Лабараторная работа N2 Грицина Максим готовое

Национальный исследовательский университет
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Отчет по лабораторной работе №2
по дисциплине ЭЛЕКТРОНИКА
Исследование диодных схем в программно-аппаратной среде NI
ELVIS
Выполнил: студент гр. 8В83
М.А.Грицина __________
Проверил:
А.И. Заревич __________
Томск 2010
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
 овладеть методикой снятия
нелинейных элементов;
вольт-амперных
характеристик
(ВАХ)
 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
подготовить и защитить отчет.
экспериментальные
данные,
3. ХОД РАБОТЫ
3.1. СНЯТИЕ ВАХ ДИОДОВ
ВАХ диодов берём из первой лабораторной работы.
Рис. 1. ВАХ кремниевого точечного диода (прямое включение).
2
Рис. 2. ВАХ кремниевого точечного диода (обратное включение).
Рис. 3. ВАХ кремниевого стабилитрона (прямое включение).
3
Рис. 4. ВАХ кремниевого стабилитрона (обратное включение).
3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО
НА АКТИВНУЮ НАГРУЗКУ
Соберем схему однополупериодного выпрямителя, работающего на активную
нагрузку (рис. 5, без C10).
Рис. 4. Схема однофазного выпрямителя, работающего на активно-емкостную
нагрузку.
Установили на генераторе амплитуду гармонического сигнала E = UВХ= 2.5 В и
частоту f = 1 кГц.
4
Рис. 5. Частота генератора f = 1 кГц.
Получим временные диаграммы выходного напряжения(CHA+) и тока диода
(CHB+) выпрямителя. Измерим осциллографом амплитуды сигналов и определим период
входного напряжения и временной интервал ненулевого тока диода.
Томск 2010
Рис. 6. График выходного напряжения и тока диода VD1.
Рис. 7. Период входного напряжения диода VD1.
6
Рис. 8. Интервал ненулевого тока диода VD1.
 1.67  2  2.36 Â
ÌÂÛÕ
U
 2.5  2  3.54 В
МВХ
U
Для выходного напряжения: dT  442 10 6 ñ .
Период входного напряжения T  984 10 6 ñ
360  442 10 6
 80.85
угол отсечки тока =

6
984 10  2
Аналогичные измерения проводим для диода Шоттки VD2.
7
Рис. 9. График выходного напряжения и тока диода Шоттки VD2 выпрямителя.
Рис. 10. Период входного напряжения диода Шоттки VD2.
8
Рис. 11. Интервал ненулевого тока диода Шоттки VD2.
U
U
ÌÂÛÕ
МВХ
 1.98  2  2.71 Â (из рис. 10)
 2.5  2  3.54 В (взято номинальное значение)
Для выходного напряжения: dT  484  10 6 ñ . (из рис. 12)
Период входного напряжения T  984  10 6 ñ (из рис. 11).
Угол отсечки=
360  484 10 6
 88.54

6
984 10  2
9
У диода шотки угол отсчеки больше, чем у кремниевого диода, диод шотки
обладает меньшим временем переключения состояний и его использование
предпочтительно для схем выпрямителей.
Повысим частоту напряжения с генератора и пронаблюдаем на повышенных
частотах, проявляются ли инерционные свойства диода. Зафиксируем временные
диаграммы выходного напряжений и тока диода и синхронизируем их с входным
гармоническим сигналом.
Рис. 12. Частота генератора f = 20 кГц.
10
Рис. 13. Интервал ненулевого тока диода Шоттки.
Рис. 14. Интервал ненулевого тока диода VD1.
эффективность выпрямления потому, что часть подведенного к p-n переходу
внешнего напряжения падает на сопротивлении базы диода. Отсюда следует, что p-n
11
переходы полупроводниковых диодов, работающих на высокой частоте должны
обладать малой емкостью и малым сопротивлением базы.
Идеальный диод, должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии,
бесконечно большое сопротивление - в закрытом, и мгновенно переходить из одного
состояния в другое. На самом деле, при переключении диода из закрытого состояния в
открытое и обратно стационарное состояние устанавливается в течении некоторого
времени, которое называется временем переключения и характеризует инерционные
свойства диода. Наличие инерционных свойств, при быстром переключении приводит к
искажению формы переключаемых импульсов.
12
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО НА
АКТИВНО-ЕМКОСТНУЮ НАГРУЗКУ
Соберем схему однополупериодного выпрямителя, работающего на активноемкостную нагрузку (рис. 5).
Пронаблюдаем временные диаграммы выходного напряжения(CHA+) и тока диода
(CHB+) выпрямителя.
Рис. 15. Частота генератора f = 1 кГц.
13
Рис. 16. диаграмма выходного напряжения(CHA+) и тока (CHB+) диода VD1
выпрямителя.
14
Рис.17.диаграмма выходного
гармонического сигнала.
напряжения(CHA+)
диода
VD1
и
входного
Рис. 18.диаграмма выходного тока (CHB+) диода VD1 и входного гармонического
сигнала.
15
Аналогичные измерения проводим для диода Шоттки VD2 1N5817.
Рис. 19. диаграмма выходного напряжения(CHA+) и тока (CHB+) диода Шоттки
VD2 выпрямителя.
16
Рис.20.диаграмма выходного напряжения(CHA+) диода Шоттки VD2 и входного
гармонического сигнала.
Рис. 21. диаграмма выходного тока (CHB+) диода Шоттки VD2 и входного
гармонического сигнала.
17
3.4. ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДЫ ПУЛЬСАЦИЙ С ВАРИАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ
Изменим частоту гармонического напряжения с генератора и пронаблюдаем, как с
вариацией частоты изменяется амплитуда пульсаций.
Таблица 1.
Полученная
частота генератора
1003
5002
9999
15008
20003
Амплитуда
пульсации VD1, В
1,58
1,48
1,35
1,28
1,24
Амплитуда
пульсации VD2, В
1,90
1,81
1,71
1,62
1,58
Т.о. мы видим, что для кремниевого диода амплитуда пульсаций меньше, чем для
диода Шоттки и, для обоих диодов, амплитуда пульсаций убывает с нарастанием
частоты.
Рис. 22. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода VD1 при частоте генератора 1 кГц.
18
Рис. 23. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода VD1 при частоте генератора 5 кГц.
Рис. 24. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода VD1 при частоте генератора 10 кГц.
19
Рис. 25. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода VD1 при частоте генератора 15 кГц.
Рис. 26. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода VD1 при частоте генератора 20 кГц.
20
Рис. 27. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при частоте генератора 1
кГц.
21
Рис. 28. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при частоте генератора 5
кГц.
Рис. 29. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при частоте генератора 10
кГц.
22
Рис. 30. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при частоте генератора 15
кГц.
Рис. 31. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при частоте генератора 20
кГц.
23
Рис. 32 Частота генератора f = 1 кГц.
Установим частоту генератора f = 1 кГц, а вместо емкости C10 установим емкость
C2 = 10 мкФ.VD1
Рис. 33 Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода VD1 при частоте генератора 1 кГц.
24
Рис. 34 Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при частоте генератора 1
кГц.
На данных графиках наблюдается падение амплитуды пульсации, т.к. в схеме
выпрямителя использовалась емкость с большим номиналом.
25
3.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ
АМПЛИТУДЫ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
U
ВЫХ
 f (U
ВХ ~
)
С
ИЗМЕНЕНИЕМ
 f (U
) , будем изменять
ВЫХ
ВХ ~
амплитуду входного напряжения генератора FGEN U
от 2,5 В до 1,1 В через 0,2В.
ВХ ~
Значения U
= получим в виде данных измерителя канала CHA+ осциллографа.
ВЫХ
Установим f = 10 кГц и снимая зависимость U
26
Рис. 35. Частота генератора f = 10 кГц.
Uвых.
UГЕН, В
UВХ,
UВЫХ, В
2,06
1,98
1,78
1,60
1,44
1,27
1,09
0,912
1,48
1,43
1,26
1,12
0,995
0,858
0,732
0,596
В
2,5
2,3
2,1
1,9
1,7
1,5
1,3
1,1
27
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0.596
0.732
0.858
0.995
1.12
1.26
1.43
1.48
Uвх.
Рис. 36. График зависимости UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при изменении UВХ.
Из графика видно, что зависимость между UВХ и UВЫХ линейная.
28
Рис. 37. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 2,5 В.
Рис. 38. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 2,3 В.
29
Рис. 39. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 2,1 В.
Рис. 40. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 1,9 В.
30
Рис. 41. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 1,7 В.
Рис. 42. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 1,5 В.
31
Рис. 43. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 1,3 В.
Рис. 44. Зависимость UВЫХ = f(UВХ~) диода Шоттки VD2 при UВХ~ = 1,1 В.
3.6. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ
Соберем схему последовательного ограничителя.
32
Инициируем генератор, установим амплитуду гармонического сигнала Е~ = 2,5 В
на частоте f = 1 кГц.
Исследуем работу схемы последовательного ограничителя, изучив временные
диаграммы сигналов на входе и выходе при различных значениях и полярности
подпирающего напряжения Е1.
Рис. 45. Схема последовательного ограничителя.
Рис. 46. Временная диаграмма сигналов на входе и выходе при Е1 = -12 В.
33
Рис. 47. Временная диаграмма сигналов на входе и выходе при Е1 = 0,5 В.
Рис. 48. Временная диаграмма сигналов на входе и выходе при Е1 = 1 В.
34
Рис. 49. Временная диаграмма сигналов на входе и выходе при Е1 = 1,5В.
Рис. 50. Временная диаграмма сигналов на входе и выходе при Е1 = 2 В.
35
Рис. 51. Временная диаграмма сигналов на входе и выходе при Е1 = 2,5 В.
Источник Е1 препятствует открыванию диода в положительный полупериод входного сигнала.
Поскольку Е1 препятствует открыванию диода, то открывание его произойдет в момент времени, когда
напряжение сигнала положительной полуволны начнёт превышать величину подпирающего
напряжения. При этом к нагрузке будет приложена разность Евх~ и Е1. В результате на нагрузке будем
иметь импульсы меньшей амплитуды и меньшей длительности. Причем, чем больше Е1, тем меньше
амплитуда и длительность. При отрицательной полярности Е1, подпирающее напряжение будет
способствовать открыванию диода. При этом к нагрузке будет приложена сумма Евх~ и Е1. Закрывание
диода произойдет в момент, когда входное напряжение будет более отрицательно, чем Е1. На нагрузке
будут импульсы большей амплитуды и длительности. Длительность будет больше полупериода.
36
3.7. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА
Соберем схему параметрического стабилизатора в режиме холостого хода.
Рис. 52. Схема параметрического стабилизатора напряжения.
Без стабилитрона.
Рис. 53. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R21, R23
37
Рис. 54. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R23
Рис. 55. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R21.
VPS = 12 В.
Со стабилитроном.
Рис. 56. Напряжение на выходе стабилизатора со стабилитроном VD3, без R21, R23.
38
Рис. 57. Напряжение на выходе стабилизатора
со стабилитроном VD3, без R23.
Рис. 58. Напряжение на выходе стабилизатора
со стабилитроном VD3, без R21.
Без стабилитрона.
39
Рис. 59. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R21, R23.
Рис. 60. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R23
Рис. 61. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R21.
Со стабилитроном.
40
Рис. 62. Напряжение на выходе стабилизатора со стабилитроном VD3, без R21, R23.
Рис. 63. Напряжение на выходе стабилизатора со стабилитроном VD3, без R23.
Рис. 64. Напряжение на выходе стабилизатора со стабилитроном VD3, без R21
41
Без стабилитрона.
Рис. 65. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R21, R23.
Рис. 66. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R23
42
Рис. 67. Напряжение на выходе стабилизатора без стабилитрона VD3, R21.
Со стабилитроном.
Рис. 68. Напряжение на выходе стабилизатора со стабилитроном VD3, без R21, R23.
Рис. 69. Напряжение на выходе стабилизатора со стабилитроном VD3, без R23.
43
Рис. 70. Напряжение на выходе стабилизатора со стабилитроном VD3, без R21.
Измерим коэффициент нестабильности выходного напряжения KL, считая что
номинальное выходное напряжение имеет место при Е1 = 10В, а максимальное и
минимальное значения фиксируются при Е1 = 12 В и Е1 = 8 В соответственно.
44
Измерим коэффициент нестабильности при отключенном стабилитроне.
V
V
K L  Line Reg.  0( hi in ) 0( loin )  100%
V0( nomin )
K 
l
12.867  8.589
 0.397
10.774
Подключим к выходу стабилизатора нагрузку R21 (10 кОм).
V
V
K L  Load Reg .  0( full load ) 0( half load )  100%
V0( rated load )
10.579  7.062
 0.397
8.858
Подключили к выходу стабилизатора нагрузку R23 (5,1 кОм).
V
V
K L  Load Reg .  0( full load ) 0( half load )  100%
V0( rated load )
K 
l
K 
l
8.971  5.989
 0.397
7.512
Измерим коэффициент нестабильности при подключенном стабилитроне.
K L  Line Reg. 
K 
l
V0( hi in )  V0( loin )
V0( nomin )
 100%
3.160  2.756
 0.135
2.984
Подключим к выходу стабилизатора нагрузку R21 (10 кОм).
K L  Load Reg . 
K 
l
V0( full load )  V0( half load )
V0( rated load )
 100%
3.105  2.684
 0.144
2.922
Подключили к выходу стабилизатора нагрузку R23 (5,1 кОм).
K L  Load Reg . 
K 
l
V0( full load )  V0( half load )
V0( rated load )
 100%
3.050  2.613
 0.153
2.852
Мы получили в схеме без стабилитрона, коэффициент нестабильности равен 39,7%,
при подключении стабилитрона он уменьшается до 14,4 и 15,3% в схемах с
45
сопротивлением R21 и R23 соответственно. Параметрический стабилизатор, в котором
применяется полупроводниковый стабилитрон, позволяет стабилизировать напряжение в
пределах заданной точности.
ВЫВОД
В данной лабораторной работе мы исследовали 3 устройства: однополупериодный
выпрямитель, последовательный ограничитель, а также параметрический стабилизатор.
Однополупериодный выпрямитель, работающий на активную нагрузку, создает большие
пульсации тока в нагрузке. Для того, чтобы уменьшить эти пульсации, параллельно
нагрузке в схему подключается конденсатор. И чем больше ёмкость такого конденсатора,
тем меньше будет амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения.
Схема последовательного ограничителя напряжения позволяет ограничивать
сигнал выше или ниже заданного уровня. Вне области ограничения выходное
напряжение повторяет форму входного сигнала.
Параметрический метод стабилизации напряжения представляет собой
стабилизацию выпрямленного напряжения, путем использования нелинейных элементов,
перераспределяя между компонентами схемы напряжения и токи, тем самым,
стабилизируя напряжение. Напряжение, падающее на нелинейные элементы, не
испытывает влияния от течения сквозь них тока. В качестве таких нелинейных элементов
используются стабисторы и стабилитроны (в нашем случае стабилитрон). Помимо
полупроводникового стабилитрона, в схему параметрического стабилизатора напряжения
входит балластный резистор R1, который снимает ненужное напряжение и на некоторых
участках цепи осуществляет выравнивание токов и напряжения. В процессе работы в
стабилитроне и балластном резисторе происходит большая потеря мощности, таким
образом, коэффициент полезного действия параметрических стабилизаторов довольно
низкий. В связи с этим, параметрические стабилизаторы напряжения со стабилитроном
используются при маломощных нагрузках.
46