Ein widersprüchliches Ergebnis in der Dioden- und Kondensatorschaltung

Betrachten Sie folgende Schaltung:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Die Frage ist die Bestimmung der Ausgangsspannung. D1 ist eine ideale Diode mit einer Schwellenspannung von Null.

Wenn der Eingang von Null auf die Spitzenspannung geht, ist die Diode sicherlich ausgeschaltet, aber das Problem tritt nach dieser Zeit auf. Sowohl Ein- als auch Aus-Annahmen für die Diode sind gültig, wenn

T / 4 T T / 2
Wenn wir davon ausgehen, dass die Diode ausgeschaltet ist
v D = 0 v Ö u T = v 1 < 0
Weil
T / 4 T T / 2 0 v 1 v P e A k
Auf der anderen Seite davon auszugehen, dass die Diode eingeschaltet ist, führt zu
ich D = C 1 v 1 ' > 0 v 1 ' < 0
was stimmt, weil
v 1 ' = v P ω cos ω T         A N D       T / 4 T T / 2
Was ist hier mein Fehler? Laut meinem Buch ist die Diode während des gesamten positiven Halbzyklus ausgeschaltet, aber ich weiß nicht, was das Problem mit dem eingeschalteten Zustand ist.

@DKNguyen i_D ist der Diodenstrom, der von der Anode zur Kathode fließt.
Ich spreche von der Passivzeichenkonvention in Ihrer zweiten Gleichung. Warum ist Vd=-Vout? Ich weiß auch nicht, was CV in Ihrer 4. Gleichung sein soll. Lebenslauf bedeutet nichts. Caps sind keine Widerstände.
@DKNguyen
v D = v + v = 0 v Ö u T
@DKNguyen behoben, sorry dafür.
Was sollen V+ und V- sein?
@DKNguyen Sie sind die Anode und Kathode der Diode D1.
C1V1 ist nicht das, was die Kondensatorgleichung ist. i=C(dv/dt) für einen Kondensator
@DKNguyen Du meinst
ich D = C 1 × D v 1 D T
ist falsch?
Oh, Sie verwenden ', um Ableitung zu meinen.
@DKNguyen Ja, das stimmt.
Welche Polarität / Richtung definieren Sie als positive Vd und positive Id?
@DKNguyen Ich habe die Richtung von Id und hinzugefügt
v D = v + v
.
@DKNguyen Im ersten habe ich angenommen, dass die Diode ausgeschaltet ist, und dann bewiesen, dass Vd <0 ist.
festhalten. Ich vermasselte
Was ist die angenommene Polarität der C1-Spannung? +- oder -+?
Zeichnen Sie die angenommene Spannungspolarität von C1, wie Sie es bitte mit D1 getan haben
@DKNguyen Ich habe das hinzugefügt.
Danke schön. Zumindest ein Teil des Problems besteht darin, dass Sie eine Spannungspolarität annehmen, die Ihrem angenommenen Stromfluss entgegengesetzt ist. Nehmen Sie ALLE unbekannten Polaritäten des Spannungsabfalls an, als wären sie Lasten oder Quellen. Nicht vermischen. In Ihrem Fall gehen Sie davon aus, dass D1 eine Last war, aber C1 eine Quelle war. Ich suche noch nach einem anderen Problem...
@DKNguyen Ich glaube nicht, dass es die Antwort ändert. Wenn Sie das versuchen, wird Ihre Antwort gleich sein und
v 1 ' < 0
Hmmm, ich verstehe dein Rätsel. Ich muss nachdenken. Nach KVL haben Sie 0=Vd-int(i/C)+V1, also d/dt alles, damit Sie i isolieren können. Sind Sie in diesem Schritt auf d(Vd1)/dt = 0 gegangen? Vd1 ist keine Konstante, also können Sie das nicht tun. Es ist nur null, wenn es in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Wenn es in Sperrrichtung vorgespannt ist, ist es ungleich Null, sodass Sie nicht einfach d (Vd1) / dt = 0 sagen können, da sich Vd1 mit der Zeit ändert, wenn V1 über und unter 0 V schwingt.
"Wenn wir davon ausgehen, dass die Diode ausgeschaltet ist, dann ..." - Warum sollte es nicht so sein? Die Diode war ausgeschaltet, so dass der Kondensator keine Ladung erhielt und die Spannung auf beiden Seiten gleich ist, daher bleibt die Diode ausgeschaltet. Nichts ändert sich, bis V1 negativ wird , wenn die Diode einschaltet und den Kondensator auflädt.
@BruceAbbott Zum Lösen von Diodenschaltungen nehmen wir immer einen Zustand für Dioden an und fahren fort. Ich nahm an, dass die Diode eingeschaltet ist und schließe
v 1 ' < 0
und weil dies eine wahre Aussage ist, ist die Annahme wahr. Das Problem ist, dass keine der Ein- oder Aus-Annahmen uns zu einem Widerspruch führt.
Warum haben Sie die Cap-Polarität umgekehrt? Mach es aus!! Repariere es.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Ich denke, die Polarität ist willkürlich. An der Antwort ändert es nichts.
Es zeigt ein Problem in Ihrem Verständnis, außerdem könnten sich echte Kappen lautstark beschweren.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Okay, aber könnten Sie bitte sagen, was an dieser Schaltung falsch ist, wenn die Diode eingeschaltet ist? Was ist der Widerspruch, wenn wir davon ausgehen, dass die Diode eingeschaltet ist (ich meine, wie KVL widersprochen wird)?
Ihr Ausdruck der Analyse ist unvollständig und fehlerhaft. Setzen Sie einfach Ic= CdV(t) wenn Vin(t) > Vc(t) mit richtiger Polarität.
Warum denken Sie, dass V′1=Vpωcosωt <0 für T/4≤t≤T/2 ? Ist Kosinus nicht +ve in diesem Intervall?
@user215805 Beachten Sie, dass cos(2pi*(1/T)*(T/4)) = cos(pi/2) = 0 und cos(2pi*(1/T)*(T/2)) = cos(pi ) = -1.
Oh, tut mir leid, mein Fehler!

Antworten (6)

Ich denke, das Problem hier ist Ihre On-State-Annahme, weil sie sich selbst widerspricht

Siehe nach folgender Aussage:

ich D = C 1 v 1 ' > 0

Das wird vermutet ich D = C 1 v 1 ' , was bedeutet, dass der Strom vom Kathodenende zum Anodenende der Diode fließt. Einfach gesagt, die ich D Pfeil in Ihrer Zeichnung ist umgedreht. Diese Annahme an sich ist in Ordnung. Dies bedeutet, dass der berechnete Strom eine entgegengesetzte Richtung haben wird.

Das Problem beginnt jedoch mit dem zweiten Teil Ihrer Annahme, dh ich D > 0 : Dies widerspricht der Annahme, die Sie gerade gemacht haben (negativ ich D ). Sie können nicht beide Annahmen gleichzeitig haben, weil sie sich einfach widersprechen.

Die richtige Annahme in diesem Fall wäre

ich D = C 1 v 1 ' < 0 v 1 ' > 0

ODER wenn Sie das umdrehen ich D Pfeil, hättest du

ich D = C 1 v 1 ' > 0 v 1 ' > 0

das ist das gleiche. Betrachtet man die Ableitung der Spannung am Kondensator:

v 1 ' = v P ω cos ( ω T )

Wählt man wenige Zeitpunkte aus, ergibt sich eine Häufigkeit von 100 H z Und C 1 = 1 μ F (unter Berücksichtigung der ursprünglichen Pfeilrichtung) ergibt:

ich D ( T = T / 4 ) = C 1 v P ω cos ( ω T ) = 1 μ F 1 v 2 π 100 H z cos ( π 2 ) = 0 A

ich D ( T = 3 T / 8 ) = 444 μ A

ich D ( T = T / 2 ) = 628 μ A

Dies kann per Simulation überprüft werden

Simulation der Durchlassannahme (Diode ohne Durchlassspannung und vernachlässigbarer Sperrwiderstand – sonst könnte kein Strom fließen):

Wie Sie der Wellenform entnehmen können, stimmen die aktuellen Werte mit den berechneten überein. In diesem Fall fließt der Strom tatsächlich von der Kathode zur Anode, sodass die Annahme richtig ist.

Schaltkreis

Wellenform

Warum sagst du das ich D = C 1 v 1 ' , bedeutet, dass der Strom vom Kathodenende zum Anodenende der Diode fließt?
Wenn Sie eine Schaltung mit KCL analysieren, müssen Sie eine Richtung für den Strom auswählen. In Ihrem Fall zeigt der Pfeil nach oben, was bedeutet, dass der Strom von der Kathode zur Anodenseite der Diode fließt.
Ja, das ist richtig. Wir wählen eine Richtung für den Strom, aber er kann positiv oder negativ sein. Hier nehmen wir an, dass die Diode eingeschaltet ist, und wählen dann eine Richtung für iD (dies bedeutet nicht unbedingt, dass iD > 0 ist). Verwenden von KVL
ich D = C 1 v 1 '
Damit die Diode eingeschaltet ist, bedeutet dies
ich D > 0
So
v 1 ' < 0
.
Das ist widersprüchlich. Das kann man nicht gleichzeitig sagen ich D = C 1 v 1 ' Und ich D > 0 . In der ersten Annahme sagen Sie, dass der Strom von der Kathode zur Anode fließt, was bedeutet, dass er negativ sein wird. Und in Ihrer zweiten Annahme gehen Sie davon aus, dass es von der Anode zur Kathode (positiv) fließt. Positiv und negativ beziehen sich auf die Richtung der ich D Pfeil
Nachdem wir eine Richtung für iD ausgewählt und KVL angewendet hatten, erhielten wir diese Gleichung. Für iD wurden keine weiteren Annahmen getroffen.
Indirekt wird eine zweite Annahme gemacht. Durch die Erwähnung, dass während T / 4 T T / 2 die jetzige ich D > 0 , wird impliziert, dass der Strom während dieses Intervalls von der Anode zur Kathode fließt (positiver Strom).

Die Dioden-Ein/Aus-Versuchsmethode funktioniert möglicherweise nicht immer, wenn sich ein Kondensator in der Schaltung befindet, sie könnte für einen Teil jedes Zyklus leiten. Aber gehen wir erstmal davon aus, dass es funktioniert.

Lösen Sie zuerst nur für den stationären Zustand auf, machen Sie sich keine Sorgen über den Start. Im stationären Zustand muss die Diode ausgeschaltet sein, sonst würde sich der Kondensator bis ins Unendliche aufladen (es gibt keinen anderen Weg für den Diodenstrom).

Als nächstes erkennen Sie, dass die Kappe ein Hochpassfilter ist. Da kein Widerstand (unendlich groß) vorhanden ist, ist die Grenzfrequenz unendlich niedrig und lässt alles außer Gleichstrom durch.

Im stationären Zustand (zuvor geschlossen) fließt kein Strom in der Diode, aber die Diode lässt die Ausgangsspannung auch nicht unter Null fallen.

Hochpassfilter, Spannung nie unter Null: Schluss: Sinus, mit Sinusunterkante bei Null.

Wenn Sie wissen müssen, was in den ersten Zyklen passiert, müssen Sie stückweise analysieren.

Für 0 ≤ t ≤ T/2 ist die Diode ausgeschaltet.

Für T/2 ≤ t ≤ 3T/4 ist die Diode eingeschaltet, die Kappe lädt sich auf Vpeak auf.

Für 3T/4 ≤ t ist die Diode ausgeschaltet.

Hier ist die Antwort mit dem Simulator:

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich habe die Diodenparameter geändert, um sie nahezu perfekt zu machen. Sie können sehen, was ich in dieser Antwort getan habe. Einfache Schaltungsübertragungsfunktion und Ausgangsgraph

Danke für deine Antwort. Könnten Sie bitte erwähnen, was mein Fehler in der obigen Analyse ist?
Die Ableitung des Sinus (cos) ist nur gültig, wenn die Spannung über der Kappe ein Sinus ist. Es wird nicht sein, bis die Schaltung einen stationären Zustand erreicht hat.
Wenn wir davon ausgehen, dass die Diode eingeschaltet ist, ist die Spannung über der Kappe ein Sinus.
Neben dem stationären Problem ist der Kosinus von T / 4 bis T / 2 negativ, sodass kein Strom durch die Diode fließen kann.
Ja, es ist negativ, also i_D>0, weil
ich D = C 1 v 1 ' > 0
OK, vergiss meinen letzten Kommentar ( ... Spannung über der Kappe ist ein Sinus), ich hatte das Vorzeichen falsch. Sie müssen die Vorerkrankungen berücksichtigen. Die Diode war von T = 0 bis T = T/4 nicht leitend, daher wurde die Kappe nie geladen. Wenn also die Vin-Steigung negativ wird, Vin immer noch positiv ist und Vout ebenfalls positiv ist, kann bis T/2 kein Strom fließen.
Wenn wir davon ausgehen, dass die Diode ausgeschaltet ist, ist Vd <0, wie Sie gesagt haben, und dies ist der Fall. Das Problem besteht jedoch darin, dass wir, wenn wir davon ausgehen, dass die Diode eingeschaltet ist, auf dV1 / dt <0 schließen, und dies gilt auch für T / 4 < t < T/2.

Wenn Sie die Diodenzustände annehmen, müssen Sie sicherstellen, dass es keine Widersprüche in der resultierenden Schaltungskonfiguration gibt. Wenn man sich nur die IV-Eigenschaften der Diode ansieht, scheint es, als wäre der EIN-Zustand möglich, aber die resultierende Schaltung folgt nicht KVL.
Für die von Ihnen angenommene Stromrichtung beträgt der Spannungsabfall über der Schleife v 1 v C > 0 , seit v C < 0 .
Mit dem AUS-Zustand sind keine Widersprüche verbunden, und daher ist es der richtige Zustand.
BEARBEITEN
Das Schaltbild auf der linken Seite zeigt Ihnen die ursprüngliche Schaltung, die in die rechte Schaltung umgewandelt wird, wenn angenommen wird, dass die Diode eingeschaltet ist. Damit die Diode eingeschaltet ist, muss der Strom in die angegebene Richtung fließen. Dies impliziert die mit dem Knoten verbundene Kondensatorplatte v Ö u T wird durch den Strom positiv aufgeladen. Folglich der Spannungsabfall über dem Kondensator v C , wie unten angegeben, positiv sein (ich habe die Polarität von umgekehrt). v C von dem, was Sie angegeben haben). Wenden Sie jetzt KVL in den A - B - v Ö u T - D-Schleife:

0 + v S + v C + v D = 0 v S + v C = 0
. Dies ist ein Widerspruch, da beides v S Und v C sind positiv, wie zuvor erläutert.
Aber noch bevor Sie diese Gleichungen lösen, können Sie sehen, dass, wenn Sie die Schaltung auf der rechten Seite haben, der Strom von der Spannungsquelle zur Erde fließt und nicht umgekehrt, was Sie angegeben haben. Da die Diode einen solchen Strom nicht zulässt, wird sie ausgeschaltet.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Warum folgt der ON-Zustand nicht der KVL? Hier ist das Hauptproblem.
Wie ich in der Antwort erklärt habe, wird der Kondensator mit der entgegengesetzten Polarität geladen, was Sie in der Abbildung darstellen. Die Potentiale der Spannungsquelle und des Kondensators summieren sich und ergeben einen Potentialabfall ungleich Null über der Schleife, da die Diode kurzgeschlossen ist. Das ist der Widerspruch.
Ich denke, der Grund ist Vc (0 +) = Vc (0-) = 0. Ist dies dieselbe wie Ihre Antwort?
Nein ... hoffentlich hilft die Bearbeitung

Es ist ganz einfach: Die Annahme, dass die Diode im Vorwärtsmodus ist, ist falsch.

Wenn der Eingang von Null auf die Spitzenspannung geht, ist die Diode sicherlich ausgeschaltet

Richtig. Es fließt kein Strom durch den Kondensator und die Diode.
Deshalb v Ö u T ( T ) = v 1 ( T ) für 0 T T / 4 .

Sowohl Ein- als auch Aus-Annahmen für die Diode sind gültig, wenn

T / 4 T T / 2

Diese Aussage ist falsch. Wie wir oben gesehen haben, at T = T / 4 gilt: v Ö u T = v 1 ( T / 4 ) = v P e A k .
Deshalb v D = 0 v P e A k , so ist es, oder besser, es bleibt umgekehrt voreingenommen.
Mit anderen Worten, nur "die Aus-Annahme für die Diode" ist wahr.

Beachten Sie, dass

ich D = C D ( v 1 ( T ) v Ö u T ( T ) ) D T = 0 C 1 v 1 '


Beachten Sie, wann v Ö u T ( T / 4 ) = 0 wahr wären, dann ist der Rest Ihrer Ausarbeitung wahr (ich habe einen Teil eingefügt):

ich D = C D ( v 1 ( T ) v Ö u T ( T ) ) D T = C 1 v 1 ' > 0 v 1 ' < 0
was stimmt, weil
v 1 ' = v P ω cos ω T         A N D       T / 4 T T / 2

Ihr Problem ist, dass Sie in einigen unangemessenen Fällen V1 als Spannung über der Kappe verwendet haben. Tatsächlich ist es nicht V1, sondern V1-Vout

Entschuldigung, aber ich konnte Ihre Antwort nicht verstehen. Könnten Sie bitte näher darauf eingehen?

Vout ist eine Sinuswelle, deren negativ verlaufende Täler bei 0 V und ihre positiv verlaufenden Spitzen bei 2 * Wurzel 2 * V1 liegen, wobei V1 der RMS-Wert der Spannungsquelle ist.

Die Zeichen +ve und -ve auf der Kappe sind falsch herum.