1.5. Содержание отчета о работе
1. Цель работы и краткие теоретические сведения.
2. Принципиальные электрические схемы экспериментов с указанием параметров резисторов и конденсаторов.
3. Результаты измерений и расчетов ЛАЧХ фильтров в виде таблиц и графиков по разд. 1.2 и 1.4. Расчетную и экспериментальную кривые постройте на одном графике.
4. Осциллограммы сигналов на входе и выходе интегрирующей и дифференцирующих цепей.
5. Расчетные формулы и результаты интегрирования и дифференцирования
прямоугольных импульсов.
6. Выводы по работе. Указать на достоинства и недостатки простейших
RC - цепей. Привести примеры их использования в практических электронных
устройствах.
1.6. Контрольные вопросы
1. Объясните ход ЛАЧХ фильтров низких и высоких частот.
2. Что понимается под “частотой среза” фильтра ?
3. Покажите, как будет выглядеть сигнал на выходе интегратора если, на его вход поступает последовательность прямоугольных импульсов поло- жительной полярности.
4. Если измерительная цепь неожиданно начинает дифференцировать входной сигнал, то что это означает ?
1.7. Библиографический список
1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3 т. : Т.1/ Пер. с англ. - 4-е изд. - М. : Мир, 1993. - 371 с.
2. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. - СПб. : Корона принт, 1998. - 400 с.
3. Опадчий Ю. Ф., Глудкин О. П., Гуров А. И. Аналоговая и цифровая электроника . - М. : “Горячая Линия-Телеком”, 2000. - 768 с.
8
Лабораторная работа № 2
ВЫПРЯМИТЕЛИ ТОКА
2.1. Цель работы
Ознакомиться с устройством и принципом действия однофазных выпрямителей тока на основе полупроводниковых диодов.
2.2. Краткие теоретические сведения
Под выпрямлением понимается процесс преобразования переменного тока в постоянный. Сущность выпрямления заключается в сохранении неизменным направления протекания тока в нагрузке вне зависимости от полярности входного напряжения. Устройства, которые осуществляют такое преобразование, называются выпрямителями.
Основой выпрямителя являются элементы с односторонней проводимостью - электрические вентили. В данной работе в качестве вентилей используются полупроводниковые (п/п) диоды. В состав выпрямителя, как правило, входят трансформатор, предназначенный для преобразования величины переменного напряжения, и сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации напряжения на нагрузке.
Конструктивно диод представляет собой кристалл с двумя слоями проводимости (p- и n- типа), заключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь. “Односторонняя” проводимость диода обусловлена свойствами электронно-дырочного или p-n- перехода. Основным материалом для его изготовления служит кремний. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода приведена на рис.2.1. Здесь же приведена ВАХ идеального вентиля. Прямая ветвь характеристики Iпр = F(Uпр) показывает зависимость тока, проходящего через диод, при прямой (пропускной) полярности приложенного напряжения. Прямой ток (участок ОА) практически экспоненциально зависит от величины данного напряжения и может достигать больших значений при малом (0,3-1В) падении напряжения на диоде.
Обратная ветвь характеристики Iобр = F(Uобр) соответствует “непроводящему” направлению тока через диод при обратной полярности напряжения, приложенного к нему. Обратный ток (участок OB) незначительно зависит от величины обратного напряжения. Однако при относительно большом его значении (точка B на характеристике) наступает электрический пробой p-n - перехода (участок BC), при котором быстро увеличивается обратный ток, что может привести к тепловому пробою (участок CD) и разрушению диода.
9
Рис.2.1. Вольт-амперные характеристики: выпрямительного диода (а) и идеального вентиля (б)
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
Iпр.ср- допустимое среднее значение за период (СЗП) выпрямленного прямого тока, проходящего через диод;
Uпр.ср - СЗП прямого падения напряжения на диоде при прохождении через него допустимого тока;
Uобр.ср - СЗП допустимого обратного напряжения;
Iобр.ср - СЗП обратного тока при допустимом обратном напряжении;
Pср - допустимая СЗП мощность, рассеиваемая диодом.
В тех случаях, когда требуется более высокое значение обратного напряжения, чем это допускается одним диодом, их соединяют последовательно, а при необходимости иметь значительные прямые токи диоды соединяют параллельно. В обоих случаях используют уравнительные резисторы, что обусловлено некоторым различием обратного и прямого сопротивлений у однотипных диодов.
На рис.2.2 представлены две схемы выпрямителей.
10
Рис.2.2. Схемы однофазных выпрямителей:
а- однополупериодная; б- двухполупериодная
Простейшей является схема однополупериодного (однотактного) выпрямителя (рис.2.2, а). Применение таких схем в электронной аппаратуре ограничено из-за неэффективного использования силового трансформатора и выходного сглаживающего фильтра (см. ниже).
Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянная составляющая) определяется интегралом за период
, (2.1)
где U2- действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора,- частота напряжения.
Схема на рис. 2.2,б относится к двухполупериодным (двухтактным) выпрямительным схемам, в которых ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов питающего напряжения. Эта схема получила название выпрямителя мостового типа. Для него среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке вдвое больше, чем в однотактном выпрямителе
, (2.2)
Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения, что в большинстве случаев является необходимым условием нормальной работы
11
электронной аппаратуры, между выпрямителем и нагрузкой включается сглаживающий фильтр. Простейшим фильтром является конденсатор сравнительно большой величины ёмкости (рис.3.3, а).
Временные диаграммы, представленные на рис.3.3, б, поясняют работу такой схемы. В момент времени t1, когда амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора Um2возрастает и становится равной напряжению на конденсаторе Ucсглаживающего фильтра, открывается первая пара диодов (VD1 и VD3). Рабочий ток начинает протекать через нагрузку Rн, одновременно часть его iзаросуществляет подзарядку конденсатора C0. В момент времени t2, когда напряжение Um2, уменьшаясь, снова достигнет значения Uc , диоды выключаются. До момента времени t3ток в нагрузке поддерживается благодаря разряду через него конденсатора. К этому моменту уже происходит смена полярности напряжения на входе в выпрямитель, и открывается вторая пара диодов(VD2 и VD4). Процесс повторяется.
Рис.2.3. Схема двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы его работы (б)
Важной характеристикой качества выпрямления является коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке
12
, (2.3)
где Uоа- амплитуда напряжений пульсаций (см. рис.2.3, б) ; Uо- величина выпрямленного напряжения на нагрузке.
Применительно к схеме выпрямителя, представленной на рис. 2.3,а, коэффициент пульсаций можно рассчитать по следующей формуле:
, (2.4)
где f - частота питания сети (50 Гц) ; R- сопротивление нагрузки; Cо- ёмкость конденсатора фильтра.