Выбор полупроводниковых диодов
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания предназначены для студентов специальности 7.092201 при изучении ими курса «Электрические системы и комплексы транспортных средств». Указания содержат задания для самостоятельной работы студентов и методику выполнения расчетов по каждой теме, предусмотренных программой практических занятий по курсу. В необходимых случаях в тексте приводятся вспомогательные расчетные кривые, поэтому при выполнении самостоятельных заданий нет надобности обращаться к какой-либо дополнительной литературе, кроме каталогов и справочников по элементам электронной аппаратуры. Рекомендуемые источники такого рода указаны в прилагаемом списке литературы. При составлении методических указаний использовалась литература [1].
Указания могут оказаться также в процессе выполнения курсовых и дипломных проектов. При этом, однако, следует иметь в виду, что предлагаемая методика расчетов разработана в учебных целях для привития первоначальных навыков в расчетах электронных схем и не является исчерпывающей. Так, например, не уделено достаточного внимания расчету теплового режима работы диодов и транзисторов, учету разброса параметров полупроводниковых приборов, не производится выбор конкретных типов и номинальных величин резисторов и конденсаторов и т.д. Таким образом, предлагаемая методика может служить лишь для первоначального грубого расчета схем, по мере необходимости методика должна быть углублена и уточнена.
В некоторых случаях в тексте указаний приводятся пояснения, помогающие сознательному усвоению используемых методов и приемов расчета.
Тема 1. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Общие положения
Элементы электронных устройств, как правило, представляют собой стандартизированные детали, серийно выпускаемые промышленностью. Эти изделия изготавливаются согласно номенклатуре, установленной специально разработанными типовыми рядами номиналов, которые являются обязательными к применению для разработчика аппаратуры. Исключение составляют детали, содержащие индуктивность – трансформаторы и дроссели, изготавливаемые обычно для установки в определенном конкретном устройстве. Однако и в этом случае обычно используются унифицированные типовые ряды магнитных сердечников.
Содержанием настоящей темы предусмотрено ознакомление с методами и правилами, применяемыми при выборе наиболее распространенных элементов электронных схем – полупроводниковых диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. Общий принцип при подборе этих элементов заключается в следующем. Вначале аналитическим путем устанавливаются величины электрических нагрузок на данный элемент (токи, напряжения, рассеиваемая мощность), фактически существующие при работе устройства, а затем на основе каталожных данных выбирают тип элемента, для которого все эти нагрузки не превышают максимально допустимых значений. Рекомендуется так выбирать элементы, чтобы фактически существующие нагрузки не превышали 60-80% от предельно допустимых значений. Тем самым повышается надежность элементов, значительно и увеличивается и срок службы всего устройства.
Выбор полупроводниковых диодов
Основными исходными параметрами, по которым производится выбор диодов, являются среднее значение анодного тока Ia и амплитудное значение обратного напряжения Uam. Определив расчетом эти величины, по справочнику выбирают тип вентиля, для которого выполняются условия
Ia макс доп ³ Ia ,
Ua макс доп ³ Uam,
где Ia макс доп – максимально допустимое среднее значение анодного тока вентиля данного типа;
Ua макс доп- максимально допустимое амплитудное значение обратного напряжения для вентиля данного типа.
В необходимых случаях следует учитывать влияние повышенной температуры окружающей среды, что обычно снижает допустимое обратное напряжение. Необходимые данные для учета влияния температуры приводятся в справочном листке на вентиль.
Большинство современных типов диодов изготавливается на основе германиевых и кремниевых кристаллов. При решении вопроса о выборе исходного материала следует иметь в виду, что кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, чем германиевые, и имеют значительно меньшую величину обратного тока.
Преимуществом германиевых вентилей следует считать меньшую величину прямого падения напряжения, что повышает к.п.д. выпрямителя, и несколько меньшую стоимость по сравнению с кремниевым.
При выборе мощных вентилей следует обращать внимание на условия их охлаждения. Способы охлаждения предусматриваются техническими условиями на вентили и весьма сильно влияют на допустимую величину анодного тока вентиля.
Пример. Для установки в выпрямительном блоке требуется выбрать полупроводниковый диод. Расчетом установлено, что при работе устройства максимальные электрические нагрузки на диод составят:
Ia = 4.8 А;
Uam = 375 В.
Пользуясь справочником [2] , для установки в схему выбираем диод типа КД203А со следующими основными параметрами:
Iа макс доп = 10 А;
Uа макс доп = 600 В.
Примечание. Выбранный диод имеет избыточный запас по допустимому прямому току Iа. Однако ближайший меньший номинал анодного тока составляет 5 А (диоды типа КД202). Такие диоды, хотя и способны работать в данной схеме, однако не обеспечивают достаточного запаса по току, поэтому их применение не может быть рекомендовано.
Выбор транзисторов
При выборе транзисторов учитываются три основные параметра: амплитудное значение тока коллектора Iкm, амплитудное значение напряжения коллектор-эмиттер или коллектор-база Uкэm (Uкбm), средняя мощность, выделяемая на коллекторе Рк. Пользуясь справочником, выбираем такой тип транзистора, для которого:
Iк макс доп ³ Iкm;
Uкэ макс доп³Uкэ m;
Рк макс доп³Рк,
где Iк макс доп - максимально допустимое значение коллекторного тока;
Uк макс доп - максимально допустимое значение напряжения коллектор-эмиттер;
Рк макс доп - максимально допустимое среднее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе.
Температура окружающей среды при выборе транзисторов оказывает влияние на максимально допустимое напряжение и максимально допустимую мощность. При выборе материала транзистора следует учитывать те же особенности, что и при выборе диодов.
Частотные свойства транзисторов, предназначенных для работы в устройствах судовой автоматики, не имеют существенного значения, поскольку инерционность транзисторов заведомо пренебрежимо мала по сравнению с инерционностью других элементов, входящих в систему регулирования. Поэтому, как правило, в усилителях и других электронных элементах автоматики применяются транзисторы, принадлежащие к группе низкочастотных.
Особое внимание следует обратить на то, что транзисторы делятся на два типа: прп и рпр. При этом очевидно, что если схема рассчитана на транзистор, например рпр типа, то установка в данную схему транзистора прп совершенно невозможна, хотя бы он и имел все численные параметры, удовлетворяющие поставленным условиям. В некоторых случаях, однако, затруднения подобного рода могут быть преодолены незначительной перестройкой структуры схемы так, что она становится пригодной для использования транзисторов другого типа.
При выборе мощных транзисторов часто возникает вопрос о способе отвода тепла, выделяемого на коллекторном переходе транзистора, Обычно этот вопрос решается установкой транзистора на теплоотводящий радиатор. Необходимая величина площади радиатора в этом случае может быть определена с помощью специальных таблиц.
Пример. Для установки в схему усилителя мощности требуется подобрать транзистор рпр типа, способный работать в следующем режиме:
I кm = 2.5 A;
Uкэ m = 30 В;
Рк = 2.5 В.
Пользуясь справочником [2] , выбираем для установки транзистор типа ГТ703Д, имеющий следующие основные параметры:
Iк макс доп = 3.5 А;
Uкэ макс доп = 40 В;
Рк макс доп = 15 В (с теплоотводом).
Выбор резистора
Для правильного выбора резистора необходимо знать величину его сопротивления R, рассеиваемую мощность РР и дополнительные условия эксплуатации. Этими дополнительными условиями в основном определяется выбор типа резистора. Для изделий общепромышленного назначения наиболее часто применяются резисторы типов ВС и МЛТ.
После выбора типа резистора на шкале номинальных мощностей выбирается мощность резистора. Например, для названных типов резисторов шкала номинальных мощностей выглядит следующим образом:
Рном= 0.125 Вт; 0.25 Вт; 0.5 Вт; 1.0 Вт; 2.0 Вт; 5.0 Вт; 10.0 Вт, (последние два значения только для резисторов типа ВС).
При выборе мощности резистора должно выполняться условие:
Рном > Рр.
Номинальное значение сопротивления резистора выбирается наиболее близким к расчетному по шкале номинальных величин постоянных сопротивлений с учетом допустимого разброса. Резисторы названных типов выпускаются со следующими значениями допустимых отклонений сопротивления от номинального значения: +5%; +10%; +20%. С целью снижения стоимости аппаратуры следует стремиться выбирать резисторы с наибольшим разбросом, допустимым по условиям работы схемы.
При выборе номинала следует убедиться, что необходимый номинал находится внутри пределов, предусмотренных для данного типа резистора. Например, резисторы типа ВС-0.25 имеют номинальные значения в пределах от 27 Ом до 5.1 мОм, резисторы типа ВС-2 – от 47 Ом до 10 мОм и т.д.
Пример. Для установки в цепи смещения транзисторного каскада требуется подобрать резистор, имеющий сопротивление 3510 Ом; расчетное значение тока, протекающего через резистор, равно 5.4 мА.
Выбираем тип резистора МЛТ. Определяем мощность, выделяемую в резисторе.
Рр = I 2 R = (5.4∙10-3 ) 2 ∙3510 = 0.092 Вт.
Выбираем номинальное значение мощности резистора.
Рном = 0.125 Вт.
Учитывая, что величина сопротивления данного резистора определяет режим работы транзистора и должна по возможности близко соответствовать расчетной, выбираем минимальную величину допуска DR = ±0.5 %.
По справочной таблице [4] убеждаемся, что необходимая нам величина сопротивления находится внутри диапазона сопротивлений, на которые изготавливается выбранный нами тип резистора.
По шкале номинальных значений выбираем ближайшую величину сопротивления
Rном = 3.6 кОм.
Таким образом, нами выбран резистор МЛТ – 0.125 ± 5% 3.6 кОм.
Выбор конденсаторов
При выборе конденсаторов основными критериями являются расчетные значения емкости С и максимального напряжения Um , а также род тока в цепи, где будет установлен конденсатор. Кроме этого учитываются и другие условия эксплуатации (частота переменного тока, температура окружающей среды и т.д.). В устройствах судовой автоматики наиболее часто применяются металлобумажные конденсаторы различных типов (МБГ, ОМБГ, МБГО, МБМ, МБГЧ и др.) и электролитические конденсаторы.
Металлобумажные конденсаторы используются для работы в целях постоянного, пульсирующего и переменного (только МБГЧ) напряжения, электролитические – только в цепях постоянного напряжения с невысоким уровнем пульсации. Преимущество электролитических конденсаторов – малые габариты по сравнению с металлобумажными, основной недостаток – нестабильность параметров и пониженный срок службы.
Типы конденсаторов различаются между собой номинальными рядами емкостей, номинальными рядами рабочих напряжений, вариантами конструктивных исполнений.
Выбор номинальных значений напряжения и емкости, а также конструктивного исполнения производят после определения типа конденсатора и только по таблицам, относящимся к конденсаторам данного типа.
Пример. Требуется подобрать конденсатор для установки в эмиттерной цепи усилителя. Расчетное значение емкости конденсатора 124 мкФ, напряжение на конденсаторе 4.8 В.