федеральное агентстВО по ОБРАЗОВАНИю РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Подпись: 3 Лабораторные работы

по аналоговой

электронике

в программно-аппаратной

среде NI ELVIS

, С. В. СИЛУШКИН

Лабораторная работа№2

Исследование диодных схем

Методические указания

к лабораторной работе

Томск 2008

УДК 621.38

Лабораторные работы по аналоговой электронике в программно-аппаратной среде NI ELVIS. Кн. 3. , Силушкин диодных схем. Методические указания к лабораторной работе. - Томск: Изд. ТПУ, 2008. – 16 с.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета.

Темплан 2008

Лабораторная работа № 1

Исследование диодных схем

1. Цель работы:

· овладеть методикой снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных элементов;

· освоить расчет основных параметров диодов, характеризующих их как нелинейные элементы;

· получить практические навыки исследования схем лабораторной работы.

2. Задачи работы:

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

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

· ответить на контрольные вопросы методических указаний.

· качественно обработать полученные экспериментальные данные, подготовить и защитить отчет.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

3. Краткие сведения для подготовки к лабораторной работе

Отличительным свойством выпрямительных диодов является их вентильное свойство, т. е. способность проводить ток при прямом включении и практически не проводить в обратном включении.

Как известно, ВАХ диода нелинейная, поэтому в любой точке ВАХ имеют место свои значения статического и дифференциального сопротивлений: , RСТ > RД, .

Вентильные свойства выпрямительных диодов широко используются в схемах выпрямителей и ограничителей напряжения. В лабораторной работе исследуются схемы однополупериодного выпрямителя, работающего на активную или емкостную нагрузку, и схемы последовательного и параллельного ограничителя.

Пусть прямое включение диода реализовано в схеме, изображенной на рисунке 1. В соответствии с алгоритмом построения нагрузочной прямой, ее уравнение имеет вид: . Тогда она расположится на ВАХ диода следующим образом (рисунок 2) и будет перемещаться параллельно самой себе при изменениях Е1. Абсцисса рабочих точек показывает значение напряжения U, падающего на диоде.

Если на рисунке 1 вместо источника напряжения постоянного тока включить источник гармонического напряжения, то напряжение UR будет повторять форму тока I(t) (рисунок 2), причем амплитуда UR в первом приближении будет отличаться от Em на значение порядка Е0 (рисунок 3), а угол отсечки Q тока I и напряжения UR будет меньше 90°.

Рисунок 2. Графические построения на ВАХ диода выпрямителя

с активной нагрузкой

Приняв в качестве модели диода схему замещения при кусочно-линейной аппроксимации ВАХ, для входного гармонического сигнала получим расчетную схему (рисунок 3).

Тогда для положительной полуволны Е~

, UR = IR » E(t) – E0 при R >> Rд.

Итак, в указанном режиме работы диода – в режиме большого сигнала, нелинейность и вентильные свойства диода проявляются в отсечке тока, когда ток в цепи практически отсутствует на отрицательной полуволне входного гармонического сигнала и на части его положительной полуволны.

Может сложиться впечатление, что в цепи с диодами форма тока и напряжения на резисторе R всегда несинусоидальная при синусоидальном входном воздействии. Однако это не так в случае работы диода в режиме малого сигнала. Такой режим имеет место тогда, когда, например, с помощью источника напряжения постоянного тока рабочая точка выведена на линейный участок, а источник напряжения переменного тока изменяет токи и напряжения в окрестностях рабочей точки (рисунок 4). В этом случае любая нелинейность может быть линеаризована как касательная к ВАХ в рабочей точке. Форма же переменных составляющих тока и напряжений в схеме практически гармоническая, несмотря на нелинейность ВАХ и вентильные свойства диода.

Как известно, в режиме малого сигнала при низкочастотном воздействии моделью диода является его дифференциальное сопротивление в рабочей точке.

Рисунок 4. Режим «малого сигнала» выпрямительного диода

Увеличение частоты входного сигнала требует использования ВЧ моделей диода. Инерционные свойства диода, ухудшающие его вентильные свойства, целесообразно просмотреть при исследовании схем диодных выпрямителей или ограничителей, повышая частоту генератора гармонического сигнала.

Схема однофазного выпрямителя, работающего на активную нагрузку, используется редко, так как создает сильно пульсирующий ток в нагрузке. Если простота однофазной схемы заставляет отдать ей предпочтение по сравнению с многофазными, то используют схему с дополнительным конденсатором фильтра - рисунок 5.

Рисунок 5. Однофазный выпрямитель, работающий на активно-емкостную нагрузку

В реальных схемах выпрямителей резистор R2 отсутствует. В приведенной схеме он поставлен, чтобы наблюдать на осциллографе ток диода (используем вход CHB+). Выходное напряжение (на нагрузке) просматриваем, используя CHA+. Синхронизированные временные диаграммы напряжения и тока для низкочастотного входного сигнала генератора (FGEN) показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Временные диаграммы работы однофазного выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой.

Как видно из рисунка, диод открывается только на положительной полуволне напряжения с генератора, когда сравняются входное и. выходное напряжения. Напряжение на нагрузке, а значит и ток через нее, при фиксированных параметрах элементов схемы пульсируют около среднего значения тем меньше, чем меньше время, в течение которого емкость разряжается на нагрузку, т. е. выше частота генератора. С другой стороны при фиксированной частоте генератора пульсации уменьшаются при увеличении емкости фильтра.

Инерционные свойства диода, ухудшающие его вентильные свойства, приведут к искажениям преобразовательной характеристики выпрямителя с повышением частоты.

Наряду с различными схемами выпрямителей вентильные свойства диодов широко используются в других схемах и, в частности, в ограничителях.

Такие схемы используются, когда требуется направленно исказить гармонический сигнал, чтобы резко обогатить спектр и получить возможность выделить нужную гармоническую составляющую, отсутствующую во входном сигнале. Но наиболее часто ограничители применяются для целей защиты электрических цепей, чтобы в нужном месте схемы значение сигнала не превышало заданного значения.

Обратимся вновь к схеме рисунка 4, но диод поставим в режим большого сигнала, т. е. в отличие от ранее рассмотренного режима установим амплитуду E~ больше Е1. Тогда на части отрицательной полуволны переменного сигнала диод закроется и не будет пропускать ток, защитив при этом нагрузку R.

В ходе лабораторной работы будет исследоваться другая схема последовательного ограничителя сигналов.

В практике аналоговой электроники широкое распространение также получили кремниевые стабилитроны, разработанные для стабилизации напряжения постоянного тока.

Чтобы осуществить такую стабилизацию, на ВАХ элемента должен находиться участок, на котором при значительных изменениях тока изменения напряжения были бы незначительными. Такими свойствами (малого дифференциального сопротивления) обладают участки ВАХ кремниевых диодов, где при обратном включении развивается тот или иной вид пробоя p-n-перехода с током, ограниченным внешним резистором.

Простейший аналоговый стабилизатор напряжения постоянного тока – параметрический стабилизатор изображен на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема параметрического стабилизатора положительного напряжения.

Суть процесса стабилизации заключается в том, что любое изменение входного напряжения Е1 и/или сопротивления нагрузки RН приводят к изменениям общего тока и перераспределению токов между диодом и нагрузкой. При этом UН = UСТ практически не изменяется, благодаря работе стабилитрона на участке ВАХ с малым дифференциальным сопротивлением и изменением падения напряжения на резисторе R.

Среди параметров, характерных для стабилизаторов напряжения, наиболее распространенными являются:

- нестабильность выходного напряжения по сети (line regulation) - процентное изменение выходного напряжения в ответ на изменение входного напряжения

где использованы сокращения:

o – out, hi – high, lo – low, in – input,

т. е. речь идет об изменении выходного напряжения при высоком и низком уровнях входного, отнесенного к выходному напряжению при номинальном входном;

- нестабильность выходного напряжения по нагрузке (load regulation) - процентное изменение выходного напряжения в ответ на изменение тока в нагрузке от половины до полного номинального значения

где - номинальное выходное напряжение на холостом ходу при номинальном ;

- общий КПД (overall efficiency), показывающий разработчику, сколько тепла будет выделяться внутри изделия и потребуется ли в физической конструкции какой-либо теплоотвод

КПД=.

При определении указанных параметров стабилизатора на макете находим соответствие: входные напряжения (Е1) изменяются с помощью перестраиваемого источника (Variable Power Supply), выходное напряжение UСТ = .

4. Программа лабораторной работы:

4.1. Исследование схем однополупериодного выпрямителя:

· Осуществите запуск программного обеспечения NI ELVIS и его инициализацию.

· Соберите схему для снятия ВАХ диодов: VD1-кремниевого точечного диода, VD3- кремниевого стабилитрона. Сохраните данные по ВАХ в виде файлов с целью дальнейшего использования и распечатки для отчета. Пункт выполняется, если утеряны данные, полученные в лабораторной работе №1.

· Соберите схему однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку (рисунок 5, отключив емкость C10). В качестве источника переменного напряжения используйте генератор FGEN, используя выводы FGEN и Ground. Установите на генераторе амплитуду гармонического сигнала Е~ = Uвх~ = 2.5В и частоту f = 1 кГц.

· Инициируйте генератор и осциллограф и пронаблюдайте временные диаграммы выходного напряжения(CHA+) и тока диода (CHB+) выпрямителя. Измерьте осциллографом амплитуды сигналов и определите период входного напряжения и временной интервал ненулевого тока диода. Определите угол отсечки тока Q. Данные зафиксируйте для их дальнейшей обработки. Временные диаграммы входного напряжения и полученных сигналов синхронизируйте.

· Изменяйте частоту гармонического напряжения с генератора и пронаблюдайте на повышенных частотах проявляются ли инерционные свойства диода. Зафиксируйте временные диаграммы выходного напряжений и тока диода и синхронизируйте их с входным гармоническим сигналом.

· Соберите схему однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку, восстановив схему рисунка 5 и частоту генератора f = 1 кГц. При сборке схемы используйте также четыре соединенные друг с другом гнезда макета.

· Пронаблюдайте временные диаграммы выходного напряжения(CHA+) и тока диода (CHB+) выпрямителя. Если на выходном напряжении пульсации плохо наблюдаются, то закройте вход канала А осциллографа и увеличите чувствительность по этому каналу. Зафиксируйте временные диаграммы выходного напряжений и тока диода и синхронизируйте их с входным гармоническим сигналом.

· Изменяйте частоту гармонического напряжения с генератора и пронаблюдайте, как с вариацией частоты изменяется амплитуда пульсаций. Полученные данные, как минимум на трех частотах, зафиксируйте.

· Установите f = 1 кГц и снимите зависимость Uвых= = f(Uвх~), изменяя амплитуду входного напряжения генератора FGEN U вх~от 2,5В до 1,1в ЧЕРЕЗ 0,2в. Значения Uвых= получайте или в виде данных измерителя канала CHA+ осциллографа, или инициируя вместо осциллографа цифровой вольтметр DMM. Сформируйте массив данных и сохраните их для дальнейшего использования.

4.2. Исследование работы схемы последовательного ограничителя:

· Соберите схему последовательного ограничителя, изображенную на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема последовательного диодного ограничителя

· Инициируйте генератор, регулируемый источник питания (Variable Power Supplies) и осциллограф. Установите амплитуду гармонического сигнала Е~ = 6В на частоте f = 1 кГц и значение напряжения E1 источника SUPPLY+ равное 3В.

· Исследуйте работу схемы последовательного ограничителя, изучив временные диаграммы сигналов на входе и выходе при различных значениях и полярности подпирающего напряжения Е1 (два-четыре значения по выбору). Сохраните для отчета полученные в ходе экспериментов файлы синхронизированных сигналов.

4.3. Исследование работы схемы параметрического стабилизатора:

· Соберите схему параметрического стабилизатора в режиме холостого хода, изображенную на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема параметрического стабилизатора напряжения

· Инициируйте для питания схемы параметрического стабилизатора источник VSP положительной полярности и цифровой вольтметр DMM для измерения выходного напряжения.

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

· Подключите к выходу стабилизатора нагрузку RL и измерьте коэффициент нестабильности выходного напряжения KL, повторив предыдущий пункт.

· Измерьте коэффициент нестабильности выходного напряжения по нагрузке (load regulation). Значение получите как номинальное выходное напряжение на холостом ходу при номинальном =10В. Выходное напряжение при полной нагрузке измеряется при параллельном соединении RL и R6, а половинная нагрузка реализуется или RL или R6.

· Сравните нестабильности выходных напряжений от вариаций Е1 в режимах холостого хода и под нагрузкой. Сделайте заключение.

· Установите номинальное входное напряжение Е1 = 10 В и замерьте выходное напряжение параметрического стабилизатора на холостом ходу (U1) и под нагрузкой RL (U2). Рассчитайте Rвых стабилизатора.

5. Контрольные вопросы

1. Как по ВАХ диода определить значения Е0 и Rд схемы замещения диода при кусочно-линейной аппроксимации (рисунок 3)?

2. Определите Rст и Rд в выбранной Вами рабочей точке по ВАХ диода.

3. Изобразите ожидаемую зависимость Rст = f(I).

4. Изобразите ожидаемую зависимость Rд = F(I).

5. Что такое режим малого сигнала?

6. Почему в режиме малого сигнала формы входного и выходного сигналов практически совпадают?

7. Поясните работу схемы выпрямителя, работающего на активную нагрузку, используя временные диаграммы сигналов.

8. Почему в схеме выпрямителя с активной нагрузкой угол отсечки тока диода меньше 90 градусов?

9. Поясните работу схемы выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку, используя временные диаграммы сигналов.

10. Что можно сделать, чтобы уменьшить амплитуду пульсаций выходного напряжения?

11. С какой целью используются ограничители напряжения?

12. Как работает схема последовательного ограничителя напряжения (использовать временные диаграммы сигналов)?

13. Как изменится диаграмма выходного сигнала, если в схеме последовательного ограничителя поменять полярность источника E1?

14. Какая ветвь ВАХ стабилизатора обычно используется с целью стабилизации напряжения?

15. Почему для стабилизации напряжения используется область пробоя p-n-перехода стабилитрона?

16. Как в заявленной рабочей точке определить статическое и дифференциальное сопротивления стабилитрона?

17. Приведите графические построения на ВАХ стабилитрона для схемы (рисунок 7), поясняющие работу стабилизатора при изменениях Е1, когда RН = const.

18. Приведите графические построения на ВАХ стабилитрона для схемы (рисунок 7), поясняющие работу стабилизатора при изменениях RН, когда Е1= const.

19. Что необходимо предпринять в схеме параметрического стабилизатора напряжения, чтобы уменьшить коэффициент нестабильности выходного напряжения ?

20. Выведите формулу для расчета выходного сопротивления Rвых параметрического стабилизатора.

21.Различным полупроводниковым диодам соответствует свое условное обозначение в схемах. Укажите правильное соответствие.

1-ая группа:	2-ая группа:
1. Стабилитрон односторонний	а)
2. Туннельный диод	б)
3. Диод. Основное обозначение	в)
4. Диод Шоттки	г)
5. Варикап (диод емкостной)	д)
6. Светодиод	е)
7. Фотодиод	ж)

22. Различным типам полупроводниковых диодов малой мощности соответствует своя характеристика при прямом включении:

1-ая группа

1. Диод Шоттки. 2. Кремниевый диод.

2-ая группа:

а) б)

23. На рисунке изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода для двух температур Т1 и Т2 > Т1. Тогда участки ВАХ при прямом и обратном включении соответствуют:

а) 1 и 3 для Т 1;

б) 1 и 4 для Т 2;

в) 2 и 3 для Т 1;

г) 2 и 4 для Т 2.

24. Какая из временных диаграмм соответствует

работе схемы при входном гармоническом сигнале, если при ³0 его сопротивление равно 0, а при < 0 его сопротивление равно ¥?

а) б) в)

25. Нагрузочная прямая на ВАХ диода указанной схемы пересекает ось токов на уровне _____ мА.

26. Среднее за период значение напряжения на нагрузке при гармоническом входном напряжении, если максимальное напряжение на нагрузке – Uнм, а угол отсечки тока - 90°, равно ______.

27. Параметрический стабилизатор работает от источника ЭДС. Чему равно выходное сопротивление схемы?

а) R;

б) дифференциальному сопротивлению прямо смещенного стабилитрона ;

в) дифференциальному сопротивлению обратно смещенного стабилитрона ;

г) ;

д) .

28. Максимальное значение входного

напряжения стабилизатора при Ucт=10 В;

Icт макс =30 мА; Rн =1 кОм; R =0,5 кОм равно __ В.

29. Какое допустимое обратное напряжение должен иметь диод, чтобы он не пробился при отключении нагрузки? Действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора :