Лабы

Подавая с помощью Генератора НЧ (190кГц) прямоугольные импульсы напряжения (5 Вольт), наблюдайте на экране осциллографа переходную характеристику кремниевого и германиевого диода. Снимите и зарисуйте переходную характеристику диодов на подобие рис. 12 (ток через диод найдите по закону Ома). Определите, какой диод является импульсным диодом.

Содержание отчёта

Отчёт о выполненной работе должен содержать графики вольтамперной характеристики для кремниевого и германиевого диодов, стабилитрона, а так же график переходной характеристики для импульсного диода.

Контрольные вопросы

1)Перечислите основные материалы, применяемые при изготовлении полупроводниковых диодов.

2)Объясните механизм протекания тока через p-n переход в прямом и обратном направлениях.

3)Каким образом свойства p-n перехода зависят от температуры?

4)Возможно ли применять германий для изготовления стабилитронов?

5)В чём заключается сущность туннельного эффекта?

6)В чём состоят основные отличия импульсного диода от выпрямительного?

7)Возможно ли в детекторном приёмнике применить выпрямительный диод?

8)На основании полученных результатов сделайте вывод о применимости изученных диодов.

Лабораторная работа №2

«Выпрямители.

Стабилизация напряжения при помощи стабилитрона»

Цель работы: Изучить схемы выпрямления тока и стабилизации напряжения на основе полупроводниковых двухвыводных элементов.

Перед выполнением лабораторной работы рекомендуется изучить теорию [11].

Краткие теоретические сведения

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Чаще всего в его состав входят: силовой трансформатор, вентиль, сглаживающий фильтр. Под вентилем понимают электронный, газоразрядный, полупроводниковый прибор, обладающий свойством односторонней проводимости. В настоящее время в большинстве устройств используются полупроводниковые диоды.

Выпрямители различаются по числу фаз и периодов выпрямления. Мы рассмотрим однофазную однополупериодную, однофазную двухполупериодную и мостовую схемы.

Однофазная однополупериодная схема.

Рисунок 1 – Однофазная однополупериодная схема

Рассмотрим принцип действия схемы изображённой на Рисунке 1. Во вторичной обмотке трансформатора действует переменное напряжение U 2 . В тот полупериод, когда к аноду диода приложен

положительный потенциал, а к катоду – отрицательный, в цепи вторичная обмотка – диод – сопротивление нагрузки течёт ток. Его мгновенное значение описывается формулой:

i2 I2m sin t ,

(1)

где I2m – амплитудное значение тока

Ток имеет форму импульсов. Напряжение на нагрузке так же будет пульсирующим (Рис. 2). Практическое значение имеют действующие значения напряжений и токов во вторичной обмотке трансформатора, их постоянные составляющие в нагрузке, а так же связь между ними.

Рисунок 2 – График токов и напряжений в цепи выпрямления

Для расчётов пренебрегаем падением напряжения на диоде и во вторичной обмотке трансформатора. Тогда, действующее значение

тока в цепи I2 и постоянную составляющую тока в цепи										I0 можно
представить в виде:
		1			I	2m
I2				I22m sin2 td t			,			(2)
	2					2
	0
		1			I2m
I0				I2m sin td t					,	(3)
		2
	0
			I0 0,636I2 ,							(4)

На сопротивлении нагрузки Rн падает пульсирующее напряжение. Его постоянная составляющая:

	1
U0		U2m sin td t 0,318U2m ,	(5)
	2
	0

Действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора даётся формулой:

	U2	1	2 U02 sin2	td t 0,707U2m ,	(6)
		2
			0
	Связь напряжений:		U 0 0, 45U 2 ,		(7)

Двухполупериодная схема со средним выводом вторичной обмотки трансформатора.

По числу фаз вторичной обмотки схема является двухфазной (Рис. 3).

Рисунок 3 – Двухполупериодная схема выпрямления

Когда точка А имеет относительно точки 0 положительный потенциал, ток течёт от точки А через диод Д1, сопротивление нагрузки Rн и замыкается на обмотку в точке 0. При этом точка В имеет

отрицательный потенциал относительно точки 0, поэтому ток через диод Д2 в этот момент времени не течёт. В следующий полупериод напряжения процесс повторяется для диода Д2. В итоге ток через нагрузку R течёт в течении всего периода действия напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Связь постоянной составляющей тока I0 и его действующего значения I2 :

I0 1, 27I2 ,

(8)

Связь постоянной составляющей падения напряжения U0 на нагрузке и действующего значения напряжения U 2 во вторичной обмотке трансформатора:

U 0 0,9U 2 , (10)

Мостовая схема.

Мостовая схема выпрямления приведена на Рисунке 4.

Рисунок 4 – Мостовая схема выпрямления

В момент, когда точка А имеет положительный потенциал относительно точки В, ток течёт от точки А, через диод Д1, сопротивление нагрузки Rн, диод Д3 и замыкается на вторичную

обмотку трансформатора. В следующий полупериод переменного напряжения ситуация повторяется для диодов Д2 и Д4.

Связь постоянной составляющей тока и его действующего значения:

I0 0,9I2 ,

(11)

Связь постоянной составляющей падения напряжения на нагрузке и действующего значения напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

U0 0,9U 2 ,

(12)

Наиболее эффективной является мостовая схема выпрямления. Ток протекает через обмотку в течение всего периода. Поэтому

конструкция трансформатора значительно проще, так как не требуется делать средний отвод вторичной обмотки.

Стабилизатор напряжения на стабилитроне.

Схема, приведённая на Рисунке 5, представляет собой делитель напряжения, в нижнем плече которого резистор заменён на стабилитрон. Ток в схеме обусловлен входным напряжением Uвх и

ограничен резистором R0 :

I	(Uвх Uвых)	,	(13)
	R0

Рисунок 5 – Схема стабилизатора

Конденсатор Cф служит для сглаживания помех выходного напряжения.

Если вам требуется запитать какое-нибудь не слишком привередливое электронное устройство, то можно воспользоваться простейшей схемой параметрического стабилизатора. При изменении входного напряжения ток через балластный резистор тоже изменяется, изменяется напряжение на нем, а вот напряжение на стабилитроне остается почти неизменным. А, значит, и нагрузка получает практически неизменное питание.

Рассмотрим один из самых простых грубых расчетов параметрического стабилизатора. Для примера пусть входное напряжение 15 вольт, выходное 10 вольт, ток потребления нагрузки (т.е. на выходе) 20 мА (рис. 6). Согласно, требуемого напряжения стабилизации на нагрузке и токе выбираем стабилитрон 1N4740А с

параметрами – напряжения стабилизации 10 вольт при токе стабилизации 25 мА.

Рисунок 6 – Схема стабилизатора

Следующим шагом является подбор балластного резистора. Ток I протекающий через него, является суммой токов стабилитрона, и тока нагрузки. Из закона Ома для участка цепи получаем:

I Uвх Uст ,	откуда находим R Uвх Uст .
R1	1	I

Далее определяется мощность рассеяния резистора:

P	(1.5..2)*(I 2	* R )
R	R	1
1	1

мощности в пол вата в данном случае вполне достаточно. Показателем качества стабилизации является коэффициент

стабилизации:

K	Uвх		Uвх Uвх
	Uвых		Uвых Uвых

Обычно этот коэффициент не превышает 20…50.

Eще один расчет

Рисунок 7 – графический расчет параметрического стабилизатора

При работе параметрического стабилизатора для поддержания выходного напряжения на требуемом уровне используется участок обратного электрического пробоя стабилитрона. Предположим, что заданы выходное напряжение Uвых, сопротивление нагрузки Rн и

диапазон входного напряжения Uвх_max и Uвх_min. Отложим на оси напряжений значения минимального и максимального напряжений и

через эти точки проведем прямые, угол наклона которых определяется сопротивлением балластного резистора Rб. Точки пересечения характеристики стабилитрона с проведенными прямыми дадут значения соответствующих выходных напряжений устройства. При этом будем полагать, что Rн >>Rб и Iб = Iст .

Очевидно, что вследствие нелинейности ВАХ стабилитрона изменению Uвх = Uвх max - Uвх min будет соответствовать изменение выходного напряжения Uвых = Uвых max - Uвых min, причем

Uвх>> Uвых.

Коэффициент стабилизации устройства ориентировочно можно определить в предположении, что Uвх>> Uвых=0 и Rн=const.

Тогда Iвх = Uвх/Rб и Uвых = Iвх* rд, где rд - дифференциальное сопротивление стабилитрона. Откуда

Uвых/ Uвх= Iвх*rд/ Iвх*Rб;

Кст = ( Uвх/Uвх) / ( Uвых/Uвых) = Uвыхх*Rб/Uвх*rд,

где Uвх = (Uвх_max + Uвх_min)/2.

Расчет параметрического стабилизатора может быть выполнен из условия Iст_min ≤ Iст ≤ Iст_max с использованием выражений:

(Uвх_min-Uвых)/Rб=Uвых/Rн_min+Iст_min;	(14)
(Uвх_max - Uвых)/Rб = Uвых/Rн_max + Iст_max	(15)

Способ немного сложне:

Для любителей более точных и изощренных расчетов предлагается способ посложнее. Здесь исходными данными будут стабилизированное напряжение Uст = Uн на нагрузке Rн, предельные значения тока нагрузки Iн min и Iн max и наибольшие относительные ожидаемые отклонения входного напряжения питания н и в от его

номинального значения Uвх ном.

Исходя из соображений надежности аппаратуры мощность, рассеиваемая на стабилитроне, должна обязательно быть ниже предельной. Учитывая это, рекомендуется принимать при расчете наибольшее рабочее значение тока через стабилитрон не более 0,8 от указанного в справочнике Iст_max. Это принятое значение тока обозначим Iст.р_max. При токе Iст_min, регламентированном техническими условиями, динамическое сопротивление rд стабилитрона существенно увеличивается по сравнению со значением, соответствующим номинальному току стабилизации. Это ухудшает стабильность выходного напряжения в режиме наибольших значений тока нагрузки и при напряжении Uвх, близком к нижнему пределу. Для того, чтобы обеспечить приемлемый коэффициент стабилизации, минимальное рабочее значение тока через стабилитрон Iст.р_min принимают при

расчете в 3 раза большим, чем Iст.р_min. При расчете необходимо

учитывать, что чем больше Iст.р_min и чем меньше Iст.р_max, тем больше необходимое значение напряжения Uвх.

Сначала проверяют пригодность выбранного по напряжению стабилизации стабилитрона при заданных пределах тока нагрузки и питающего напряжения:

где и .

Если неравенство не выполняется и нет возможности применить более мощный стабилитрон, то придется задаться меньшими значениями н

ив, уменьшить Iн_max или увеличить Iн_max.

Втех случаях, когда нагрузка включена постоянно и нагрузочный

ток не изменяется, можно принять Iн_max = Iн_min. Если же, наоборот, надо предусмотреть режим холостого хода стабилизатора, то во избежание

повреждения стабилитрона выбирают Iн_min=0. Ток выражают в миллиамперах.

Номинальное значение напряжения Uвх, которое должен обеспечить выпрямитель, вычисляют по формуле:

Сопротивление (в Омах) балластного резистора R1 равно:

Вычисляют рассеиваемую на резисторе R1 максимальную мощность (в ваттах):