Високачастотні діоди. Розрахунок трансформатора ТПП279

Розглянемо  основні параметри та характеристики високочастотних діодів.[5]

• Постійний прямий струм – Іпр.При постійному прямому струмі величина падіння напруги на діоді із зростанням температури зменшується. При малих прямих струмах, приблизно 1 — 2 мА, пряме падіння напруги на діоді зменшується по лінійному закону.
• Постійна пряма напруга – Uпр.Від величини Uпр, як вже указувалося, залежить величина розсіюваної діодом потужності і, отже, економічність випрямного пристрою
• Постійна зворотня напруга – Uзв.
• Постійний зворотній струм – Ізв.
• Середнє значення прямого струму – Іпр.сер – значення струму за період.
• Середній випрямний струм – Ісер.
• Диференційний опір діода rдиф. Фізичний зміст диференційного опору – кут нахилу кривої.
• Максимально допустима зворотня напруга – Uзв.max.При подачі на діод зворотної напруги великої величини може наступити пробій переходу, ознакою якого є різке збільшення зворотного струму. Величина пробивної напруги залежить як від конструктивних і технологічних чинників, так і від фізичних властивостей напівпровідника
• Максимально допустимий імпульсна зворотня напруга – Uім.зв.max.
• Максимально допустимий прямий струм – Іпр.max.
• Максимально допустимий імпульсний прямий струм – Іім.пр.max.
• Максимально допустимий середній випрямний струм – Ісер.випр.max.
• Максимально допустима потужність розсіювання – Pmax.
• Максимальна робоча температура. При підвищенні температури р-п переходу сильно збільшується зворотний струм. Цей струм може досягти такої величини, що діод практично втратить свої випрямляючі властивості
• Вольтамперна характеристика – основна характеристика діода, яка подана на рисунку 1.3.

 

Рисунок 1.3 ВАХ високочастотного діода

 

 

1.7. Еквівалентна схема

 

Найбільш  поширена в теорії електричних кіл  модель напівпровідникового діода, така, що достатньо повно враховує особливості його нелінійної вольт-амперної характеристики, — модернізована  модель Еберса-Молла (Рисунок 1.4). Дана модель включає бар'єрну і дифузійну ємкості діода (С_бд, С_дд ), струм p-n-перехода (I_p-n), опір бази діода (R_б) і опір витоку (R_у). [6]

Рисунок 1.4 - Еквівалентна схема Еберса - Молла

 

1.8. Типові схеми включення 

 

При необхідності отримати випрямлений струм, що перевищує  граничне допустиме значення для  одного діода, застосовують паралельне включення однотипних діодів (Рисунок 1.5 а)). У високовольтних ланцюгах часто використовують послідовне з'єднання діодів. При такому з'єднанні напруга розподіляється між всіма діодами (Рисунок 1.5)

 

 

Рисунок 1.5 - Паралельне (а) та послідовне (б) включення діода

 

В діода можливе  як пряме так і зворотнє включення. На рисунку 1.6 показана експерементальна установка для зняття ВАХ в прямому та зворотньому включені[8]

 

Рисунок 1.6 – Схема електрична принципова експерементальної установки

для знятя ВАХ: а в прямому включені; б) в зворотньому включені.

 

1.9. Конструкції високочастотних діодів

 

Точкові діоди.

 

 

Рисунок 1.7 – Структура точкового діоду

 

До бази точкового  діода підводять вольфрамовий дріт, легований атомами акцепторної  домішки, і через неї пропускають  імпульси струму силою до 1А. У точці розігрівання атоми акцепторної домішки переходять в базу, утворюючи p-область (рисунок 1.8).

 

Рисунок 1.8 – Структура точкового діоду

 

Виходить  p-n перехід дуже малої площі. За рахунок цього точкові діоди будуть високочастотними, але можуть працювати лише на малих прямих струмах (десятки міліампер).

Мікросплавні  діоди.

Їх отримують  шляхом сплаву мікрокристалів напівпровідників p- і n- типу провідності. По своєму характеру мікросплавні діоди будуть площинні, а по своїх параметрах – точкові.

Якщо на низьких  частотах струм в ланцюзі діода  визначається тільки активними  опорами  електронно-діркового  переходу (R_n) а також  р- і n-областей напівпровідника (r_б),  то при роботі діода на високих частотах велику роль грають бар’єрна та дифузійна ємності. В результаті сумісного впливу цих ємкостей і активного опору  r_б  властивості діода на високих частотах виявляються абсолютно іншими, чим на низьких частотах, випрямний ефект із зростанням частоти майже повністю зникає.

Для розширення частотного діапазону діода необходимоуменьшить його ємкість С_д  і опір бази r_б (див. рисунок 1.10).[4]

 

 

Рисунок 1.9 – Структура високочастотного діода

 

Для зменшення  ємкості р-n-перехода у високочастотних діодах часто застосовують точкову конструкцію (рис. 1.9  а) .Монокристалл германію або кремнію n-типа є базою діода. База припаяна до виводу свинцево-олов'яним припоєм, що забезпечує омічний контакт. З іншого боку до бази притиснута вольфрамова голка, що має діаметр вістря не більше 20—30 мкм. Завдяки малій площі контакту забезпечується отримання малої ємкості переходу (порядка десятих долей пікофарада). Електродна система з метою захисту від дії навколишнього середовища поміщена в герметичний скляний корпус; виводи електродів зроблені з ковара, що має такий же температурний коефіцієнт розширення, що і стекло.

Контакт вольфрамової голки з поверхнею напівпровідника  обла дає випрямними властивостями, проте для створення стабільного випрямляючого контакту, що має вищу пробивну напругу, діод зазвичай піддають електроформуванню шляхом короткочасного пропускання могутнього імпульсу струму. Унаслідок сильного локального розігрівання приконтактной області, що приводить до часткового розплавлення кристала і кінця голки, виникає дифузія домішок в кристал і під вістрям голки після різкого охолоджування утворюється невелика за об'ємом р-область, виникає р-n-переход (рис. 1.9 б). Для підвищення прямої провідності діода на кінець голки перед формуванням іноді наносять акцепторну домішку (індій або алюміній), при цьому концентрація акцепторів в р-области досягає 10¹⁷  см^-3, а пряма проводимость— 100мА/В. Із згаданих матеріалів кращі результати, сточування зору високочастотних властивостей, дає алюміній, що дозволяє отримати менший радіус р-n-перехода.

Гранична частота точкових діодів завдяки малій ємкості переходу складає 300—600 МГц. Виготовляють також діоди на частоти порядка десятки гігагерца. У них ємкість переходу ще менша, що досягається спеціальним заточуванням голки з використанням притискного контакту без електроформування. Передбачено максимальне зменшення індуктивності виводів. Проте допустима зворотня напруга у таких діодів не перевищує 3-5 В; низькою виходить допустима потужність розсіяння.[5]

 

1.10. Типові промислові  вироби

 

Розглянемо  високочастотний діод 2Д401(А-В). Високочастотний діод 2Д401 випускають в стандартному, пластмасовому, циліндровому корпусі з жорсткими дротяними лудженими виводами (Рисунок 1.10).

 

Рисунок 1.10 - Зовнішній вигляд та геометричні розміри високочастотного діоду 2Д401(А)

 

 

 Основні параметри даного діода показані в таблиці 1.2

 

Таблиця 1.2 – основні параметри діода 2Д401(А)

Тип діода	високовольтний
Зворотна напруга, В	75
Прямий струм, мА	30
Спосіб монтажу	у отвір
Імпульсний струм струм, мА	90
Пряма напруга, В	1
при Iпр.,мА	5
Робоча частота, кГц	100
Загальна ємкість, Сд.пф	1
Робоча температура, З	-60...70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Розрахунок трансформатора живлення

 

Розрахункові дані:

 

- напруга  живлення U_1-2 = 220 (В);

- частота  мережі f=50 (Гц);

- напруги  вторинних обмоток:

 

U_11-12 = 5 (В), U_13-14 = 5 (В), U_15-16 = 20 (В), U_17-18 = 20 (В), U_19-20 = 5 (В),   U_21-22 = 5 (В);

 

- максимальний струм вторинної обмотки _[10]

 

Приймемо U_1-2 = U₁; U_11-12 = U₂; U_13-14 = U₃; U_15-16 = U₄; U_17-18 = U₅; U_19-20 = U₆; U_21-22 = U₇.

На Рисунку 2.1 зображено схему трасформатора

 

 

Рисунок 2.1. Схема трансформатора

 

2.1 Вибір магнітопроводу  трансформатора

 

2.1.1Визначаємо сумарну потужність вторинних обмоток для трансформатора:

 

,                                 (2.1)

де  – максимально-допустима сумарна потужність.

 

 

2.1.2  З таблиць значень типових промислових магнітопроводів вибираємо найближчий по потужності магнітопровід типу ШЛ20х32. Його параметри: маса магнітопровода m_c=0,735 кг, середня довжина магнітної силової лінії l_с=17,1 см, активна проща перерізу магнітопровода S_c=5,60 см².[9]

 

2.1.3  По  графіку А.1 (додаток А) вибираємо  значення магнітної індукції  :

 

 

 2.1.4 Визначаємо ЕРС в одному витку :

 

,                                          (2.2)

 

.

 

2.1.5 За графіком А.2 (додаток А) визначаємо очікуване падіння напруги в                  обмотках:

для первинної обмотки  ; 

для вторинних обмоток   .

 

2.2 Знаходження струму  первинної обмотки:

 

2.2.1 По графіку А.3 (додаток А) знайдемо питомі втрати в магнітопроводі:

 

.

 

2.2.2 Знайдемо втрати в магнітопроводі:

 

,                                                  (2.3)

 

.

 

2.2.3 Знайдемо ККД трансформатора:

 

,                                                    (2.4)

 

 

2.2.4 Знайдемо струм первинної обмотки :

 

,                                                   (2.5)

 

 

2.3 Розрахунок обмоток трансформатора

 

2.3.1 Знаходимо кількість витків обмоток:

 

 

2.3.2 Знаходимо коефіцієнти трансформації:

 

 

2.3.3 Знайдемо активну складову струму холостого ходу:

 

                                                  (2.6)

 

 

2.3.4 З графіка А.4 (додаток А) знайдемо питому намагнічуючу потужність:

 

 

2.3.5 Знайдемо реактивну складову струму холостого ходу

 

                                                 (2.7)

 

 

2.3.6 Струм холостого ходу, виражений в процентах від номінального, буде:

 

                                             (2.8)

 

 

2.3.7 Струм холостого ходу дорівнює:

 

                                                    (2.9)

 

 

2.3.8 Реактивний опір первинної обмотки:

 

                                                      (2.10)

 

 

звідки:

 

                                                   (2.11)

 

 

2.3.9 Магнітна проникність магнітопроводу з графіка А.5 (додаток А):

 

 

2.3.10 Кількість витків первинної обмотки:

 

                                        (2.12)

 

 

 

2.3.11 По графіку А.6 (додаток А) знайдемо густину струму в обмотках:

 

 

2.3.12 Обчислюємо  діаметр дроту по міді для кожної обмотки:

 

                                                  (2.13)

 

2.3.13 Оскільки через вторинні обмотки протікає однаковий струм, то:

 

                           (2.14)

 

2.3.14 По таблиці А.2 (додаток А) вибираємо дроти типу ПЕВ-2 найближчого діаметру:

 

                                 

 

2.3.15 Знайдемо кількість витків в шарі обмоток:

 

в шарі первинної обмотки:

 

                                                  (2.15)

 

де  – коефіцієнт нещільності упаковки дроту і дорівнює 0,95;

 

 

в шарі вторинних обмоток:

 

                   (2.16)