Рабочие схемы, таблицы и порядок выполнения работы

Упражнение 1. Эффект р-п перехода в диодах.

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

Рис. 1.5.а

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

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

Uпр., В	0,0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,65
Iпр, мА

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

Рис. 1.5.б

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

   Uобр., В	0,0	5	10	15^8	20	25	30
   Iобр, мкА

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

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

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

Упражнение 2. Диоды с переменной емкостью.

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

Рис. 1.6.

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

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

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

(Табл. 1.3)

U2, В	f, кГц	L, мГн	С, пФ
		200

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

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

7. Построить график зависимости емкости варикапа от обратного напряжения.

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

Контрольные вопросы.

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

2. Как определяют дифференциальное и статическое сопротивление полупроводниковых приборов?

3. В чем заключается принцип действия диода?

4. В чем заключается принцип действия варикапа?

Лабораторная работа № 2.

Полупроводниковые выпрямители

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

Теоретическое введение

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

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

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

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

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

Рис. 2.1. Внешняя характеристика выпрямителя.

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

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

Классификация выпрямителей может выполняться по различным признакам:

- по форме выпрямленного напряжения (однополупериодные и двухполупериодные);

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

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

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

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

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

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

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

(2.1)

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

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

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

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

(2.2)

Среднее значение тока, в этом случае равно выпрямленному току.

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

К_тр=Р₀/Р_тр≈0,3

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

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

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

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

(2.3)

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

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

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

По первому закону Кирхгофа прямой ток через диоды VD2, VD3 равен

i₁=i_н + i_с=Сdu_c/dt+u_н/R_н

где u_c=u_н=U_msinωt – напряжение на конденсаторе фильтра емкостью С; i_с=Сdu_c/dt=ωСcosωt - ток, текущий через конденсатор.

Предположим, что i₁=0. Тогда

ωСcosωt+ (U_m/R_н)sinωt=0

откуда .

Т.о. начиная с момента времени t₁, напряжение на нагрузке будет изменяться по экспоненциальному закону (рис. 2.4,б штриховая линия):

В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе u_c и на входе выпрямителя u₂=-U_msinωt будут равны и откроются диоды VD1, VD4. Далее процесс в цепи будет периодически повторяться, в результате происходит периодическая зарядка конденсатора фильтра током i_с от источника энергии и его последующая разрядка в цепь приемника. Т.о. включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую в кривой выпрямленного напряжения.

Мощные выпрямители, предназначенные для коммутации токов до 10⁶ А мощностью от 10 кВт до 100 кВт, как правило, целесообразно питать от трехфазных цепей переменного тока. Схемы трехфазных выпрямителей, получивших наиболее широкое распространение, приведены на рис. 2.5.

Рис. 2.5 Схема трехфазного выпрямителя с отводом от нулевой точки (а), мостового трехфазного выпрямителя (в) и диаграммы их работы (б и с соответственно).

Простейшая трехфазная система выпрямления с нулевым выводом (см. рис. 2.5, а) состоит из трехфазного трансформатора и трех диодов. Первичная обмотка трансформатора может соединяться Y или ∆, а вторичная – только Y, иначе отсутствует необходимый нулевой вывод. Такую схему удобно рассматривать как состоящую из трех однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. Выпрямители питаются тремя симметричными напряжениями, сдвинутыми по фазе на 120⁰ (см. рис. 2.5, б). Как видно из диаграммы работы диоды проводят ток поочередно, каждый в течении 1/3 периода выпрямляемого напряжения. Проводящим, в каждый данный момент, является тот диод, анод которого находится под действием положительного напряжения. В этом случае ток через нагрузку протекает в одном направлении, от конца одной их вторичных обмоток, через диод и нагрузку к общей точке. Трехфазная схема с нулевым выводом по сравнению с рассмотренными однофазными обладает рядом преимуществ: равномерная нагрузка на сеть переменного тока; лучшее использование обмоток трансформатора; уменьшение коэффициента пульсаций (более чем в 2,5 раза по сравнению с двухполупериодными схемами и в 6 раз, по сравнению с однополупериодной), что позволяет использовать емкостные фильтры меньшей емкости. К недостаткам этой схемы следует отнести плохое использование трансформатора и повышенное обратное напряжение на выпрямительных диодах.

Исключить указанные недостатки позволяет мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларионова) (см. рис. 2.5, в). Обмотки трансформатора в этом случае могут соединяться по любой схеме, так как нулевой вывод здесь не нужен. Трехфазную мостовую схему удобно представить как два трехфазных выпрямителя, которые включены последовательно и питаются напряжениями, сдвинутыми по фазе на 180⁰ (см. рис. 2.5, с). При этом в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде наибольшее положительное напряжение. К достоинствам схемы Ларионова относятся: отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций, равный 5,7%. , что позволяет во многих случаях не использовать выходной фильтр.