Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника»




Скачать 177.18 Kb.
НазваниеОтчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника»
Дата публикации04.06.2013
Размер177.18 Kb.
ТипОтчет
litcey.ru > Бухгалтерия > Отчет
Федеральное агентство по образованию

Национальный исследовательский университет ресурсоэффективных технологий

^ «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДНЫХ СХЕМ

Отчет по лабораторной работе №2

по курсу «Электроника»

Выполнила:

студентка группы 8в83

Мин И.В.
Проверил:

доцент каф. КИСМ

Заревич А.И.

Томск 2010

Цель работы:

  • Овладеть методикой снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных элементов;

  • Освоить расчет основных параметров диодов, характеризующих их как нелинейные элементы;

  • Получить практические навыки исследования схем лабораторной работы.


Задачи работы:

  • Подготовиться к лабораторной работе, т.е. знать и понимать процессы, происходящие в исследуемых схемах;

  • Проработать разделы порядка выполнения работы, отвечая по каждому пункту на вопросы: как его реально выполнить? Что должно быть получено в результате его выполнения (прогнозируемый результат)?;

  • Ответить на контрольные вопросы методических указаний;

  • Качественно обработать полученные экспериментальные данные, подготовить и защитить отчет.


Ход работы:

  1. Исследование схем однополупериодного выпрямителя.

    1. Снятие ВАХ диодов: VD1 – кремниевого точечного диода, VD3 – кремниевого стабилитрона.


Рисунок . Схема эксперимента для снятия ВАХ диодов
Рис. ВАХ кремниевого точечного диода (прямая ветвь)
Рис. ВАХ кремниевого точечного диода (обратная ветвь)
Рис. ВАХ кремниевого стабилитрона (прямая ветвь)
Рис. ВАХ кремниевого стабилитрона (обратная ветвь)

Поскольку точечные диоды имеют малую площадь p-n-перехода, они используются для выпрямления малых токов (Рис. 1). При обратном смещении диод VD1 практически не проводит ток (Рис. 2). По сравнению с обычными диодами стабилитроны (в нашем случае VD3) имеют достаточно низкое напряжение пробоя (Рис. 4). При этом при незначительных изменениях напряжения при обратном смещении в области лавинного пробоя наблюдается широкий диапазон изменения тока. Электрический пробой возникает при небольших значениях обратного напряжения вследствие содержания в материалах, используемых для изготовления p-n переходов стабилитрона, высокой концентрации примесей.


    1. Исследование однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку.


Рис. Однополупериодный выпрямитель, работающий на активную нагрузку

  • Устанавливаем на генераторе амплитуду гармонического сигнала E~ = Uвх~ = 2,5 В и частоту f = 1кГц:


Рис. Показания функционального генератора: Uвх~ = 2,5 В, f = 1кГц

  • Пронаблюдаем на осциллографе временные диаграммы выходного напряжения (CHA+) и тока диода (CHB+) выпрямителя и измерим с помощью курсоров амплитуды сигналов:


Рис. Показания осциллографа при частоте 1 кГц. Измерение амплитуды (VD1)

Амплитуда выходного напряжения:

Umвых = 1,522 В


  • Определим период входного напряжения по показаниям осциллографа:


Рис. Показания осциллографа при частоте 1 кГц. Измерение периода входного напряжения (VD1)

Т = 1 мс


  • Определим угол отсечки тока Θ:


Рис. Показания осциллографа при частоте 1 кГц. Определение угла отсечки тока (VD1)

Рассчитаем угол отсечки по формуле: Θ = (ω*dT)/2 или для расчёта в градусах и обычной частоты: Θ = 180*f*dT

Θ = 180*997,674*446*10-6 = 80o


    1. Заменим кремниевый точечный диод в схеме (VD1) на диод Шоттки VD2 и проделаем то же самое.




  • Измерим амплитуду:


Рис. Показания осциллографа при частоте 1 кГц. Измерение амплитуды (VD2)

Амплитуда выходного напряжения:

Umвых = 1,878 В


  • Определим период входного напряжения:


Рис. Показания осциллографа при частоте 1 кГц. Измерение периода входного напряжения (VD2)

Т = 997,50 мкс


  • Найдем угол отсечки тока:


Рис. Показания осциллографа при частоте 1 кГц. Определение угла отсечки тока (VD2)

Θ = 180*1,001*517,50*10-3 = 93o


    1. Повысим частоту с помощью функционального генератора до

10 кГц:
Рис. Показания функционального генератора: Uвх~ = 2,5 В, f = 10 кГц

Для точечного кремниевого диода VD1:

  • Измеряем амплитуды сигналов:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение амплитуды (VD1)

Umвых = 1,494 В


  • Измеряем период:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение периода входного напряжения (VD1)

Т = 100 мкс


  • Находим угол отсечки:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Определение угла отсечки тока (VD1)

Θ = 180*46*10-2 = 83o
Для диода Шоттки VD2:

  • Измеряем амплитуды сигналов:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение амплитуды (VD2)

Umвых = 1,882 В


  • Измеряем период:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение периода входного напряжения (VD2)

Т = 100 мкс


  • Находим угол отсечки:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Определение угла отсечки тока (VD2)

Θ = 180*9,996*50*10-3 = 90o


    1. Увеличим частоту с помощью функционального генератора до

15 кГц:
Рис. Показания функционального генератора: Uвх~ = 2,5 В, f = 15 кГц

Для точечного кремниевого диода VD1:

  • Измеряем амплитуды сигналов:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение амплитуды (VD1)

Umвых = 1,497 В


  • Измеряем период:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение периода входного напряжения (VD1)

Т = 68 мкс


  • Находим угол отсечки:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Определение угла отсечки тока (VD1)

Θ = 180*20,462*30*10-3 = 110o
Для диода Шоттки VD2:

  • Измеряем амплитуды сигналов:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение амплитуды (VD2)

Umвых = 1,794 В


  • Измеряем период:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Измерение периода входного напряжения (VD2)

Т = 68 мкс


  • Находим угол отсечки:


Рис. Показания осциллографа при частоте 10 кГц. Определение угла отсечки тока (VD2)

Θ = 180*18,606*34*10-3 = 114o
Как видно из полученных графиков, при подключении выпрямителя к источнику переменного напряжения Uвх~ в течение положительных полупериодов переменного напряжения диод VD1 оказывается включенным в прямом направлении, сопротивление его становится очень небольшим и через нагрузку протекает ток, вызывающий на ней падение напряжения.

В течение отрицательных полупериодов диод включается в обратном направлении, его сопротивление становится очень большим, в результате чего ток, протекающий через диод и нагрузку, оказывается весьма малым. Таким образом, благодаря полупроводниковому диоду через нагрузку протекает пульсирующий ток.

Сравнивая показания осциллографа для обычного полупроводникового диода и диода Шоттки, мы видим, что амплитуда сигналов в схеме с диодом Шоттки больше, чем амплитуда в первой схеме. При этом во второй схеме угол отсечки увеличился (Рис. 12).

Увеличивая частоту гармонического напряжения с помощью генератора, мы наблюдали инерционные свойства диодов в схемах диодных выпрямителей. Эти свойства диодов обусловлены эффектом накопления и рассасывания неосновных носителей тока. Это в свою очередь приводит к образованию двух фаз изменения обратного тока, которые соответствуют высокой обратной проводимости и восстановлению обратного сопротивления. Инерционные свойства диодов, в чём мы убедились при выполнении данного пункта, проявляются с увеличением частоты и приводят к искажениям преобразовательной характеристики выпрямителя, ухудшают его вентильные свойства.

На практике схему однофазного выпрямителя, работающего на активную нагрузку, применяют редко, поскольку в ней создается сильно пульсирующий ток в нагрузке.


    1. Исследование схемы однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку:


Рис. Однофазный выпрямитель, работающий на активно-емкостную нагрузку

  • Установим с помощью функционального генератора частоту f=1 кГц и величину входного напряжения Uвх~ = 2,5 В:



Рис. Показания функционального генератора: Uвх~ = 2,5 В, f = 1 кГц

  • Пронаблюдаем временные диаграммы выходного напряжения (CHA+) и тока диода (CHB+) выпрямителя:


Рис. Временные диаграммы выходного напряжения и тока диода

  • Измерим амплитуду пульсаций:


Рис. Временные диаграммы выходного напряжения и тока диода при частоте 1 кГц. Измерение амплитуды пульсаций

Uп = 1,4900 – 0,0203 =1,4697 В

Найдем также коэффициент пульсаций, который определяется как отношение амплитуды пульсаций Uп к среднему значению выпрямленного напряжения:

К = 1,4697*2/(1,49+0,0203) = 1,95


  • Увеличим частоту гармонического напряжения с помощью функционального генератора до 10 кГц:


Рис. Показания функционального генератора: Uвх~ = 2,5 В, f = 10 кГц
Рис. Временные диаграммы выходного напряжения и тока диода при частоте 10 кГц. Измерение амплитуды пульсаций

Ап = 1,2800 – 0,5417 = 0,7383 В

K = 0,7383*2/(1,2800+0,5417) = 0,81


  • Увеличим частоту гармонического напряжения до 20 кГц:


Рис. Показания функционального генератора: Uвх~ = 2,5 В, f = 20 кГц
Рис. Временные диаграммы выходного напряжения и тока диода при частоте 20 кГц. Измерение амплитуды пульсаций

Ап = 1,17 – 0,7439 = 0,4261 В

К = 0,4261*2/(1,17+0,7429) = 0,45
Итак, мы видим, что с увеличением частоты гармонического напряжения амплитуда пульсаций уменьшается.


  • Заменим конденсатор С10 на конденсатор С2(10 мкФ) в схеме, представленной на рисунке 27, и найдем амплитуду пульсаций выходного напряжения для данной схемы:


Рис. Временные диаграммы выходного напряжения и тока диода при частоте 1 кГц. Измерение амплитуды пульсаций (С1)

Ап = 1,1000 – 0,9749 = 0,1251 В

К = 0,1251*2/(1,1000+0,9749) = 0,12
Таким образом, при одной и той же частоте (1 кГц) для двух разных конденсаторов (С10 и С2), ёмкостями 47 нФ и 10 мкФ соответственно, амплитуда пульсаций выходного напряжения значительно отличается. При большем значении ёмкости конденсатора (в нашем случае 10 мкФ) создаются меньшие пульсации. Это происходит из-за того, что конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, во время положительного полупериода входного напряжения заряжается до некоторого максимально напряжения. А в отрицательный полупериод конденсатор начинает разряжаться на нагрузку, благодаря чему ток протекает через неё в оба полупериода. По мере разрядки конденсатора напряжение на нем будет уменьшаться, а значит, и напряжение на нагрузке также будет уменьшаться. Следовательно, напряжение на нагрузке в схеме однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку, будет оставаться пульсирующим, но амплитуда пульсаций Uп будет меньше, чем при отсутствии конденсатора. И чем больше ёмкость конденсатора, тем больший заряд будет накоплен им в положительный полупериод, и тем дольше он будет разряжаться.


    1. Установим частоту f = 10 кГц и снимем зависимость Uвых = а(Uвх~), изменяя амплитуду входного напряжения генератора от 2,5 В до 1,1 В с шагом 0,2 В.


Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 1,1 В и частоте 10 кГц
Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 1,3 В и частоте 10 кГц
Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 1,5 В и частоте 10 кГц
Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 1,7 В и частоте 10 кГц
Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 1,9 В и частоте 10 кГц
Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 2,1 В и частоте 10 кГц
Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 2,3 В и частоте 10 кГц
Рис. Показания генератора и осциллографа при амплитуде входного напряжения 2,5 В и частоте 10 кГц

Uвх~

1,100 В

1,300 В

1,500 В

1,700 В

1,900 В

2,100 В

2,300 В

2,500 В

Uвых

0,196 В

0,289 В

0,361 В

0,450 В

0,520 В

0,603 В

0,695 В

0,740 В

К

0,767

0,782

0,769

0,788

0,750

0,755

0,779

0,822


С повышением амплитуды входного напряжения амплитуда пульсаций также возрастает. В тоже время коэффициент пульсаций практически не меняет своё значение.

Однополупериодный выпрямитель прост по конструкции, однако обладает наименьшим по сравнению с другими видами выпрямителей коэффициентом полезного действия (КПД) и повышенными пульсациями выпрямленного напряжения.


  1. Исследование работы схемы последовательного ограничителя

  • Собираем схему последовательного ограничителя (Рис. 44)


Рис. Схема последовательного диодного ограничителя

  • Устанавливаем амплитуду гармонического сигнала E~ = 2,5 В на частоте f = 1 кГц и значение напряжения Е1 источника SUPPLY+ равное 3 В.


Рис. Показания VPS при E1 = 3В и генератора при f = 1 кГц и E~ = 2,5 B
Рис. Показания осциллографа при E1 = 3 В

  • Устанавливаем значение подпирающего напряжения Е1 равное 2 В:


Рис. Показания осциллографа при E1 = 2 В


  • Уменьшим значение Е1 с помощью источника SUPPLY+ (Е1 = 1 В):


Рис. Показания осциллографа при E1 = 1 В

  • Уменьшим значение Е1 с помощью источника SUPPLY+ (Е1 = 0 В):


Рис. Показания осциллографа при E1 = 0 В

  • Уменьшим значение Е1 с помощью источника SUPPLY- (Е1 = -1 В):


Рис. Показания осциллографа при E1 = -1 В

Источник Е1 препятствует открыванию диода в положительный полупериод входного сигнала. Поскольку Е1 препятствует открыванию диода, то открывание его произойдет в момент времени, когда напряжение сигнала положительной полуволны начнёт превышать величину подпирающего напряжения. При этом к нагрузке будет приложена разность Евх~ и Е1. В результате на нагрузке будем иметь импульсы меньшей амплитуды и меньшей длительности. Причем, чем больше Е1, тем меньше амплитуда и длительность. При отрицательной полярности Е1, подпирающее напряжение будет способствовать открыванию диода. При этом к нагрузке будет приложена сумма Евх~ и Е1. Закрывание диода произойдет в момент, когда входное напряжение будет более отрицательно, чем Е1. На нагрузке будут импульсы большей амплитуды и длительности. Длительность будет больше полупериода. Чем больше величина отрицательного управляющего напряжения, тем больше амплитуда и длительность.


  1. ^ Исследование схемы параметрического стабилизатора.



Рис. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Измеряем коэффициент нестабильности выходного напряжения KL, считая что номинальное выходное напряжение имеет место при E1 = 10 В, а максимальное и минимальное значения фиксируются при Е1 = 12 В и Е1 = 8 В соответственно.

Коэффициент нестабильности выходного напряжения по сети:

,

где:

V0(hi-in) – выходное напряжение при высоком уровне входного.

V0(lo-in) – выходное напряжение при низком уровне входного.

V0(nom-in) – выходное напряжение при номинальном уровне входного.

  • Исследуем схему параметрического стабилизатора в режиме холостого хода:


Рис. Выходное напряжение при минимальном входном 8 В
Рис. Выходное напряжение при номинальном входном 10 В
Рис. Выходное напряжение при максимальном входном 12 В

V0(hi-in) = 11,960 В

V0(lo-in) = 7,990 В

V0(nom-in) = 9,976 В

КL = 39,8%

  • Подключим нагрузку R21 и найдем коэффициент нестабильности напряжения по сети:


Рис. Выходное напряжение при минимальном входном 8 В
Рис. Выходное напряжение при номинальном входном 10 В
Рис. Выходное напряжение при максимальном входном 12 В

V0(hi-in) = 9,810 В

V0(lo-in) = 6,554 В

V0(nom-in) = 8,183 В

КL = 39,8%

  • Проделаем предыдущий пункт, но вместо нагрузки R21, подключаем R23:


Рис. Выходное напряжение при минимальном входном 8 В
Рис. Выходное напряжение при номинальном входном 10 В
Рис. Выходное напряжение при максимальном входном 12 В

V0(hi-in) = 8,309 В

V0(lo-in) = 5,551 В

V0(nom-in) = 6,931 В

КL = 39,8%

  • Подключим стабилитрон и нагрузку R21:


Рис. Выходное напряжение при минимальном входном 8 В
Рис. Выходное напряжение при номинальном входном 10 В
Рис. Выходное напряжение при максимальном входном 12 В

V0(hi-in) = 5 В

V0(lo-in) = 4,793 В

V0(nom-in) = 4,930 В

КL = 4,2%

  • Повторим предыдущий пункт с нагрузкой R23:


Рис. Выходное напряжение при минимальном входном 8 В
Рис. Выходное напряжение при номинальном входном 10 В
Рис. Выходное напряжение при максимальном входном 12 В

V0(hi-in) = 4,967 В

V0(lo-in) = 4,654 В

V0(nom-in) = 4,869 В

КL = 6,4%
Итак, мы получили, что в схеме без стабилитрона коэффициент нестабильности равен 39,8%, а при подключении стабилитрона он уменьшается до 4,2 в схеме с сопротивлением R21 и 6,4 – R23. Параметрический стабилизатор, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон, позволяет стабилизировать напряжение в пределах заданной точности. Работа такого стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке ВАХ напряжение практически не изменяется. Соответственно, в данной схеме напряжение на нагрузке (R21 или R23) практически не меняется, а при изменении входного напряжения изменяется ток через стабилитрон и, следовательно, ток через балластный резистор R1, на котором и гасятся излишки входного напряжения. Однако эта потеря части напряжения на резисторе R1 приводит к снижению КПД стабилизатора. Преимуществом же параметрических стабилизаторов с использованием стабилитронов является простота исполнения и малое количество элементов.

Вывод:

В данной лабораторной работе мы исследовали 3 устройства: однополупериодный выпрямитель, последовательный ограничитель, а также параметрический стабилизатор. Однополупериодный выпрямитель, работающий на активную нагрузку, создает большие пульсации тока в нагрузке. Для того, чтобы уменьшить эти пульсации, параллельно нагрузке в схему подключается конденсатор. И чем больше ёмкость такого конденсатора, тем меньше будет амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения.

Схема последовательного ограничителя напряжения позволяет ограничивать сигнал выше или ниже заданного уровня. Вне области ограничения выходное напряжение повторяет форму входного сигнала.

Параметрический метод стабилизации напряжения представляет собой стабилизацию выпрямленного напряжения, путем использования нелинейных элементов, перераспределяя между компонентами схемы напряжения и токи, тем самым, стабилизируя напряжение. Напряжение, падающее на нелинейные элементы, не испытывает влияния от течения сквозь них тока. В качестве таких нелинейных элементов используются стабисторы и стабилитроны (в нашем случае стабилитрон). Помимо полупроводникового стабилитрона, в схему параметрического стабилизатора напряжения входит балластный резистор R1, который снимает ненужное напряжение и на некоторых участках цепи осуществляет выравнивание токов и напряжения. В процессе работы в стабилитроне и балластном резисторе происходит большая потеря мощности, таким образом, коэффициент полезного действия параметрических стабилизаторов довольно низкий. В связи с этим, параметрические стабилизаторы напряжения со стабилитроном используются при маломощных нагрузках.

Похожие:

Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconОтчет по лабораторной работе №2 «Исследование диодных схем» по дисциплине «Электроника»
Подготовиться к лабораторной работе, т е знать и понимать процессы, происходящие в исследуемых схемах
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconИсследование диодных схем Отчет о лабораторной работе №2 по курсу «Электроника»
Направление – Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconИсследование диодных схем Отчет о лабораторной работе №2 по курсу «Электроника»
Что должно быть получено в результате его выполнения (прогнозируемый результат)?
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconОтчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» Исполнитель
Цель работы: овладение методикой исследования частотных свойств усилительного каскада в программно-аппаратной среде ni elvis
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconОтчет по лабораторной работе №1 по курсу «Электроника» Исполнитель
Цель работы: получить первоначальные навыки выполнения лабораторных работ по аналоговой электронике в программно-аппаратной среде...
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconОтчет по лабораторной работе №1 по курсу «Электроника» Исполнитель
Цель работы: получить первоначальные навыки выполнения лабораторных работ по аналоговой электронике в программно-аппаратной среде...
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconОтчет по лабораторной работе №1 по курсу «Электроника» Исполнитель
Цель работы: получить первоначальные навыки выполнения лабораторных работ по аналоговой электронике в программно-аппаратной среде...
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconИсследование усилительного каскада оэ отчет о лабораторной работе №4 по курсу «Электроника»
Цель работы: овладение методикой исследования частотных свойств усилительного каскада в программно-аппаратной среде ni elvis
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconИсследование режимов биполярного транзистора Отчет о лабораторной...
Вах) биполярного транзистора vt1, используя анализатор (Three–wire Current–Voltage Analyzers) и сохранение данных для отчета
Отчет по лабораторной работе №2 по курсу «Электроника» iconОзнакомление с работой в программно-аппаратной среде ni elvis. Отчет...
Отклонение измеренных величин от номинальных значений обусловлено погрешностью измерений и погрешностью при производстве элементов...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
litcey.ru
Главная страница