Полупроводниковые диоды и тиристоры. Устройство и вольт-амперные характеристики.

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Пермский государственный аграрно-технологический университет

имени Д.Н. Прянишникова»

Название ? Кафедра «Сельскохозяйственных

машин и оборудования»

Контрольная работа

По дисциплине: «Электроника и электротехника»

Вариант № 18

Замечания преподавателя не удалять. Исправления вносить синим цветом

Задача №2 вариант №8 с.3

Задача №3 вариант №8 с. 7,8

Задача №6 вариант №8 с. 9,10

Задача №7 вариант №27 Зачтено

Вопрос теории №51 Зачтено

Выполнил: студент 4 курса

факультета заочного обучения

направление подготовки

Техносферная безопасность

Кытманова Н.Н.

группа ТБб-2017-31

шифр ТБб-2017-1118

Проверил старший преподаватель

Дорофеева И.С.

Пермь, 2020

Задача №2 вариант №8

Для электрической цепи постоянного тока определить общий ток I, токи I ₁ , I₂, I ₃ , I ₄ в ветвях резисторов и ток I ₂₃ в перемычке 2 – 3 цепи при разомкнутом и замкнутом выключателе В, а также напряжение U ₂₃ между узлами 2 и 3 при разомкнутом выключателе. Напряжение U =110В, подводимое к электрической цепи, сопротивления резисторов R ₁ =20, R ₂ =20, R ₃ =20, R ₄ =5, R ₅ =10, R ₆ =5, R ₇ =20.

Решение

Решение.

Положение выключателя В разомкнут

Сопротивление параллельного участка цепи между узлами 1 и 2:

Сопротивление участка цепи между узлами 1 и 2:

Сопротивление участка между узлами 1 и 4 цепи:

Ток в электрической цепи:

Напряжение между узлами 1 и 4 цепи в соответствии со II законом Кирхгофа:

Напряжение между узлами 2 и 3 цепи: покажите направление в схеме

Проверка:

По I закону Кирхгофа для узла 1 :

10,9 A = 6,9 + 3,7 10,6 A

Составим уравнение баланса мощностей:

Значит, задача решена верно.

Положение выключателя В замкнут

Сопротивление участка цепи между узлами 1 и 3:

Сопротивление участка между узлами 2 и 4 цепи:

Сопротивление участка между узлами 1 и 4 цепи:

Ток в электрической цепи:

Напряжение между узлами 1 и 4 цепи в соответствии со II законом Кирхгофа:

Напряжение между узлами 2 и 4 цепи в соответствии со II законом Кирхгофа:

Напряжение между узлами 1 и 3 цепи в соответствии со II законом Кирхгофа:

По I закону Кирхгофа для узла 3:

Составим уравнение баланса мощностей:

Значит, задача решена верно.

Задача № 3 вариант №8

Электрическая цепь переменного синусоидального тока с частотой

f = 50 Гц, находящаяся под действием напряжения U=141 В, содержит активные R₁=10 Ом, R₂=0 Ом, R₃=12 Ом, R₄=0 Ом, R ₅=40 Ом сопротивления, реактивные индуктивные Х _L ₂ =0 Ом, Х _L ₃ =16 Ом, X _L ₆ =50 Ом и реактивные ёмкостные Х _C ₁ =10 Ом, Х _C ₄ =0 Ом, Х _C ₇ =15 Ом сопротивления. Замкнутые выключатели: В₁, В₃, В₅,В₆,В₇. Определить для данного варианта задания: I₅, I₆, P₃, Z, cos z₃. Проверить соблюдение баланса полных S, активных Р и реактивных Q мощностей, построить векторную диаграмму напряжений и токов.

Дополнительное задание. Определить комплексные Y, активные q и реактивные b проводимости отдельных участков и всей электрической цепи.

Рис. 2.1

Решение

Полные сопротивления параллельных ветвей:

Активные проводимости параллельных ветвей:

Суммарная активная проводимость параллельного участка цепи:

Реактивные проводимости параллельных ветвей:

Общая реактивная проводимость параллельного участка цепи:

Полная проводимость параллельного участка цепи:

Полное сопротивление этого участка цепи:

Активное и реактивное сопротивления параллельного участка цепи:

Активное и реактивное сопротивления всей цепи:

R_Ц = R₃₇ + R₁ = 17,92 + 10= 27,92 Ом,

Х_Ц = X₃₇ + (X_с1) = -2,31 +10=7,69 Ом.

Полное сопротивление всей цепи:

Ток в неразветвленной части цепи:

Напряжения на отдельных участках цепи:

Токи в параллельных ветвях:

Коэффициенты мощности всей цепи:

откуда .

Коэффициент мощности участка 1 цепи:

откуда .

Коэффициент мощности участка 3 − 7 цепи:

для участка 3:

откуда Напряжение опережает ток по фазе, знак угла «+» - на 3 участке индуктивность. Почему на диаграмме построено наоборот – с опережением тока?

для участка 5:

откуда

для участка 6:

откуда Напряжение опережает ток по фазе, На участке 6 индуктивность. На диаграмме построено неверно.

для участка 7:

откуда Напряжение отстаёт от тока по фазе, «минус» в знаке угла. На участке 7 ёмкость. На диаграмме построено с отставанием тока. Исправить.

для всего участка 3-7 цепи:

Активная мощность отдельных участков цепи:

Суммарная активная мощность всей цепи:

Относительная погрешность:

Реактивная мощность отдельных участков цепи:

Суммарная реактивная мощность всей цепи:

Относительная погрешность:

Суммарная полная мощность:

Относительная погрешность:

Векторная диаграмма представлена на рисунке 2.1. Исправить

Задача № 6 вариант №8

Потребитель электроэнергии, фазы которого имеют комплексные сопротивления: и соединены в трёхфазную электрическую цепь «треугольником», питается симметричной системой линейных напряжений: U_АВ = U_ВС = U_СА = U_Л=380В. Определить фазные I_Ф и линейные I_Л токи потребителя и показания ваттметров W1 и W2. Определить полную и реактивную мощности всей системы, активную мощность системы определить по формуле Арона. Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

Схема не отражает условие задачи. Покажите нагрузки фаз согласно варианту.

Решение

Комплексные напряжения фаз (направляем вектор комплексного напряжения U_AB по оси действительных чисел):

определите величину напряжения фазы ВС.

определите величину напряжения фазы СА.

Фазные токи потребителя электроэнергии:

Линейные токи потребителя:

или

Векторная диаграмма токов и напряжений представлена на рисунке 3.1

Мощности фаз потребителя:

активные:

И проверьте погрешность вычисления в сравнении с формулой Арона.

реактивные:

Мощности всей цепи:

активная:

реактивная:

полная:

Задача №7 вариант 27

Исходные данные

Рассчитать по приближенным формулам механические характеристики асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором 4А132S4, с линейным напряжением питающей сети U_1ном=380 В, номинальной мощностью P_{2 НОМ} = 0,55 кВт и синхронная частота вращения магнитного поля n₁ = 3000 мин^-1. Скольжение ротора S_ном=8,5%, КПД η_ном=0,73, коэффициент мощности cosφ_1ном=0,86, отношение начального пускового тока к номинальному m_i=4,5, отношение пускового момента к номинальному m_пуск=2, отношение минимального момента к номинальному m_min=1,5, отношение максимального момента к номинальному m_КР =2,2, частота питающего напряжения f₁ = 50 Гц.

Решение

Синхронная угловая частота вращения магнитного поля двигателя:

Синхронная частота вращения ротора

n_2ном=n₁(1-S_ном)=3000(1-0,085)=2745 об/мин

Угловая частота вращения ротора

Номинальный момент нагрузки на валу двигателя:

Пусковой момент двигателя:

М_ПУСК = m_пуск ∙М_ном = 2∙1,91=3,82 Н∙м.

Максимальный (критический) момент:

M_MAX = M_КР = M_НОМ∙ m_КР = 1,91∙2,2=4,2 Н∙м.

Минимальный момент:

M_MIN =M_НОМ∙ m_MIN =1,91∙1,5=2,865 Н∙м.

Номинальный ток электродвигателя

Пусковой ток двигателя:

Частота тока в роторе при номинальной нагрузке

Мощность на зажимах двигателя при номинальном режиме работы:

Критическое скольжение двигателя можно определить по формуле:

Координаты естественной механической характеристики асинхронного двигателя рассчитать по формуле Клосса:

где S – текущее значение скольжения ротора.

Частоту вращения ротора рассчитать по формуле:

Рассчитанные величины представить в виде таблицы 4.1.

S	0	S_НОМ	0,2	S_КР	0,4	0,6	0,8	S_MIN	1
n₂	3000	2745	2400	1938	1800	1200	600	450	0
M		1,91	3,60	4,20	4,17	3,68	3,11	2,98	2,64

Построены механические характеристики асинхронного двигателя M = f (S) и n₂ = f (M) по пяти значениям скольжения: S = 0; S_НОМ; S_КР; S_MIN ; S_ПУСК; где S_MIN = 0,84 – 0,86.

Полупроводниковые диоды и тиристоры. Устройство и вольт-амперные характеристики.

Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства ЭДП.

ВАХ любого прибора представляет собой зависимость между током, протекающим через прибор и приложенным напряжением.

Если сопротивление прибора постоянно, то связь между током и напряжением выражается по закону Ома:

. (3.1)

График зависимости i=f(u) называется вольт-амперной характеристикой. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, ВАХ линейна. Приборы, имеющие такую зависимость – линейны.

Но существуют нелинейные приборы.

ЭДП представляет собой диод. Его нелинейные свойства видны из его ВАХ (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика диода

Прямая и обратная ветви строятся в различных масштабах. Вследствие этого в кривой обратной ветви ВАХ в начале координат имеется излом. Характеристика для прямого тока вначале имеет значительную нелинейность, так как при увеличении u_пр сопротивление запирающего слоя уменьшается, поэтому кривая идет с все большей крутизной. Но при u_пр в несколько десятых долей вольта (при достижении U₀) запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление p-n-областей, которое приблизительно можно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока p- и n-области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения резко возрастает. Это вызвано резким уменьшением тока диффузии i_диф вследствие повышения потенциального барьера.

Так как i_обр= i_др– i_диф, то его значение увеличивается.

Далее рост тока происходит незначительно за счет нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения зарядов, то есть увеличения числа носителей заряда вследствие ударной ионизации.

Это явление состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны и т.д. Такой процесс усиливается при увеличении обратного напряжения.

ВАХ диода может быть использована для определения его основных параметров. По прямой ветви можно определить U_пр при номинальном токе, по обратной ветви – U_{макс доп} и обратный ток I_обр при этом напряжении.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Это определило его название – “thyra” по гречески “дверь”. Тиристор подобно двери открывается, пропуская электрический ток, и закрывается, преграждая путь току. Тиристоры используются в цепях электропитания устройств связи и энергетики, в качестве регуляторов.

Применение тиристоров на электроподвижном составе и тяговых подстанциях позволило осуществлять плавное регулирование выпрямленного тока, инвертирование тока, а также выполнять ряд других функций.

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор. К числу факторов, наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры).

По своей структуре тиристоры отличаются от биполярных транзисторов тем, что у них вместо трех – четыре (или более) полупроводниковых слоя, в которых проводимость последовательно чередуется.

Существует много разновидностей тиристоров (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Классификация тиристоров

Основными типами являются диодные и триодные тиристоры.

Диодные и триодные тиристоры

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины – напряжения включения (U_вкл), являющейся параметром прибора.

В триодных тиристорах (тринисторах) управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода.

Устройство тиристора с управляющим электродом показано на рис. 7.2. Тиристор имеет структуру p₁-n₁-p₂-n₂ c тремя p-n-переходами (П₁- П₃).

Рис. 7.2. Устройство тиристора с управляющим электродом

Исходным материалом для изготовления тиристора является кремниевая пластина n-типа. Сначала путем диффузии акцепторной примеси с обеих сторон создают транзисторную структуру p₁-n₁-p₂. Затем, после локальной обработки поверхности слоя p₂, вносят донорную примесь в этот слой для получения четвертого n₂-слоя.

Рассмотрим структурную схему тиристора при приложении напряжений обратной и прямой полярности и его ВАХ (рис. 7.3, 7.4).

Рассмотрим обратную ветвь вольт-амперной характеристики тиристора, которая снимается при токе управления I_у= 0. Обратному напряжению соответствует полярность, указанная на рис. 7.3 без скобок. При приложении обратного напряжения U_обр переходы П₁ и П₃ закрыты, П₂ – открыт. Падение напряжения на переходе П₂ мало, поэтому можно предположить, что обратное напряжение U_обр распределяется равномерно между переходами П₁ и П₃.

Рис. 7.3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Рис. 7.4. Структурная схема тиристора при приложении напряжений

обратной и прямой полярности

При изготовлении тиристоров концентрация примесей в слоях p₂ и n₂ делается намного выше концентрации примесей в слоях p₁ и n₁, поэтому переход П₃ получается узким. С приложением обратного напряжения переход П₃ вступает в режим электрического пробоя при напряжении, меньшем рабочего напряжения тиристора, то есть обратное напряжение приложено по существу к переходу П₁.

Обратная ветвь ВАХ тиристора представляет собой обратную ветвь ВАХ перехода П₁ или диода (рис. 7.3). Именно на переходе П₁ решается задача получения лавинной характеристики для защиты тиристора от перенапряжений (создание лавинного тиристора).

Рассмотрим прямую ветвь ВАХ. При приложении прямого напряжения переходы П₁ и П₃ открыты, переход П₂ закрыт.

Дата добавления: 2020-11-15; просмотров: 79; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!