Файл: Методичка по электронике для аудитории.docx

Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы

Упражнение 1. Эффект р-п перехода в диодах.

1. Собрать стенд, в соответствии со схемой (рис. 1.5.а)

Рис. 1.5.а

2. К диоду при прямой полярности приложить напряжение постоянного тока U_пр.= 0 В. Измерить величину соответствующего тока I_пр.

3. Повторить измерения тока I_пр по п.2, устанавливая значения напряжения в диапазоне, результаты измерений занести в таблицу 1.1 (Табл. 1.1)

4. Изменить полярность диода в соответствии со схемой (рис. 1.5.б)

Рис. 1.5.б

5. Повторить измерения по п.3, устанавливая значения напряжения в диапазоне результаты измерений занести в таблицу 1.2 (Табл. 1.2)

   Uобр., В	0,0	5	10	158	20	25	30
   Iобр, мкА

6. По результатам измерений по пп. 3, 4 построить ВАХ выпрямительного диода.

7. По ВАХ определить в соответствии с (1.3) дифференциальное сопротивление диода.

8. По ВАХ определить в соответствии с (1.4) статическое сопротивление диода.

Упражнение 2. Диоды с переменной емкостью.

1. Собрать стенд в соответствии со схемой (рис. 1.6.)

Рис. 1.6.

2. Приложить к входу 0 цепи синусоидальное напряжение амплитудой U₀=10 В. Частоту переменного напряжения установить 10 кГц.

3. Приложить к входу 2 постоянное напряжение 2 В. Изменяя частоту напряжения U₀ (амплитуда U₀ поддерживается постоянной и равной 10 В) в диапазоне 10-20 кГц определить, по результатам регистрации U₁ между концами параллельной цепочки, резонансную частоту⁹.

4. Повторить измерения по п. 3, устанавливая постоянное напряжение в диапазоне 2-30 В, результаты измерений занести в таблицу 1.3

(Табл. 1.3)

5. В соответствии с табл. 1.3 построить график зависимости резонансной частоты от обратного напряжения.

6. Определить емкость варикапа, полагая из (1.6) что . Результаты вычислений занесите в табл. 1.3.

7. Построить график зависимости емкости варикапа от обратного напряжения.

8. Определить по формуле (1.5) коэффициент перекрытия по емкости.

Контрольные вопросы.

1. Какие свойства p-n перехода нашли применение в электронике?

2. Как определяют дифференциальное и статическое сопротивление полупроводниковых приборов?

3. В чем заключается принцип действия диода?

4. В чем заключается принцип действия варикапа?

Лабораторная работа № 2.

Полупроводниковые выпрямители

Цель работы: Изучить принцип действия и исследовать характеристики полупроводникового выпрямителя.

Теоретическое введение

Выпрямитель – устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Основными параметрами выпрямителя являются:

• Среднее значение выходного напряжения , гдеТ – период следования импульсов; u_вых – мгновенное значение выпрямленного напряжения, t – время.

• Среднее значение выходного тока , гдеi_вых – мгновенное значение выпрямленного тока.

• Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения , гдеU_mi – амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения (амплитуда основной гармоники), U_ном – номинальный уровень напряжения.

• Внешняя характеристика выпрямителя (рис. 2.1) – зависимость среднего значения выходного напряжения на нагрузке от среднего значения выходного тока (тока нагрузки).

Рис. 2.1. Внешняя характеристика выпрямителя.

Здесь Е_ср – напряжение при токе нагрузки равном нулю (ЭДС выпрямителя), ∆Uср=Iср(R_и.+R) – падение напряжения от протекания тока нагрузки по активным сопротивлениям источника питания R_и. и выпрямительных диодов в открытом состоянии R.

К основным величинам, характеризующим эксплуатационные свойства выпрямителей, принято так же относить КПД, коэффициент мощности (отношение активной мощности к полной) и регулировочная характеристика, т.е. зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования, для управляемых выпрямителей (с регулируемым выпрямленным напряжением)

Классификация выпрямителей может выполняться по различным признакам:

- по форме выпрямленного напряжения (однополупериодные и двухполупериодные);

- по числу фаз силовой сети (однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные);

- по мощности (маломощные – до 100 Вт, средней мощности – до 5 кВт, мощные – свыше 5 кВт);

- по напряжению (низкого – до 250 В, среднего – до 1 кВ, высокого – свыше 1 кВ);

- по частоте выпрямляемого тока (промышленной частоты – 50 Гц, повышенной – от 400 до 1000 Гц, высокой – свыше 1 кГц).

Рассмотрим работу однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 2.2,а), нагруженного на активное сопротивление R_н. Будем считать, что входное напряжение изменяется по гармоническому закону u_вх=U_msinωt. Тогда в интервале времени 0<t<T/2 диод VD открыт, ток через нагрузку и падение напряжение на нагрузке повторяют форму входного сигнала. На интервале T/2<t<T диод VD закрыт, ток через нагрузку не течет и напряжение на нагрузке равно нулю (рис. 2.2,б).

Рис. 2.2 Схема однофазного однополупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).

Из диаграмм работы (рис. 2.2,б) видно, что выпрямленный ток в нагрузочном резисторе будет создавать падение напряжения только для нечетных полупериодов. Тогда, среднее значение напряжения¹⁰составит:

(2.1)

Аналогично среднее значение тока текущего через резистор I_ср≈0,31I_m.

Мгновенное значение напряжения на нагрузке (см. рис. 2.2,б) удобно представить в виде ряда Фурье.

где U₀ – постоянная составляющая выпрямленного напряжения. Тогда, коэффициент пульсаций для рассматриваемого случая равен .

Как видно из диаграммы (см. рис. 2.2, б), максимальное значение обратного напряжения на выпрямительном диоде равно U_обр=U_m. Поэтому с учетом (2.1), при выборе диода для его использования по схеме однофазного однополупериодного выпрямителя обратное напряжение равно

(2.2)

Среднее значение тока, в этом случае равно выпрямленному току.

Как правило, в состав схемы выпрямления включается трансформатор. При его выборе следует учитывать, что расчетная мощность трансформатора зависит не только от мощности постоянного тока P₀=U_срI_ср, но и от применяемой схемы выпрямления. При использовании однополупериодных схем выпрямления по вторичной обмотке трансформатора протекает постоянная составляющая тока, оказывающая намагничивающее/размагничивающее действие, что вызывает увеличение тока, текущего через первичную обмотку. С учетом вышеизложенного, для рассматриваемой схемы выпрямителя, расчетная мощность трансформатора Р_тр≈(3,2…3,5)Р₀. Тогда, коэффициент использования обмоток трансформатора

К_тр=Р₀/Р_тр≈0,3

Видно, что однополупериодное выпрямление имеет существенные недостатки, а именно: большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения; большое обратное напряжение на выпрямительном диоде, плохое использование обмоток трансформатора и намагничивание его сердечника постоянной составляющей выпрямленного тока. Поэтому, несмотря на предельную простоту схемы, она редко применяется на практике.

Параметры выходного напряжения можно существенно улучшить, если выходной ток будет протекать в оба полупериода действия выходного напряжения. Один из вариантов реализации этой идеи заключается в использовании однофазного двухполупериодного выпрямителя. Рассмотрим его работу на примере мостового выпрямителя (рис. 2.3.).

Рис. 2.3 Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).

Будем считать, что входное напряжение изменяется по гармоническому закону u_вх=U_msinωt. Тогда в интервале времени 0<t<T/2 диоды VD2, VD3 открыты, ток i₁ течет через нагрузку по цепи VD2, R_н, VD3. На интервале T/2<t<T диоды VD2, VD3 закрыты, и через нагрузку течет ток i₂ по цепи VD4, R_н, VD1. Таким образом, ток через нагрузку i_н= i₁₊ i₂ протекает в оба полупериода в одном и том же направлении. Следовательно, на основании (2.1) запишем

(2.3)

Аналогично I_ср≈0,62I_m, соответственно коэффициент пульсаций уменьшается ε=0,67. При этом, так как каждое плечо моста содержит два последовательно соединенных диода VD2, VD3 или VD1, VD4, то обратное напряжение, на действующее на каждый диод, вдвое меньше. Кроме того, в схеме двухполупериодного выпрямления ток i_вх протекает в течение обоих полупериодов и является гармоническим, поэтому дополнительное намагничивание сердечника отсутствует, поэтому коэффициент использования обмоток трансформатора возрастает К_тр≈0,67.

Рассмотрим, как изменится работа выпрямителя после включения сглаживающего фильтра (рис. 2.4).

Рис. 2.4 Схема выпрямителя содержащего емкостной фильтр (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б).