5. Anwendungen von Dioden in Stromversorgungseinheiten · ii) Welchen Effektivwert muss der Trafo...
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15. Anwendungen von Dioden
5. Anwendungen von Dioden inStromversorgungseinheiten
Stromversorgungseinheiten („Netzgeräte“) erzeugen die von elektronischen Schaltungen benötigten Gleichspannungen.Sie bestehen oft aus den folgenden drei Blöcken:
• Transformator
• Gleichrichter und Glättungskondensator (→Abschnitt 5.1)
• Spannungsstabilisierung (→Abschnitt 5.2)
Im Transformator wird die Netzwechselspannung in eine Wech-selspannung der benötigten Größe transformiert und im Gleich-richter gleichgerichtet. Der Glättungskondensator verringert die Welligkeit dieser Gleichspannung. Die Spannungsstabilisierunggleicht Schwankungen von Netzspannung und Belastung aus.
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25. Anwendungen von Dioden
5.1. Netzgleichrichtung mit DiodenIn dieser Lehrveranstaltung werden folgende Gleichrichter-schaltungen für Wechselstrom und Drehstrom betrachtet:
• Einpuls-Mittelpunktschaltung (M1, Einweggleichrichter)
• Zweipuls-Brückenschaltung (B2, Graetzschaltung)
• Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3)
• Sechspuls-Brückenschaltung (B6, Drehstrombrücke)
In allen Beispielen wird von„idealen Dioden“ ausgegangen.
ID
UAK
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3
Bei der Einpuls-Mittelpunktschaltung (auch M1-Schaltung, Einweg-gleichrichter) leitet die Diode nur während der positiven Halbwelle der Wechselspannung uE.
uP = Spannung an der Primärseitedes Transformators
uE = Spg. am Gleichrichter-Eingang
Einpuls-Mittelpunktschaltung (a)
5. Anwendungen von Dioden
uP uE uA RA
uAK
t
t
uE(t) = ûE sin(ωt + φ0)
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4
Einpuls-Mittelpunktschaltung (b)
5. Anwendungen von Dioden
Die Ausgangsspannung der Ein-puls-Mittelpunktschaltung wird praktisch immer geglättet.Dies geschieht am einfachsten durch Parallelschaltung eines Glättungskondensators.
uAK
uP uE uA RAC
t
Mittlere Spg. am Verbraucher:
Stromflusszeit
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5
Einpuls-Mittelpunktschaltung (c)
5. Anwendungen von Dioden
Scheitelwert dergleichgerichtetenSpannung
Zeitl. Mittelwert der gleichgerich-teten Spannung
Maximale Sperr-spannung an der Diode
Ohne Glättung:
Mit Glättung:
Ohne Glättung:
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6
Einpuls-Mittelpunktschaltung (d)
5. Anwendungen von Dioden
Mit Glättungskondensator:
Periodische Spannungsdifferenz am Glättungskondensator
Mittelwert der gleichgerichteten Spannung
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7
Zweipuls-Brückenschaltung (a)
5. Anwendungen von Dioden
uE uA RAC
Die Zweipuls-Brückenschaltung (auch B2-Schaltung, Graetzschaltung) ist die wichtigste Gleichrichterschaltung für Einphasen-Wechselstrom.
t
Ohne Glättungskondensator
t
Mit Glättungs-kondensator
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8
Zweipuls-Brückenschaltung (b)
5. Anwendungen von Dioden
Scheitelwert dergleichgerichtetenSpannung
Zeitl. Mittelwert der gleichgerich-teten Spannung
Maximale Sperr-spannung an den Dioden
Ohne Glättung: Mit und ohne Glättung:
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Zweipuls-Brückenschaltung (c)
5. Anwendungen von Dioden
Mit Glättungskondensator:
Periodische Spannungsdifferenz am Glättungskondensator
Mittelwert der gleichgerichteten Spannung
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105. Anwendungen von Dioden
Zweipuls-Brückenschaltung (d)
Fertig verschaltete Brückengleich-richter sind in unterschiedlichen Leistungsstufen verfügbar.
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11
Dreipuls-Mittelpunktschaltung (a)
5. Anwendungen von Dioden
Für mittlere Leistungen ab einigen Kilowatt aufwärts werden Drehstromgleichrichter wie die Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3) oder die Sechspuls-Brückenschaltung (B6) eingesetzt:
• Im Vergleich zu den bisher betrachteten Gleichrichterschal-tungen für einphasigen Wechselstrom ist die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung kleiner.
• Der Aufwand für die Glättung ist aus diesem Grund geringer.Oft kann auf eine Glättung sogar ganz verzichtet werden.
• Eine typische Anwendung dieser Gleichrichterschaltungen findet sich bei Straßenbahnen, die oft mit Gleichspannungen von 500…750 V betrieben werden. Sie werden auch in den heute üblichen KFZ-Drehstromgeneratoren eingesetzt.(In beiden Fällen ohne weitere Glättung).
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12
Dreipuls-Mittelpunktschaltung (b)
5. Anwendungen von Dioden
WeitereBezeichnung:
M3-Schaltung
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13
Dreipuls-Mittelpunktschaltung (c)
5. Anwendungen von Dioden
Scheitelwert dergleichgerichtetenSpannung
Zeitl. Mittelwert der gleichgerich-teten Spannung
Maximale Sperr-spannung an den Dioden
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Sechspuls-Brückenschaltung (a)
5. Anwendungen von Dioden
Weitere Bezeichnungen:
B6-Schaltung,Drehstrombrücke
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15
Sechspuls-Brückenschaltung (b)
5. Anwendungen von Dioden
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16
Sechspuls-Brückenschaltung (c)
5. Anwendungen von Dioden
Scheitelwert dergleichgerichtetenSpannung
Zeitl. Mittelwert der gleichgerich-teten Spannung
Maximale Sperr-spannung an den Dioden
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17
Beispiel: KFZ-Drehstromgenerator
5. Anwendungen von Dioden
U
G
15
30
D+Erreger-dioden
Drehstrom-wicklung D+
+
–
D–D–
Spannungs-regler
Plus-Dioden
Minus-Dioden
Erreger-wicklungB–
–31
B+
zu den Verbrauchern+
DF
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18
Übungsaufgabe 5.1
5. Anwendungen von Dioden
Die Ausgangsspannung einer B2-Schaltung versorgt einen Last-widerstand RA = 50 Ω und wird mit Hilfe eines Kondensators C geglättet. Die Wechselspannung am Eingang des Gleichrichters hat eine Frequenz von 50 Hz. Sie wird von einem Transformator gelie-fert, der Innenwiderstand des Trafos kann vernachlässigt werden. An den Dioden fällt eine Durchlassspannung von 0,75 V ab.
i) Der Widerstand soll eine mittlere Leistung von P = 5 W auf-nehmen. Wie groß muss der Kondensator C sein, damit die Spannung am Widerstand um maximal ±0,1 V schwankt?
ii) Welchen Effektivwert muss der Trafo liefern, damit sich am Widerstand eine mittlere Gleichspannung von 5 V einstellt?
iii) Welche Sperrspannung müssen die Dioden aushalten können?
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Übungsaufgabe 5.1, Simulation zu (i)
5. Anwendungen von Dioden
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20
Übungsaufgabe 5.1, Simulation zu (ii)
5. Anwendungen von Dioden
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Übungsaufgabe 5.2 (a)
5. Anwendungen von Dioden
90° 180° 270° 360° ωt
uA / V
Eine Gleichrichterschaltung für Netzspannung mit f = 50 Hz ist als einpulsige Mittelpunktschaltung (M1) mit Lastwiderstand RA und Glättungskondensator C ausgeführt. Auf dem Oszilloskop zeigt sich der folgende Verlauf der Ausgangsspannung:
5045
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22
Übungsaufgabe 5.2 (b)
5. Anwendungen von Dioden
i) Bestimmen Sie aus dem Diagramm den Stromflusswinkel Θ, die Stromflusszeit tS sowie den Mittelwert der gleichgerichteten Spannung am Lastwiderstand RA.
ii) Welche Ladung ΔQ wird dem Glättungskondensator C = 1000 µF während der Stromflussphase zugeführt?
iii) Bestimmen Sie die Zeitkonstante τ des RC-Gliedes und die Größe des Lastwiderstands RA.
iv) Berechnen Sie den mittleren Strom IA durch den Widerstand RA.
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235. Anwendungen von Dioden
5.2. Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
UAK
IDKennlinie der Z-Diode BZX84C6V2L,max. Verlustleistung: 225 mW
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24
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (a)
5. Anwendungen von Dioden
Idealisierte, linearisierteKennlinie einer Z-Diode
ID
UAK
-UZ0
+
–
Lineares Ersatzschaltbild im Durchbruchbereich
Durchlass-bereich
Diode sperrt
Durch-bruch
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25
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (b)
5. Anwendungen von Dioden
RAUA
RV
UE
IZ
RAUA
RV
UE
IE IZ IA
rZ
UZ0
Spannungsstabilisierungsschaltung Lineares Ersatzschaltbild
Die Abbildung zeigt eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung miteiner Z-Diode. Trotz schwankender Versorgungsspannung UE und wechselnder Last RA wird die Spannung UA stabil gehalten.
IA
IE
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26
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (c)
5. Anwendungen von Dioden
Schwankt die Eingangsspannung im Bereich UE,min < UE < UE,maxund bewegt sich der Ausgangsstrom (Laststrom zum Verbraucher) im Bereich IA,min < IA < IA,max, ergeben sich folgende Grenzen für RV:
• Der größte zulässige Strom durch die Z-Diode (IZ,max) wirddurch die max. Verlustleistung der Diode bestimmt.
• Für IZ,min gilt näherungsweise: IZ,min ≈ 0,1 · IZ,max
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27
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (d)
5. Anwendungen von Dioden
Die Qualität der Spannungsstabilisierung wird durch den Glättungsfaktor G beschrieben:
Den besten Glättungsfaktor erhält man, wenn man den Vor-widerstand RV unter Berücksichtigung der (auf der vorherigenFolie angegebenen) möglichen Grenzen möglichst groß macht.
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28
Übungsaufgabe 5.3 (a) WS 2006/07 – FA, A2
5. Anwendungen von Dioden
Gegeben ist die nachfolgende Stabilisierungsschaltung mit einem Vorwiderstand RV und einer Z-Diode (UZ0 = 5 V, rZ = 5 Ω).
a) Tragen Sie die linearisierte Kennlinie der Z-Diode in das Diagramm ein.
RA
UA
RV
UE
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29
Übungsaufgabe 5.3 (b)
5. Anwendungen von Dioden
b) Im folgenden Diagramm ist fürdie variierende Eingangsspan-nung uE(t) die dazugehörige Ausgangsspannung uA(t) gege-ben. Ermitteln Sie aus den Ver-läufen den Glättungsfaktor G.
c) Bestimmen Sie die Größe des verwendeten Vorwiderstands RV.
t / s
U / V
12
10
8
6
4
2
5 10 15
uE(t)
uA(t)
d) Tragen Sie die Arbeitsgeraden für UE = 5 V und UE = 10 V jeweils in das U-I-Diagramm von Aufgabenteil (a) ein.
Die Schaltung wird in den Aufgabenteilen (b) bis (d) zunächst ohne Lastwiderstand RA betrieben!
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30
Übungsaufgabe 5.3 (c)
5. Anwendungen von Dioden
Nun wird die Schaltung mit einem Vorwiderstand RV = 20 Ω und einem Lastwiderstand RA = 20 Ω betrieben. Lösen Sie die folgenden Unterpunkte ohne Verwendung von Näherungen.
e) Wie groß ist die Eingangsspannung UE, wenn die Ausgangs-spannung UA = 6 V beträgt?
f) Zeichnen Sie für den angegebenen Verlaufvon uE(t) die Ausgangs-spannung uA(t) ein.uE(t)
t / s
U / V
1816141210
8642
5