Полупроводниковые диоды
Цель 1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-п перехода. 2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода. 3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике. 4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе. 5. Измерение напряжения изгиба вольтамперной характеристики.
Краткие сведения из теории Одним из достоинств Elecrtronics Workbench является возможность смоделировать ситуации, возникающие при самых различных уровнях приборной оснащенности исследователя, и освоить методики измерения, соответствующие этим уровням. Рассмотрим эти ситуации на примере измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Начинающий радиолюбитель может иметь всего лишь один универсальный прибор - муль-тиметр (который мы привыкли называть тестером), но и в этом случае можно снять вольтам-перную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме рис. 9.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной величины. Ток диода при этом можно вычислять из выражения: 1пр = (Е - Unp)/R, (9.1) где1пр - ток диода в прямом направлении, Е - напряжение источника питания, Unp - напряжение на диоде в прямом направлении. Изменив полярность включения диода в той же схеме рис. 9.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении 1ов = (Е - Uоб)/R,(9.2) где Iов - ток диода в обратном направлении, UOB - напряжение на диоде в обратном направлении.
Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. И если Вы хотите получить более точную характеристику, используя только один мультиметр, необходимо сначала измерить напряжение в схеме рис. 9.1, а затем ток в схеме рис. 9.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр. Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если у Вас имеется и вольтметр и амперметр. Тогда, включив их по схеме рис. 9.3, можно сразу видеть ток и напряжение на табло этих приборов. Вольтамперная характеристика (ВАХ) может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения напряжения источника питания Vs. И наконец, наиболее быстро и удобно можно исследовать ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа (рис. 9.4). При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа.
применений на существенную постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая переменная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в режиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Откройте файл с9_011 (рис. 9.1) и включите схему. Мультиметр покажет напряжение на диоде Unp при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мульти-метр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов". Вычислите ток диода при прямом 1пр и обратном 1ов смещении согласно формулам (9.1) и (9.2).
Эксперимент 2. Измерение тока. Откройте файл с9_012 (рис. 9.2) и включите схему. Мультиметр покажет ток диода 1пр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь Мультиметр покажет ток 1ов диода при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов".
Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода. Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключении, используя Мультиметр в режиме омметра. Малые значения сопротивления соответствуют прямому подключению. Показания прямого сопротивления различны для разных шкал омметра. Почему?
Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода. а). Прямая ветвь ВАХ. Отройте файл с9_013 (рис. 9.3). Включите схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В запишите значения напряжения Unp и тока 1пр диода в таблицу а) раздела "Результаты экспериментов". б). Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными О В, 5 В, 10 В, 15 В запишите значения тока 1ов и напряжения UQB в таблицу б) раздела "Результаты экспериментов". в). По полученным данным постройте графики 1пр (Unp) и IOB (Uos). г). Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при 1пр = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для 1пр = 0.4 мА и 1пр =0.2 мА. Ответы запишите в раздел "Результаты экспериментов". д). Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные в раздел "Результаты экспериментов". е). Вычислите сопротивление диода на постоянном токе 1пр = 4 мА по формуле Rcr= Unp/Inp и занесите результат в раздел "Результаты экспериментов". ж). Определите напряжение изгиба. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.
Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа. Откройте файл с9_014. (рис. 9.4). Включите схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите в раздел "Результаты экспериментов" величину напряжения изгиба.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Измерьте и запишите напряжения на диоде:
Эксперимент 2. Измерение тока. Измерьте и запишите ток при прямом и обратном смещении
Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода.
Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода. Вычислите и запишите токи и напряжения.
а). Прямая ветвь ВАХ.
Е,В
Е,В
Обратная ветвь ВАХ
г). Дифференциальное сопротивление диода при прямом смещении, вычисленное по ВАХ.
д). Дифференциальное сопротивление диода при обратном смещении, вычисленное по ВАХ.
Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа. Напряжение изгиба, определенное из ВАХ, полученной при помощи осциллографа.
Вопросы
1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
2. Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении с вычисленными значениями?
3. Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями?
4. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?
5. Что такое ток насыщения диода?
6. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода?
7. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?
8. Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?
Стабилитроны
Цель
1. Построение обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона и определение напряжения стабилизации.
2. Вычисление тока и мощности, рассеиваемой стабилитроном.
3. Определение дифференциального сопротивления стабилитрона по вольтамперной характеристике.
4. Исследование изменения напряжения стабилитрона при изменении входного напряжения в схеме параметрического стабилизатора.
5. Исследование изменения напряжения на стабилитроне при изменении сопротивления в схеме параметрического стабилизатора.
Краткие сведения из теории При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рис. 9.5). Ток 1ст стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R, как это было описано в эксперименте 1 раздела 9.1: ICT = (E — UCT)/R. Напряжение стабилизации UCTAB стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона Рст вычисляется как произведение тока Iст на напряжение UCT:
РСТ = IcT'UcT. Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.
Порядок проведения экспериментов Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон. а). Откройте файл с9_021 (рис. 9.5). Измерьте значение напряжения UCT на стабилитроне при значениях ЭДС источника, приведенных в таблице раздела "Результаты измерений", и занесите результаты измерений в ту же таблицу. б). Вычислите ток 1ст стабилитрона для каждого значения напряжения Ucт Результаты вычислений занесите в таблицу. в). По данным таблицы постройте вольтамперную характеристику стабилитрона. г). Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации. д). Вычислите мощность Ррт, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е = 20 В. е). Измерьте наклон ВАХ в области стабилизации напряжения и оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона в этой области. Эксперимент 2. Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора. а). Подключите резистор Ri_=75 Ом параллельно стабилитрону. Значение источника ЭДС установите равным 20В. Включите схему. Запишите значение напряжения Uет на стабилитроне в раздел "Результаты экспериментов". б). Повторите пункт а) при коротком замыкании и при сопротивлениях резистора RL 100 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 кОм. в). Рассчитайте ток I1 через резистор R, включенный последовательно с источником, ток IL через резистор RL, и ток стабилитрона 1ст для каждого значения RL из таблицы, приведенной в разделе "Результаты экспериментов". Результаты занесите в таблицу. Эксперимент 3. Получение ВАХ стабилитрона на экране осциллографа. Откройте файл с9_022 (рис. 9.6). Включите схему. Запишите в экспериментальные данные напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон.
а)... в). Данные для построения ВАХ стабилитрона.
Е,В
д). Напряжение стабилизации.
ж). Дифференциальное сопротивление стабилитрона, определенное по наклону графика в рабочей области.
Эксперимент 2. Измерение точек нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора. Напряжение стабилитрона С/ст и значения I1, IL, ICT при Е=20 В
RL.OM
Вопросы
1. Сравните относительное изменение напряжения на стабилитроне с относительным изменением питающего напряжения. Оцените степень стабилизации.
2. Влияет ли значение сопротивления нагрузки на степень стабилизации выходного напряжения стабилизатора?
3. Как изменяется напряжение стабилитрона UCT, когда ток стабилитрона становится ниже 20 мА?
4. Каково значение тока стабилитрона 1ст при входном напряжении 15 В?
5. Каково значение тока стабилитрона 1ст при значении сопротивления R = 200 Ом?
6. Как изменяется напряжениеUст на выходе стабилизатора, при уменьшении сопротивления R?
Мостовой выпрямитель
Цель
1. Анализ процессов в схеме выпрямительного диодного моста.
2. Исследование осциллограмм входного и выходного напряжения для выпрямительного моста.
3. Сравнение осциллограмм выходного напряжения выпрямительного моста и двухполу-периодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.
4. Измерение среднего значения выходного напряжения (постоянная составляющая) в схеме выпрямительного моста.
5. Сравнение максимального напряжения на диодах в мостовом и двухполупериодном выпрямителях.
6. Сравнение частот выходного напряжения в мостовом и двухполупериодвом выпрямителях.
7. Вычисление максимального обратного напряжения Umax на диоде выпрямительного моста.
Краткие сведения из теории Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки трансформатора в схеме рис. 9.9 составляет 20:1. Среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) мостового выпрямителя (рис. 9.9) вычисляется по формуле:
где максимум вторичного напряжения на полной обмотке трансформатора U2m вычисляется по формуле:
U1m - максимальное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора. Максимальное обратное напряжение Umaх на каждом диоде для схемы с выпрямительным мостом равно напряжению на вторичной обмотке U2m-Частота выходного напряжения f для схемы с двухполупериодным мостовым выпрямителем вычисляется по формуле:
где Т — период напряжения на выходе выпрямителя.
Порядок проведения экспериментов Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжений мостового выпрямителя. а). Откройте файл с9_041 (рис. 9.9). На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В - входной. Зарисуйте осциллограммы в разделе "Результаты экспериментов". Измерьте максимальные входное и выходное напряжения. б). Измерьте период Т по осциллограмме выходного напряжения и запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". Зная период, вычислите частоту выходного сигнала. в). Определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде и запишите в раздел "Результаты экспериментов". г). Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу. Запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". д). Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая). Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов". Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжений мостового выпрямителя. а).
Вопросы
1. По осциллограммам выходного напряжения, определите, осуществляет ли выпрямительный мост однополу периодное или двухполу периодное выпрямление?
2. Как различаются переменные составляющие напряжений на входе и выходе выпрямительного моста?
3. Чем отличаются выходные напряжения в схемах с выпрямительным мостом и двухпо-лупериодным выпрямителем с отводом от средней точки трансформатора?
4. Сравните максимальные обратные напряжения на диодах для схем выпрямительного моста и двухполупериодного выпрямителя с отводом средней точки трансформатора.
5. Одинаковы ли среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) выпрямительного моста и двухполупериодного выпрямителя?
6. Одинаковы ли частоты входного и выходного напряжения выпрямительного моста? Как они соотносятся с частотами входного и выходного напряжений двухполупериодного выпрямителя?
7. Превышает ли максимальное обратное напряжение Umax на диоде мостового выпрямителя значение, предельно допустимое для диода 1N4001?
8. Одинаковы ли среднее значение выходного напряжения Ud в схеме выпрямительного моста, вычисленное по формуле (9.5) и измеренное с помощью мультиметра?
Емкостной фильтр на выходе выпрямителя
Цель
1. Исследование влияния конденсатора на форму выходного напряжения однополупери-одных и двухполупериодных выпрямителей.
2. Измерение частоты выходного напряжения выпрямителя с емкостным фильтром.
3. Исследование влияния величины емкости конденсатора фильтра на среднее значение выходного напряжения.
4. Сравнение среднего значения выходного напряжения для однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей с емкостным фильтром.
Краткие сведения из теории Если включить на выход любого из выпрямителей, рассмотренных в разделах 9.3 и 9.4, конденсатор, то переменная составляющая выходного напряжения будет ослаблена. Среднее значение выходного напряжения Ud выпрямителя с емкостным фильтром может быть приближенно оценено из соотношения:
где U2max и U2min - максимум и минимум выходного напряжения,
Для оценки качества фильтра обычно используют коэффициент пульсации q выходного напряжения, который вычисляется из соотношения:
На рисунках 9.10 и 9.11 показаны соответственно однополупериодный и двухполупериодный выпрямители с емкостным фильтром на выходе.
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя. а). Откройте файл с9_051. (рис. 9.10). На вход А осциллографа подается входное напряжение, а на вход В - выходное. Измерьте максимум выходного напряжения U2max и разность между максимумом и минимумом выходного напряжения . Зарисуйте осциллограммы в раздел "Результаты экспериментов". б). Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud по результатам измерении. Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов". в). Запишите постоянную составляющую выходного напряжения по показаниям мульти-метра. Сравните значения, полученные обоими методами. г). Вычислите коэффициент пульсации выходного сигнала по формуле (9.9).
Эксперимент 2. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении емкости фильтра. а). Отключите мультиметр в схеме рис. 9.10. Установите емкость конденсатора равной 100 мкф. Включите схему. Измерьте максимум выходного напряжения и разность между максимумом и минимумом напряжений на выходе выпрямителя по показаниям осциллографа. Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов". б). Вычислите среднее значение напряжения Ud по формуле (9.8). в). Вычислите коэффициент пульсации выходного напряжения по формуле (9.9).
Эксперимент 3. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении тока нагрузки. а). Установите емкость конденсатора в схеме рис. 9.10 равной 470 мкф. Измените сопротивление резистора нагрузки до 200 Ом. Включите схему. Измерьте максимум выходного напряжения и разность между максимумом и минимумом напряжений на выходе выпрямителя по показаниям осциллографа. Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов". б). Вычислите среднее значение напряжения Ud по формуле (9.8). в). Вычислите коэффициент пульсации выходного напряжения по формуле (9.9).Эксперимент 4. Определение коэффициента пульсации двухполупериодного выпрямителя. а). Откройте файл с9_052. На вход А осциллографа подается входное напряжение, а на вход В - выходное. Измерьте максимум выходного напряжения U2max и разность между максимумом и минимумом выходного напряжения . Зарисуйте осциллограммы в раздел "Результаты экспериментов". б). Вычислите среднее значение напряжения Ud по формуле (9.8). в). Вычислите коэффициент пульсации выходного напряжения по формуле (9.9).
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя. а).
Эксперимент 2. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении емкости фильтра. а). Зарисуйте выходной и входной сигналы на экране осциллографа.
Эксперимент 3. Определение коэффициента пульсации однополупериодного выпрямителя при изменении тока нагрузки. а). Зарисуйте выходной и входной сигналы на экране осциллографа.
Эксперимент 4. Определение коэффициента пульсации двухполупериодного выпрямителя по осциллограмме выходного напряжения. а). Зарисуйте выходной и входной сигналы на экране осциллографа.
Вопросы
1. Выведите формулу для расчета среднего значения выходного напряжения выпрямителя с емкостным фильтром на выходе.
2. В каком диапазоне напряжений может изменяться среднее значение выходного напряжения выпрямителя с емкостным фильтром на выходе?
3. Какие факторы влияют на величину коэффициента пульсации выпрямителя с емкостным фильтром на выходе?
4. Сравните средние значения выходного напряжения для схем однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей с емкостным фильтром на выходе при одинаковых нагрузках.
5. Сравните коэффициент пульсации в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях с емкостным фильтром на выходе.
6. Будут ли отличаться средние значения выходного напряжения однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямления с емкостным фильтром, если сопротивление нагрузки равно бесконечности?
7. Будет ли влиять частота входного напряжения выпрямителя на среднее значение выходного напряжения и на коэффициент пульсации при фиксированных значениях емкости фильтра и сопротивления нагрузки?
Диодные ограничители
Цель
1. Исследование работы последовательного ограничителя.
2. Исследование работы последовательного ограничителя со смещением.
3. Исследование работы шунтирующего ограничителя.
4. Исследование работы шунтирующего ограничителя со смещением.
5. Исследование работы шунтирующего ограничителя на стабилитроне.
6. Исследование работы симметричного шунтирующего ограничителя на стабилитронах.
Краткие сведения из теории Основная функция положительных диодных ограничителей заключается в том, чтобы повторять входное напряжение, если оно не превышает заданный порог, а при превышении — поддерживать выходное напряжение на пороговом уровне. Отрицательные диодные ограничители работают аналогично: напряжение на выходе повторяет входное, если оно выше порогового уровня. Различные схемы ограничителей показаны на рис. 9,12-9.17 Схема для проведения измерений последовательного ограничителя, представлена BSL рис. 9.18. Исследования ограничителей остальных типов проводятся в аналогичных схемах.
Последовательный ограничитель
Последовательный ограничитель со смещением
Шyнтирyющий ограничитель
Шyнтирyющий ограничитель со смещением
Шунтирующий ограничитель на стабилитроне
Симметричный шунтирующий ограничитель на стабилитронах
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Измерение уровня ограничения последовательного ограничителя. Откройте файл с9_061 (рис. 9.12). Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Запишите максимум входного напряжения, уровень ограничения напряжения.
Эксперимент 2. Измерение уровня ограничения напряжения в последовательном ограничителе со смещением. а). Измерение уровня напряжения при положительном смещении. Откройте файл с9_062 (рис. 9.13). Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Запишите минимумы входного и выходного напряжения и уровень ограничения напряжения. б). Измерение уровня напряжения при отрицательном смещении. Измените полярность включения источника питания 5 В. Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Запишите минимумы входного и выходного напряжения и уровень ограничения напряжения.
Эксперимент 3. Измерение уровня ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе. Откройте файл с9_063 (рис. 9.14). Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжений. Запишите максимум входного напряжения, минимум выходного и уровень ограничения напряжения.
Эксперимент 4. Измерение уровня ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе со смещением. а). Измерение уровня напряжения при положительном смещении. Откройте файл с9_064 (рис. 9.15). Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Запишите минимумы входного и выходного напряжения и уровень ограничения напряжения. б). Измерение уровня напряжения при отрицательном смещении. Измените полярность включения источника питания 5 В. Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Запишите минимумы входного и выходного напряжения и уровень ограничения напряжения.
Эксперимент 5. Измерение уровня ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе на стабилитроне. Откройте файл с9_065 (рис. 9.16). Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Запишите максимум входного напряжения, положительный и отрицательный уровни ограничения напряжения.
Эксперимент 6. Измерение уровня ограничения напряжения в симметричном шунтирующем ограничителе на стабилитронах. Откройте файл с9_066 (рис. 9.17). Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Запишите максимум входного напряжения, положительный и отрицательный уровни ограничения напряжения.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение уровня ограничения напряжения в последовательном ограничителе.
Эксперимент 2. Измерение уровня ограничения напряжения в последовательном ограничителе со смещением. а). Измерение уровня напряжения при положительном смещении..
6). Измерение уровня напряжения при отрицательном смещении.
Эксперимент 3. Измерение уровня ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе.
Эксперимент 4. Измерение уровня ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе со смещением. а). Измерение уровня напряжения при положительном смещении.
б). Измерение уровня напряжения при отрицательном смещении.
Эксперимент 5. Измерение уровня ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе на стабилитроне.
Эксперимент 6. Измерение уровня ограничения напряжения в симметричном шунтирующем ограничителе на стабилитронах.
Вопросы
1. В чем отличие между уровнями ограничения напряжения в последовательных ограничителях без смещения и со смещением?
2. Что определяет уровень ограничения напряжения в ограничителе со смещением?
3. Почему в последовательном ограничителе ни рис. 9.12 различаются минимумы входного и выходного напряжения?
4. В чем отличие между выходными напряжениями в последовательном и шунтирующем ограничителях нарис. 9.12 и 9.14?
5. Чем определяется уровень ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе со смещением?
6. Чем определяются положительный и отрицательный уровни ограничения напряжения в шунтирующем ограничителе на стабилитроне?
7. В чем отличие между шунтирующим ограничителем на стабилитроне и симметричным шунтирующим ограничителем на стабилитронах?
Диодные формирователи
Цель
1. Исследование работы положительного формирователя.
2. Исследование работы отрицательного формирователя.
3. Измерение среднего значения сигнала (постоянной составляющей).
4. Исследование влияния амплитуды входного напряжения на выходное напряжение.
5. Исследование влияния напряжения на диоде на выходное напряжение формирователя.
Краткие сведения из теории
В диодных формирователях выходное напряжение представляет собой сумму входного напряжения и некоторой постоянной составляющей. Положительный диодный формирователь добавляет положительную составляющую, отрицательный - составляющую другого знака. Положительный и отрицательный формирователи показаны иа рис. 9.19 и рис. 9.20 соответственно. В формирователе на рис. 9.19 на первой отрицательной полуволне входного напряжения через диод проходит ток. Конденсатор зарядится при этом до напряжения Пахтах - 0.7 В, которое меньше амплитуды входного напряжения на величину прямого падения напряжения на диоде. На положительной полуволне входного напряжения диод заперт. За время, равное периоду, конденсатор разряжается очень мало и снова подзаряжается на отрицательной полуволне. В результате на конденсаторе появится постоянная составляющая. Она вместе с переменной составляющей и составит выходное напряжение. Для такой работы формирователя необходимо, чтобы постоянная времени RC-цепи значительно превышала период входного сигнала.
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Измерение постоянной составляющей выходного напряжения положительного формирователя. а). Откройте файл с9_071 (рис. 9.19). Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Измерьте амплитуды входного и выходного напряжения. б). По показаниям осциллографа измерьте среднее значение (постоянную составляющую) выходного напряжения. Запишите показания мультиметра.
Эксперимент 2. Измерение постоянной составляющей выходного напряжения положительного формирователя при увеличении входного напряжения. а). Установите амплитуду генератора в схеме рис. 9.19 равной 8 В. Включите схему. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжений. Измерьте максимумы входного и выходного напряжения. б). По показаниям осциллографа измерьте среднее значение (постоянную составляющую) выходного напряжения. Запишите показания мультиметра.
Эксперимент 3. Измерение постоянной составляющей выходного напряжения положительного формирователя при уменьшении входного напряжения. а). Установите амплитуду генератора в схеме рис. 9.19 равной. 2 В. Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжений. Измерьте максимумы входного и выходного напряжения. б). По показаниям осциллографа измерьте среднее значение (постоянную составляющую) выходного сигнала. Запишите показания мультиметра.
Эксперимент 4. Измерение постоянной составляющей выходного напряжения отрицательного формирователя. а). Откройте файл с9_072 (рис. 9.30). Зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" осциллограммы входного и выходного напряжения. Измерьте минимумы входного и выходного напряжения. б). По показаниям осциллографа измерьте среднее значение (постоянную составляющую) выходного сигнала. Запишите показания мультиметра.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение постоянной составляющей выходного напряжения положительного формирователя.
Эксперимент 2. Измерение постоянной составляющей для положительного формирователя напряжения при увеличении входного сигнала.
Осциллограммы входного и выходного сигналов
Покажите максимумы входного и выходного напряжения на осциллограмме.
Эксперимент 3. Измерение постоянной составляющей для положительного формирователя напряжения при уменьшении входного сигнала.
Осциллограммы входного и выходного сигналов
Покажите максимумы входного и выходного напряжения на осциллограмме. Эксперимент 4. Измерение постоянной составляющей для отрицательного формирователя напряжения.
Осциллограммы входного и выходного сигналов
Покажите минимумы входного и выходного напряжения на осциллограмме.
Вопросы
1. Чем отличаются осциллограммы входного и выходного напряжения в положительном формирователе?
2. Каково среднее значение (постоянная составляющая) выходного напряжения положительного формирователя? Чем определяется эта величина?
3. Одинаковы ли среднее значение выходного напряжения для положительного формирователя, измеренное по осциллограмме и полученное по показаниям мультиметра?
4. Как изменится среднее значение напряжения на выходе положительного формирователя при увеличении амплитуды входного напряжения?
5. Как изменится среднее значение напряжения положительного формирователя при уменьшении амплитуды входного напряжения до очень низкого значения? Оцените влияние прямого падения напряжения на диоде.
6. Сравните влияние прямого падения напряжения на диоде для положительного формирователя при низком и высоком напряжении на входе. В каком случае влияние прямого падения напряжения на диоде больше?
7. Сравните выходные напряжения отрицательного и положительного формирователей.
8. Сравните среднее значение выходного напряжения (постоянную составляющую) для отрицательного и положительного формирователей.
Диодные схемы
Методические указания До настоящей главы были рассмотрены процессы в линейных схемах. Однако при анализе схем с реальными элементами, в частности с диодами, приходится учитывать нелинейность их характеристик, что отражается и на методике расчета таких схем. Рассмотрим простейшие методы расчета нелинейных цепей, используемые для решения задач, приведенных в данной и последующих главах. Вольтамперная характеристика диода Анализ физических процессов в диоде позволяет получить выражение для его ВАХ в экспоненциальном виде:
где Is - ток насыщения, (рт - тепловой потенциал, Iд Uд - ток диода и напряжение на нем, соответственно. Это простейший случай задания ВАХ диода в аналитическом виде. Можно снимать характеристику диода экспериментально по точкам, как это делалось в разделе 9.1. Тогда характеристика будет представлена в табличном виде. Наконец, ВАХ может быть представлена в графическом виде, что довольно часто применяется для представления типовых характеристик в справочных данных. ВАХ диода в графическом виде показана на. рис. 9.21.
Графический метод Этот метод основан на непосредственном использовании ВАХ диода, заданной в графическом виде. Графический метод наиболее пригоден, когда в схеме имеется только один диод. Тогда схему можно разделить на две части: линейный неидеальный генератор напряжения или тока (активный двухполюсник) и нелинейный (пассивный двухполюсник), а для расчета использовать метод эквивалентного генератора. Простейшая схема. На рис. 9.22 представлена простейшая схема для такого анализа. Ток Iд диода и напряжение Uд на нем связаны между собой следующими уравнениями:
Уравнение (9.12) описывает ВАХ диода, которая задана в графическом виде на рис. 9.22 (кривая 1). Уравнение (9.11) отражает нагрузочную характеристику неидеального источника ЭДС, которая часто называется нагрузочной прямой (наклонная линия 2 на рис. 9.22). Нагрузочная прямая пересекает ось напряжения в точке А и отсекает на этой оси отрезок ОА, численно равный напряжению холостого хода источника питания Е. Ось тока нагрузочная прямая пересекает в точке В, отсекая на этой оси отрезок 0В, численно равный максимальному току E/R цепи. ВАХ диода и нагрузочная прямая пересекаются в точке С. Эта точка является решением системы уравнений (9.11), (9.12) в графическом виде. Координаты I*пр и U*np точки С являются искомыми током и напряжением диода соответственно. Напряжение источника Питания может иметь любую форму (например, синусоидальную). Построение временной диаграммы тока диода для этого случая показано на рис. 9.23. Для каждого момента времени (t1, t2, tз и т. д.) необходимо найти мгновенные значения напряжения источника питания e(t) и построить соответствующую нагрузочную прямую. Точки пересечения нагрузочных прямых с ВАХ диода определяют при этом мгновенные значения тока диода для моментов времени t1, t2, tз
При последовательном, параллельном или смешанном соединении нескольких диодов в схеме их можно заменить одним нелинейным двухполюсником, после чего задача сводится к предыдущей. Рассмотрим такую методику решения для различных случаев соединения диодов. Последовательное включение диодов. Пусть в схеме два диода включены последовательно, как это показано на рис. 9.24. Прямые ветви ВАХ диодов VI, V2 представлены на рис. 9.24 кривыми 1 и 2 соответственно. Два последовательно включенных диода можно представить как один эквивалентный нелинейный двухполюсник, например эквивалентный диод. Поскольку напряжение Unp на этом эквивалентном диоде равно сумме напряжения Unp1 диода VI и напряжения Unp2 диода V2, для построения ВАХ эквивалентного диода необходимо сложить ВАХ отдельных диодов (кривые 1 и 2 на рис. 9.24) по напряжению. В результате получается кривая 3 (рис. 9.24). Теперь задача сведена к предыдущей. Необходимо провести нагрузочную прямую АВ и найти ее пересечение с ВАХ эквивалентного диода. Эти линии пересекаются в точке С с координатами I*пр и U*np. Зная ток, можно по ВАХ диодов найти напряжения U*np1 и U*np2-В рассмотренном примере диоды смещены в прямом направлении. Рассмотрим такую же схему при обратном смещении (рис. 9.25). Обратные ветви ВАХ диодов VI, V2 представлены на рис. 9.25 кривыми 1 и 2 соответственно. По аналогии с рассмотренным случаем необходимо сложить ВАХ диодов по напряжению. В результате получается кривая 3 (рис. 9.25). Точка С пересечения результирующей ВАХ с нагрузочной прямой дает обратный ток диодов I*ов и обратное напряжение и*ов. Пересечение с характеристиками диодов прямой, параллельной оси напряжений и проходящей через точку С, дает напряжения на диодах U*OBI и U*oB2-Следует обратить внимание на то, что при последовательном включении диодов обратные напряжения на них оказываются неодинаковыми. Причина заключается в неидентичности обратных ветвей ВАХ диодов. Для выравнивания обратных напряжений на диодах необходимо ввести в схему дополнительные элементы (например, включить параллельно диодам выравнивающие резисторы).
Параллельное включение диодов.
Рассмотрим аналогичную методику для параллельного включения диодов (рис. 9.26). Два параллельно включенных диода можно рассматривать как один эквивалентный нелинейный двухполюсник, например эквивалентный диод. Поскольку ток 1пр этого эквивалентного диода равен сумме тока Inp1 диода VI и тока 1пр2 диода V2, для построения ВАХ эквивалентного диода необходимо сложить ВАХ отдельных диодов (ветви 1 и 2 на рис. 9.26) по току. В результате получается кривая 3 нарис. 9.26. Теперь задача сведена к решенной ранее. Необходимо провести нагрузочную прямую АВ и найти ее пересечение с ВАХ эквивалентного диода. Эти линии пересекаются в точке С. В результате получаем напряжение U*np, которое одинаково для обоих диодов VI и V2. Зная это напряжение, можно по ВАХ диодов найти искомые токи I*np1 и I*пр2-Следует обратить внимание на то, что при параллельном включении диодов их токи оказываются неодинаковыми. Причиной этого служит неидентичность прямых ветвей ВАХ диодов. Для выравнивания токов необходимо ввести в схему дополнительные элементы (например, включить последовательно с каждым диодом выравнивающий резистор).
Графоаналитический метод
При графоаналитическом методе имеются два этапа решения. Первый заключается в аппроксимации графически заданной ВАХ аналитическим выражением, второй - в решении систем нелинейных уравнений, составленных по законам Кирхгофа с использованием этого выражения. Если, например, в системе уравнений (9.11), (9.12) в качестве второго уравнения использовать (9.10), то система станет трансцендентной и решение невозможно будет получить в аналитическом виде. Наиболее распространенным видом аппроксимации является линеаризация ВАХ. В этом случае диод замещается моделью из простейших линейных элементов. Для прямой и обратной ветвей ВАХ эти модели различны. На рис. 9.27 показана прямая ветвь ВАХ диода (линия 1) и аппроксимирующий эту ветвь отрезок прямой 2. Уравнение линейной аппроксимации имеет вид: Uд = Кдиф.пр Iд + Uo, (9.13) где Кдиф.пр - дифференциальное сопротивление диода при прямом смещении, Uo - пороговое напряжение. Для определения величины Кдиф. пр необходимо выбрать на аппроксимирующей прямой (прямая 2 на рис. 9.27) две произвольные точки (одна из них может лежать на оси напряжения). Для этих точек нужно найти разность напряжений и разность токов, а затем разделить первую разность на вторую. Это и будет искомая величина. Модель диода при прямом смещении, состоящая из последовательно соединенных идеального источника ЭДС и сопротивления, также показана на рис. 9.27. На рис. 9.28 показана обратная ветвь ВАХ диода (кривая 1) и аппроксимирующий эту ветвь отрезок прямой 2. Уравнение для такой линейной аппроксимации имеет вид:
где Кдиф. ов - динамическое сопротивление диода при обратном смещении, Io - пороговый ток. Величина R диф.ов определяется тем же способом, что и величина Rдиф. пр. Далее прямое и обратное дифференциальное сопротивления диода RдиФ. пр и R диФ. ОБ будем обозначать
одинаково через Rдиф различая эти обозначения лишь там, где это необходимо по тексту. ВАХ диода при обратном смещении описывается выражением (9.14). Это же выражение справедливо для двухполюсника, показанного на рис. 9.28. Поэтому замена диода двухполюсником будет эквивалентной. Поскольку теперь ВАХ диода имеет два различных аналитических выражения и две модели (для прямого и обратного участков характеристики), необходимо определить, какое из них использовать. Для этого следует предварительно выяснить, в каком состоянии (прямом или обратном) находится диод в исходной схеме. В относительно простых схемах состояние диода не вызывает сомнений. В более сложных схемах после окончания расчета необходимо проверить начальное предположение о состоянии каждого из диодов. Если изначально считалось, что диод работает при прямом (обратном) смещении, а в результате расчета его ток оказался отрицательным (положительным), то предположение о состоянии диода неверно. Необходимо использовать другое выражение для ВАХ диода (и другую модель) и повторить расчет. Полученные выражения (9.13) и (9.14) можно использовать для решения конкретных задач. Если прямое падение напряжения на открытом диоде пренебрежимо мало по сравнению с напряжениями на других элементах схемы, то реальную прямую ветвь 1 ВАХ диода на рис. 9.21 можно заменить вертикальным прямым отрезком 3. В этом случае при расчете схемы можно считать, что выводы диода (анод и катод) короткозамкнуты. Если обратный ток закрытого диода пренебрежимо мал по сравнению с токами других элементов схемы, то реальную обратную ветвь 2 ВАХ диода можно заменить горизонтальным отрезком 4. В этом случае при расчете схемы можно считать, что цепь с диодом разорвана. Ясно, что обе идеальные модели являются предельными частными случаями линеаризации характеристик. При этом решение задач тривиально, и такие случаи не рассматриваются. Простейшая схема с одним диодом (рис. 9.22) с учетом аппроксимации (9.13) описывается следующей системой уравнений:
Решение этой системы дает выражение для тока диода:
Последовательное включение диодов. Схема с двумя последовательно включенными диодами при прямом включении (рис. 9.24) описывается системой уравнении:
где Rдиф.np1 Rдиф. при - дифференциальные сопротивления диодов VI, V2 при прямом смещении, Uo1, Uo2 - пороговые напряжения диодов VI, V2. Схема замещения, соответствующая этому случаю, приведена на .рис. 9.29. Ток диодов определяется выражением:
Схема с двумя последовательно включенными диодами при обратном смещении (см. рис. 9.25) с учетом аппроксимации (9.14) описывается системой уравнении:
где Rдиф.OBI, RДИФ.ОБ2 - дифференциальные сопротивления диодов VI, V2 при обратном смещении, lo1, Io2 - пороговые токи диодов VI, V2. Схема замещения, соответствующая этому случаю, приведена на рис. 9.30. Ток диодов определяется выражением:
Ток Ioб отрицателен, так как к диодам приложено обратное напряжение.
Параллельное включение диодов. Схема с двумя параллельно включенными диодами (см. рис. 9.26) с учетом аппроксимации (9.13) замещается схемой рис. 9,31 и описывается системой уравнений:
Напряжение на диодах определяется по методу узловых потенциалов выражением:
Токи диодов VI, V2 можно определить, если подставить (9.30) в выражения для токов (9.28), (9.29). Целесообразность использования того или иного из рассмотренных методов расчета определяется условиями конкретной задачи.
Расчет схем с одним диодом.
Предлагаемые в разделе схемы с одним диодом (файлы с9_080...с9_111) содержат линейную часть с усложненной структурой. Для использования графического метода необходимо предварительно заменить линейную часть схемы эквивалентным генератором. Рассмотрим методику такого преобразования. Пусть в схеме имеется только один нелинейный элемент, например диод. Выделим этот диод из всей схемы, как это показано на рис. 9.32а. Оставшуюся линейную часть схемы можно представить в виде эквивалентного активного двухполюсника, который показан на рис. 9.326. Этот двухполюсник состоит из двух элементов: эквивалентного источника ЭДС ЕЭКВ и эквивалентного резистора Rэкв (см. раздел 2.1 в части, касающейся неидеальных источников напряжения). Величину ЕЭКВ легко измерить в режиме холостого хода, подключив вольтметр вместо диода. Измеренное напряжение и равно искомой величине Едкв. Для определения величины Rэкв можно было бы измерить ток короткого замыкания двухполюсника, а затем разделить Еэкв на этот ток. Такой путь иногда используется при экспериментальном определении параметров эквивалентного двухполюсника. При расчете Rэкв удобнее принять Еэкв=0 и определить сопротивление двухполюсника со стороны его выводов. При определении эквивалентного сопротивления выводы источников ЭДС в исходной схеме необходимо закоротить, а ветви с источниками тока - разомкнуть. То же самое необходимо сделать и в реальной схеме при измерении сопротивления. В схеме измерения, приведенной нa puc. 9.336 выводы источника ЭДС закорочены, а вместо диода к выводам двухполюсника подключен мультиметр в режиме омметра. Расчет схем с несколькими диодами. При расчете схем, приведенных в файлах с9_120...с9_137, необходимо заменить диоды эквивалентными схемами. В результате такой замены будет получена линейная расчетная схема. Методами расчета линейных цепей можно определить токи диодов и напряжения на них. После расчета схемы необходимо проверить начальные предположения о состоянии каждого из диодов (прямое или обратное смещение). В результате расчета может оказаться, что ток диода, замененного эквивалентной схемой для прямого включения, получился отрицательным. Это означает, что изначально было сделано неверное предположение о прямом включении этого диода. Необходимо заменить такой диод его эквивалентной схемой для обратного смещения и повторить весь расчет. В качестве схемы замещения для обратной ветви ВАХ в этих задачах применяется простейший вариант - разрыв. В экспериментах с моделями на основе идеального диода
обратный ток равен нулю. Возможен и другой случай: ток диода, замененного эквивалентной схемой для обратного включения, оказался положительным. Это означает, что изначально было сделано неверное предположение об обратном включении диода. Необходимо заменить диод его эквивалентной схемой для прямого смещения и повторить расчет.
Задачи для самостоятельного исследования Схемы с одним диодом Каждая из представленных ниже задач (файлы с9_80... с9_87) содержит схему с одним диодом. ВАХ этого диода показана на рис. 9.34. Найти ток и напряжение диода графическим методом и проверить решение на Electronics Workbench. Аналогичные задачи с9_88...с9_111 имеются на прилагаемой к книге дискете. При отсутствии дискеты полный перечень задач, прилагаемых к книге, можно взять на сайте издательского дома "ДОДЭКА" (www.dodeca.ru).
Варианты схем
Схемы с несколькими диодами В схемах, представленных в файлах с9_120...с9_137, найти токи и напряжения диодов. Модели диодов, приведенных в этих схемах, получены путем корректировки параметров идеального диода. В обозначении диодов, приведенных в схемах, цифры соответствуют параметрам схемы замещения диода при линейной аппроксимации (рис. 9.27). Цифра, следующая за символом а, обозначает сопротивление диода в Омах, следующая за ней через дефис цифра - прямое падение напряжения в вольтах. Например, d5-0.7: Rдпр= 5 Ом, Uдпр = 0,7 В. Варианты схем
Схемы на основе стабилитронов
Методические указания
Во всех задачах данного раздела используется модель стабилитрона, полученная путем корректировки параметров идеальной модели. Вольтамперная характеристика используемой модели приведена на рис. 9.35. Для решения задачи рекомендуется использовать графоаналитический метод. Этот метод предполагает замену стабилитрона эквивалентной схемой, которая (как и у диода) представляет собой последовательное соединение резистора Rд (дифференциальное сопротивление диода) и источника ЭДС Uo (пороговое напряжение). Значения параметров Кд и Uo можно получить из вольтамперной характеристики стабилитрона (рис. 9.35). Для этого необходимо аппроксимировать рабочий участок характеристики прямой линией. Рекомендуется провести прямую линию через две точки ВАХ: (10 В, 40 мА) и (10.7 В, 320 мА).
После замены стабилитрона его эквивалентной схемой можно получить расчетную схему параметрического стабилизатора напряжения, показанную на рис. 9.36а. Эта схема является линейной. Для ее анализа удобно использовать метод узловых потенциалов. В результате напряжение на нагрузке (оно же - напряжение на стабилитроне) можно определить из выражения:
В некоторых задачах вместо сопротивления нагрузки Rн дан ток нагрузки 1н. В этом случае эквивалентная схема стабилизатора напряжения примет вид, показанный на рис. 9.366. Напряжение на нагрузке определяется выражением:
Вместо параметров стабилитрона в некоторых задачах задан ток стабилитрона Iст- Эквивалентная схема стабилизатора напряжения для этого случая показана на рис. 9.36в, а напряжение на нагрузке определяется выражением:
Если задан потребляемый от источника питания ток Iи, то справедлива эквивалентная схема, показанная на рис. 9.36г. Напряжение на нагрузке определяется выражением:
При использовании приведенных выражений необходимо помнить, что они справедливы лишь для линейного участка ВАХ стабилитрона. Поэтому величина UH должна лежать в диапазоне от 10 до 11 В, а ток стабилитрона — в диапазоне от 45 до 320 мА. После решения задачи необходимо проверить выполнение указанного условия.
Задачи для самостоятельного исследования
Все задачи имеют одну и ту же формулировку. Схема приведена нарис. 9.37 (файл с9_160), вольтамперная характеристика стабилитрона - на рис. 9.35. Исходные параметры схемы и величины, значения которых необходимо рассчитать и проверить на Electronics Workbench, приведены в условиях задач 1...32. Соответствующие им файлы комплексного калькулятора Comcal c9_160.cc ... с9_191.сс.
Задача 1 (с9_160.сс) Дано: RB = 0.2 кОм, RH = 0.5 кОм, напряжение питания Е изменяется в диапазоне от 30 В до 50 В. Найти: Диапазон изменения напряжения на нагрузке и диапазон изменения тока стабилитрона.
Задача 2 (с9_161.сс) Дано: Е = 40 В, RB = 0.2 кОм, сопротивление нагрузки RH изменяется в диапазоне от 0.1 кОм до 1 кОм. Найти: Диапазон изменения напряжения на нагрузке и диапазон изменения тока стабилитрона.
Задача 3 (с9_162.сс) Дано: RB = 0.2 кОм, напряжение питания Е изменяется в диапазоне от 30 В до 50 В, сопротивление нагрузки RH изменяется в диапазоне от 0.2 кОм до 2 кОм, изменения Е и RH происходят независимо друг от друга. Найти: Максимальный диапазон изменения напряжения на нагрузке и максимальный диапазон изменения тока стабилитрона.
Задача 4 (с9_163.сс) Дано: RB = 0.2 кОм, RH = 0.4 кОм, при увеличении напряжения питания Е на 12 В, напряжение на нагрузке изменяется на 5 % от своего начального значения. Найти: Начальные значения напряжения питания, напряжения на нагрузке и тока стабилитрона.
Задача 5 (с9_164.сс) Дано: Е == 40 В, RB = 0.2 кОм, при увеличении значения сопротивления нагрузки RH на 0.5 кОм, напряжение на нагрузке изменяется на 5% от своей начальной величины. Найти: Начальные значения сопротивления нагрузки, напряжения на нагрузке и тока стабилитрона.
Задача 6 (с9_165.сс) Дано: RH = 0,25 кОм, при изменении напряжения питания Е от 36 В до 50 В напряжение на нагрузке изменяется на 0.6 В. Найти: Сопротивление балластного резистора RB, максимальное напряжение на нагрузке и максимальный ток стабилитрона.
Задача 7 (с9_166.сс) Дано: Е = 40 В, при изменении величины сопротивления нагрузки Rн от 0.24 кОм до 1 кОм напряжение на нагрузке изменяется на 3% от своего начального значения. Найти: Сопротивление балластного резистора RB, максимальное напряжение на нагрузке и максимальный ток стабилитрона.
Задача 8 (с9_167.сс) Дано: RH = 0. 5 кОм, величина напряжения питания Е изменяется в диапазоне от 36 В до 60 В. Найти: Сопротивление балластного резистора RB, при котором ток стабилитрона минимален; определить диапазон изменения напряжения на нагрузке и диапазон изменения тока стабилитрона.
Задача 9 (с9_168.сс) Дано: Е = 40 В, сопротивление нагрузки RH изменяется в диапазоне от 0.2 кОм до 1 кОм. Найти: Сопротивление балластного резистора RB, при котором ток стабилитрона минимален; определить диапазон изменения напряжения на нагрузке и диапазон изменения тока стабилитрона.
Задача 10 (с9_169.сс) Дано: Напряжение питания Е изменяется в диапазоне от 25 В до 40 В, сопротивление нагрузки RH изменяется в диапазоне от 0.5 кОм до 1 кОм. Изменения Е и RH происходят независимо друг от друга. Найти: Сопротивление балластного резистора RB, при котором ток стабилитрона минимален; определить диапазон изменения напряжения на нагрузке и диапазон изменения тока стабилитрона. Условия задач 11...32 находятся в файлах с9_170.сс...с9_191.сс на прилагаемой к книге дискете или по адресу (www.dodeca.ru). ¦
Маломощные выпрямители
Методические указания
Обычно выпрямители однофазного тока выполняются по двухполупериодной схеме. К типовым схемам двухполу периодного выпрямления относятся: 1. Схема с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. 2. Мостовая схема. Схема с отводом от средней точки и ее работа на активную нагрузку Схема приведена на рис. 9.38.
На рис. 9.39 показаны следующие временные диаграммы, отражающие работу схемы на активную нагрузку: а). Напряжение и токи во вторичных обмотках трансформатора. б). Напряжение и ток в нагрузке. в). Ток диода. г). Обратное напряжение на диоде. д). Напряжение и ток в первичной обмотке. Среднее значение выпрямленного напряжения при идеальных диодах и трансформаторе:
где Е2 — действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке трансформатора,
,откуда
Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке:
По условию симметрии среднее значение тока через диод:
Максимальное значение тока через диод:
В проводящую часть периода напряжение на диоде равно нулю (в предположении, что диоды идеальны). В непроводящую часть периода к диоду приложено двойное фазовое напряжение. Поэтому максимальное значение обратного напряжения, приложенного к диоду, равно двойной амплитуде напряжения на вторичной полуобмотке:
Переходя к определению параметров трансформатора, находим вначале действующее значение тока через диод:
Зависимость действующего значения первичного тока от среднего значения выпрямленного тока с учетом коэффициента трансформации Rтр имеет вид:
где Ктр = W1/W2, W1 и W2 - число витков первичной обмотки и вторичной полуобмотки трансформатора соответственно. В рассматриваемой схеме расчетная мощность вторичных обмоток трансформатора:
Расчетная мощность первичной обмотки:
Расчетная мощность трансформатора:
2. Мостовая схема при активной нагрузке. Схема приведена на рис. 9.40. На рис. 9.41 показаны временные диаграммы, отражающие работу схемы диодного моста на активную нагрузку: а). Напряжение и ток во вторичных обмотках трансформатора. б). Напряжение и ток в нагрузке. в). Ток диода. г). Обратное напряжение на диоде. д). Напряжение и ток в первичной обмотке.
Средние значения напряжения и тока такие же, как в предыдущей схеме. В мостовой схеме обратное напряжение на диоде, если пренебречь прямым падением напряжения на нем, определяется напряжением на вторичной обмотке трансформатора:
Из формул (9.40) и (9.46) следует, что обратное напряжение в мостовой схеме при том же значении выпрямленного напряжения Ua в 2 раза меньше, чем в схеме с отводом от средней точки. Формы токов первичной и вторичной обмоток одинаковы. Поэтому действующее значение тока первичной обмотки связано со средним значением тока в диоде тем же коэффициентом, что и в схеме с отводом от средней точки. Расчетные мощности в обоих обмотках также равны. S„=S,=S,=1.23P,. (9.47) При экспериментальной проверке в Electronics Workbench используется модел! диода "ideal", в которой прямое падение напряжения Unp на диоде не равно нулю, а составляет приближенно 0.8 В. Поэтому для точного расчета среднего значения выходного напряжения необходимо использовать вместо формулы (9.35) следующее выражение:
В связи с этим необходимо скорректировать все остальные расчетные формулы. Однако погрешность, вызванная неидеальностью диода не превышает 5%. Это вполне удовлетворительно для проведения инженерных расчетов.
Применение фильтров для сглаживания пульсации в нагрузке Для сглаживания пульсации напряжения в нагрузке в схему выпрямителя включаются реактивные элементы, выполняющие роль фильтров. На. рис, 9,42 приведены простейшие схемы фильтров: индуктивного (рис. 9.42а), емкостного (рис. 9.42в), Г-образного (рис. 9.42г), а также диаграммы напряжений и токов на активной нагрузке (рис. 9.426).
Выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющую. При достаточно большой величине емкости и индуктивности фильтров на их реактивных сопротивлениях падает большая часть переменной составляющей напряжения (рис. 9.426}. Индуктивность в сочетании с конденсатором образует Г-образный фильтр с лучшим качеством фильтрации напряжения. В однополупериодных схемах частота пульсации f1 выходного напряжения равна частоте питающей сети f, в двухполупериодных схемах она вдвое превосходит частоту питающей сети (fi = 2f). Выходное напряжение выпрямителя представляет собой сумму гармоник, кратных частоте сети. В двухполупериодном выпрямителе наибольшую амплитуду имеет первая (основная) гармоника, равная удвоенной частоте сети. Применительно к ней и ведется расчет фильтров. Отношение амплитуды первой гармоники U11max выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения Ud принято называть коэффициентом пульсации q1. Для напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку (без фильтра), этот коэффициент равен: q1-U11max/Ud=2/3. (9.49) Допускаемый коэффициент пульсации на выходе фильтра: q2=U12max/Ud2 (9.50) где Ud2 - среднее значение напряжения на выходе фильтра, U12max- амплитуда первой гармоники этого напряжения.
Отношение коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра называется коэффи циентом сглаживания:
При применении индуктивного фильтра (рис. 9.42а) первая гармоника переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя распределяется между индуктивным сопротивлением фильтра XL и нагрузочным сопротивлением Rnp. Когда XL >>Rnp, пульсации выпрямленного напряжения на сопротивлении нагрузки Rnp малы (рис. 9.446). В двухполу периодной схеме коэффициент сглаживания равен:
Зная коэффициент пульсации и сопротивление нагрузки Rnp, величину индуктивности L можно найти по формуле:
Для больших значений коэффициентов сглаживания s емкость конденсатора С или индуктивность катушки L простейших фильтров будут велики, что приведет к очень большим габаритам фильтра. В этом случае рационально применить Г-образный фильтр (рис. 9.44г). Суммарный объем конденсатора и катушки индуктивности в этом случае получается меньше, чем объем одного конденсатора в емкостном фильтре или объем катушки в индуктивном фильтре. Для расчета Г-образного фильтра используется выражение:
где w - частота первой гармоники выпрямленного напряжения, L и С определяются из выражения: wL=l/wC. Расчет схем выпрямителей с фильтром на выходе В предлагаемых задачах провести расчет схемы двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки, элементы которого имеют различные параметры для каждой задачи. Задачи сформулированы таким образом, чтобы продемонстрировать различия в процессах, происходящих в схеме, для случаев подключения активной нагрузки без фильтра и через индуктивный фильтр, обеспечивающий высокий коэффициент сглаживания. -В этих задачах читатель по существу впервые сталкивается с необходимостью планирования и проведения экспериментов в реальных схемах. Этот процесс потребует от Вас определенного времени и внимания для получения правильного результата и его последующего анализа. Рассмотрим пример, в котором проводится расчет и экспериментальная проверка результата. Задача 1 (файл с9_200) Дано: Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц (рис. 9.43). Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. В этом случае среднее значение тока в диодах отличается от действующего значения тока на 0.2 А.
2. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра 0.5 Гн, коэффициент сглаживания — 10. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Найти: максимальное обратное напряжение на диодах, величину выделяемой в нагрузке активной мощности для 1-го и 3-го опытов. Расчет: 1.Из первого опыта можно определить среднее значение тока Iдр в нагрузке. Из формул (9.38,9.41)следует:
2. Из второго опыта найдем сопротивление нагрузки. Преобразуя формулу (9.52), получим:
3. Воспользовавшись соотношением (9.35), получим действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке трансформатора:
4. Обратное напряжение на диодах определяется по формуле 9.40: Ubmax=n0.9U2 = 68.4 В 5. Мощность, выделяемая в нагрузке в первом опыте, определяется действующим значением напряжения на вторичной полуобмотке'трансформатора:
6. Мощность, выделяемая в нагрузке во втором опыте, определяется средним значением напряжения на нагрузке:
Экспериментальная проверка результатов расчета Показания приборов в опыте 1 представлены нарис. 9.43. Они несколько отличаются от расчетных, поскольку прямое падение напряжения на диодах в Electronics Workbench, как отмечалось, не равно нулю. Следует также отметить, что амперметр, включенный последовательно с диодом и переведенный в режим АС, измеряет среднеквадратичное напряжение всех гармонических составляющих (не включая постоянную составляющую) и для вычисления действующего значения необходимо взять корень квадратный из суммы квадратов показаний обоих амперметров, включенных последовательно с диодом (см. Приложение 1). Максимальное обратное напряжение на диоде можно измерить по осциллограмме, снятой с помощью источника ЭДС, управляемого напряжением (см. Приложение 1), включенного параллельно диоду. Максимум напряжения снимается как разница напряжений на
диоде в моменты времени, отмеченные курсорами. Первый курсор выставлен в момент времени, когда диод открыт, второй курсор установлен в момент, когда к диоду приложено максимальное отрицательное напряжение.
Задачи для самостоятельного исследования
В этом разделе приведены условия 6 задач из 40. Условия остальных задач приведены в файлах с9_207.с...с9_240.сс на прилагаемой к книге дискете. Для моделирования используйте файл с9_200.са4. Задача 1 (с9_200) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Проведены 3 опыта:
1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. Среднее значение тока в диодах отличается от действующего значения тока на 0.2 А. 2. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра 0.5 Гн, коэффициент сглаживания — 10. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Найти: Максимальное обратное напряжение на диодах, величину выделяемой в нагрузке активной мощности для 1-го и 3-го опытов.
Задача 2 (с9_201) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Максимальное обратное напряжение на диодах 50 В. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. Среднее значение тока в диодах отличается от действующего значения тока вторичных обмоток трансформатора на 0.2 А.
2. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Коэффициент сглаживания фильтра 10. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Найти: Индуктивность фильтра во 2-ом опыте, величину выделяемой в нагрузке активной мощности для 1-го и 3-го опытов.
Задача 3 (с9_202) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. 2. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра 0.4 Гн, коэффициент сглаживания 15. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. В этом случае среднее значение тока в диодах отличается от действующего значения тока на 0.3 А. Найти: Максимальное обратное напряжение на диодах, величины выделяемой в нагрузке активной мощности и потребляемой из сети полной мощности для 1-го опыта.
Задача 4 (с9_203) Двухполу периодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Максимальное обратное напряжение на диодах 50 В. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. 2. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Коэффициент сглаживания фильтра 15. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. В этом случае среднее значение тока в диодах отличается от действующего значения тока во вторичных обмотках трансформатора на 0.4 А. Найти: Индуктивность фильтра во 2-м опыте, величину потребляемой из сети полной мощности в 1-м и 3-м опытах.
Задача 5 (с9_204) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. 2. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра 0.2 Гн, коэффициент сглаживания 10. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Известно, что величина действующего значения тока диодов в 1-м и 3-м опытах различается на 0.2 А. Найти: Максимальное обратное напряжение на диодах, величину выделяемой в нагрузке активной мощности для 1-го и 3-го опытов.
Задача 6 (с9_205) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Максимальное обратное напряжение на диодах 60 В. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. 2. Нагрузка подключена к выпрямителя через индуктивный фильтр. Коэффициент сглаживания фильтра 12. 3. Нагрузка подключена к выпрямителя через индуктивный фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Известно, что величина действующего тока вторичных обмоток трансформатора в 1-м и 3-м опытах различается на 0.3 А. Найти: Индуктивность фильтра во 2-м опыте, величину выделяемой в нагрузке активной мощности для 1-го и 3-го опытов.
Задача 7(с9_206) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. 2. Нагрузка подключена к выпрямителю через L-фильтр. Индуктивность фильтра составляет 0.3 Гн. Коэффициент пульсации тока нагрузки равен 0.07. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через L-фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Известно, что величина потребляемой из сети полной мощности в 1-м и 3-м опытах различается на 10 ВА. Найти: Максимальное обратное напряжение на диодах, величину выделяемой в нагрузке активной мощности в 1-м и 3-м опытах.
Задача 8(с9_207) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Максимальное обратное напряжение на диодах 80 В. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. 2, Нагрузка подключена к выпрямителю через L-фильтр. Коэффициент пульсации тока нагрузки равен 0.13. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через L-фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Известно, что величина потребляемой из сети полной мощности в 1-м и 3-м опытах различается на 5 ВА. Найти: Индуктивность фильтра во 2-м опыте, величину выделяемой в нагрузке активной мощности для 1-го и 3-го опытов.
Задача 9(с9_208) Двухполупериодный выпрямитель нагружен на сопротивление R. Частота питающей сети 50 Гц. Проведены 3 опыта: 1. Нагрузка подключена непосредственно к выпрямителю. 2. Нагрузка подключена к выпрямителю через L-фильтр. Индуктивность фильтра составляет 0,4 Гн. Коэффициент пульсации напряжения нагрузки равен 0.13. 3. Нагрузка подключена к выпрямителю через L-фильтр. Индуктивность фильтра настолько велика, что пульсациями тока нагрузки можно пренебречь. Известно, что величина выделяемой в нагрузке активной мощности в 1-м и 3-м опытах различается на 2 Вт. Найти: Максимальное обратное напряжение на диодах, величину потребляемой из сети полной мощности для 1-го и 3-го опытов.
Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители
9.3. Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители
Цель
1. Анализ процессов в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
2. Сравнение форм входного и выходного напряжения для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
3. Определение среднего значения выходного напряжения (постоянной составляющей) в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
4. Определение частоты выходного сигнала в схемах однополупериодного выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.
5. Сравнение максимальных значений выходного напряжения для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.
6. Сравнение частот выходного сигнала для схем двухполупериодного и однополупериодного выпрямителей.
7. Анализ обратного напряжения Umax на диоде в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
8. Исследование работы трансформатора в схеме выпрямителя.
Краткие сведения из теории Среднее значение выходного напряжения Ид (постоянная составляющая) однополупе-риодого выпрямителя (рис. 9.7) вычисляется по формуле: Ua=Um/п. (9.3.) Значение Ud двухполупериодного выпрямителя (рис. 9.8) вдвое больше: Ud=2Um/п. (9.4.) Частота выходного сигнала f для схемы с однополупериодным или двухполупериод-ным выпрямителем вычисляется как величина, обратная периоду выходного сигнала: f = 1/Т. При этом период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного. Максимальное обратное напряжение на диоде однополупериодного выпрямителя равно максимуму входного напряжения. Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора равно разности удвоенного максимального значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2м и прямого падения напряжения на диоде Unp: Umax = U2m - Unp.
Порядок проведения экспериментов
Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжения однополупери-одного выпрямителя. а). Откройте файл с9_031 (рис. 9.7). Включите схему. На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В - входной. Зарисуйте осциллограммы в разделе "Результаты экспериментов". Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения. б). Измерьте период Т выходного напряжения по осциллограмме и запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". Вычислите частоту выходного сигнала. в). Определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде и запишите в раздел "Результаты экспериментов". г). Вычислите коэффициент трансформации как отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу. Запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". д). Вычислите среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая). Результат запишите в раздел "Результаты экспериментов". Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.
Эксперимент 2. Исследование входного и выходного напряжении двухполупе-риодного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора. а). Откройте файл с9_032. (рис. 9.8). На вход А осциллографа подается выходной сигнал, а на вход В — входной. Зарисуйте полученные осциллограммы в разделе "Результаты экспериментов". Измерьте и запишите максимальные входные и выходные напряжения. б). Измерьте период Т по осциллограмме выходного напряжения и запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". Вычислите частоту выходного сигнала. в). По осциллограмме выходного напряжения, определите максимальное обратное напряжение Umax на диоде. Запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". г). Вычислите среднее значение Ud выходного напряжения (постоянная составляющая) Запишите результат в раздел "Результаты экспериментов". Запишите постоянную составляющую напряжения на выходе, измеренную мультиметром.
Результаты экспериментов Эксперимент 1. Исследование входного и выходного напряжения однополупери-одного выпрямителя. а).
Эксперимент 2. Исследование входного и выходного напряжения двухполупери-одного выпрямителя с отводом от средней точки трансформатора. а).
Вопросы
1. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?
2. Одинаковы ли вычисленное и измеренное мультиметром среднее значение выходного напряжения Ud?
3. Одинаковы ли частоты входного и выходного сигналов в схемах одно- и двухполупери-одного выпрямителей?
4. Как влияет падение напряжения на диоде на выходное напряжение выпрямителя?
5. Превышает ли максимальное отрицательное напряжение Umax на диоде значение, предельно допустимое для диода 1N4001?
6. Зачем необходимы трансформаторы в схемах выпрямителей?
7. Каковы различия между сигналом на входе и на выходе при двухполупериодном выпрямлении?
8. Чем отличается выходное напряжение в схемах однополупериодного и двухполупери-одных выпрямителей?
9. Сравните максимальное обратное напряжение на диодах в однополупериодном и двухполупериодном выпрямителях.
10.Одинаковы ли частоты входного и выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя? Как они соотносятся с частотами входного и выходного напряжения для однополупериодного выпрямителя?
