρέπει n "" < 0 δηλαδή ισχύει n < 0 out = 0 6 out "" "" 0

7 D Αν πάρομε τον ο βρόχο (ο ος δεν διαρρέεται από ρεύμα) και τον κόμβο και γράψομε τις αντίστοιχες εξισώσεις Krchoff : = + S S = = + Ατό αντίκειται στην παραπάνω σνθήκη > 0 και επομένως ατή η περίπτωση είναι αδύνατη. Άσκηση - D - δεν άγει, D άγει: πράγμα "" πο σημαίνει + + = 0, = > 0 S n ( ) =0 Ω Η σχέση εισόδο / εξόδο (δ) n προκύπτει από σύνθεση των 5 ανωτέρω περιπτώσεων και φαίνεται στο διπλανό σχήμα 7 S D out =0 - - "" 0 out (β) (α)

8 Ανορθωτές Control Systems Laoratory Η ιδιότητα των διόδων να άγον ρεύμα μόνο κατά την πρόσω πόλωση τος τα κάνει ιδανικά στοιχεία γιά χρήση στην ανόρθωση της εναλασσόμενης (AC) τάσεως σε σνεχή (DC). Στα βιομηχανικά δίκτα ατό γίνεται τόσο σε μονοφασικά όσο και σε τριφασικά σστήματα. Ενας μονοφασικός - ημίσεως κύματος - ανορθωτής (ΜΗΚΑ) χρησιμοποιείται για την ανόρθωση μονοφασικής τάσεως n ( ) = sn ( ω ) t t p όπο ω = π = π f T και T = είναι η περίοδος το f εναλλασσόμενο (AC) ρεύματος. Η δίοδος άγει ρεύμα μόνο κατά την μισή περίοδο (ατή πο αντιστοιχεί στην πρόσω πόλωση) το εναλλασσόμενο σήματος εισόδο. Ασφαλής λειτοργία είναι δνατή όταν το εύρος της AC τάσης είναι σαφώς μικρότερο από το PI της διόδο αλλοιώς, κατά την αντίστροφη πόλωση, θα έχομε το φαινόμενο της χιονοστιβαδας (avalanche effect) δηλαδή τη διάσπασης το (κατά την αντίστροφη πόλωση) μονωτικού χαρακτήρα της διόδο πράγμα πο οδηγεί σε αθρώα ροή ηλεκτρονίων και κατά σνέπεια στην καταστροφή της. Στην πράξη επιλέγεται δίοδος με PI περίπο διπλάσια της p. 8 p

9 Ανορθωτές Ενας μονοφασικός - ολικού κύματος ανορθωτής (ΜΟΚΑ) άγει ρεύμα καθ όλη την περίοδο το εναλασσόμενο σήματος εισόδο. Στο σχήμα φαίνεται ο πιό σνήθης τύπος ΜΟΚΑ, ατός της γέφρας πλήρος κύματος. Η μέση τάση εξόδο είναι = p γιά MHKA T π dc = ( t) dt = 0 L T = p γιά MOKA π όπο είναι η στιγμιαία τάση στα άκρα το φορτίο. L ( t) σνεχ. 9

10 Ανορθωτές σνεχ. Είναι προφανές ότι η μέση τάση στο φορτίο για την περίπτωση των ΜΟΚΑ είναι μεγαλύτερη από ατή των ΜΗΚΑ και το σήμα εξόδο ομαλότερο και γι ατό το λόγο είναι και πιο σνήθεις. Τα παραπάνω ισχύον για μοντελοποίηση διόδων με το απλό μοντέλο διακόπτη. Στην περίπτωση πο χρησιμοποιηθεί το μοντέλο πηγής τότε το εύρος της τάσης στα άκρα της αντίστασης είναι μειωμένο κατά το άθροισμα των δναμικών παρεμπόδισης των δύο διόδων οι οποίες παρεμβάλλονται σε κάθε φάση, δηλαδή είναι οπότε T dc = ( t) dt ( - ) γιά MOKA 0 L p T = π p 0

11 Ανορθωτές Τα ανορθωτικά φίλτρα (recxfer flters) χρησιμοποιούνται για να μειώσον τον AC χαρακτήρα το DC σήματος εξόδο, δηλαδή να το κάνον πιο ομαλό. Μεταξύ φάσης 0 και 90 ο πκνωτής φορτίζεται και φθάνει στο μέγιστο φορτίο οπότε μετά την φάση 90, όταν μειώνεται η πρόσω πόλωση, αρχίζει και αποδίδει ατό το φορτίο σταδιακά. Οσο το C είναι μεγαλύτερo τόσο η αποφόρτιση, μέσω το φορτίο, θα διαρκέσει περισσότερο. Στην περίπτωση χρήσης ενός πκνωτή σε ένα ΜΟΚΑ ο πκνωτής θα φθάσει στο p μέγιστο φορτίο τόσο για 90 ο όσο και 70 ο. + Γι ατή την περίπτωση αποδεικνύεται ότι ( 4 fc L ) dc = αν L είναι το φορτίο εξόδο, τότε ( 4 fc) σνεχ. διοδος διακοπτης διοδος πηγη + p L

12 Δίοδοι Zener Δίοδοι με μεγάλο ποσοστό κατάλληλων προσμίξεων πο έχει σαν αποτέλεσμα, κατά την ανάστροφη πόλωση όταν η τάση ξεπεράσει (δηλ. γίνει πιο αρνητική από) ένα χαρακτηριστικό όριο, να μην σμβαίνει το φαινόμενο της χιονοστιβάδας αλλά το φαινόμενο Zener πο δεν οδηγεί στην καταστροφή τος. Η αντίστροφη τάση απομακρύνει τα ηλεκτρόνια από τις τροχιές τος και έτσι με μικρή αύξηση της τάσης παρατηρούνται μεγάλες μετακινήσεις φορτίων. Ανάστροφη Πόλωση Η μεγάλη κλίση της καμπύλης σε ατή τη περιοχή κάνει τις Zener κατάλληλες για λειτοργία στην περιοχή της Z τάσεως ανακοπής, σε διατάξεις σταθεροποιητών τάσης. Άνοδος (α) (β) Οι δίοδοι Zener χαρακτηρίζονται από : το δναμικό ανακοπής και την μέγιστη ισχύ πο αναφέρεται στην δνατότητα απορρόφησης ισχύος στος 5 o C. Ασφαλης λειτοργία των Zener επιτγχάνεται όταν γίνεται σε ατή τη περιοχή. z Περιοχή Φαινοµένο Zener Κάθοδος Οι δίοδοι Zener χρησιμοποιούνται κρίως σε αντίστροφη πόλωση. Αλλά όταν πολωθούν ορθά τότε, όπως δείχνει το παραπάνω σχήμα, έχον παρόμοια σμπεριφορά με ατές των διόδων ανόρθωσης. Ορθή Πόλωση r Z

13 Δίοδοι Zener Οι δίοδοι Zener όταν ερίσκονται σε αντίστροφη πόλωση σνήθως προσεγγίζονται από δύο () μοντέλα: Ιδανική Zener 0 γιά = 0 γιά = = r Zener με εσωτερική αντίσταση = 0 για Το σημείο λειτοργίας Q =, πο καθορίζεται από την τάση στος ακροδέκτες της Zener και το διερχόμενο δι' ατής ρεύμα για δεδομένη τάση πηγής, μπορεί να ερεθεί, για κάθε μία από τις προσεγγίσεις το μοντέλο της διόδο, με πέρθεση της γραμμής φορτίο επί το διαγράμματος της χαρακτηριστικής της διόδο, δηλαδή : Ιδανική Zener: s + z =, = z Zener με εσωτερική αντίσταση: z > ( ) z ( ) για z z Z Zener µε Εσωτερική Αντίσταση σνεχ. + r s = = z z Z - Ιδανική Zener Γραµµή Φορτίο + Με επίλση των γραμμικών εξισώσεων αγνώστων προκύπτει το Q s