Лабораторная работа № 1 Исследование полупроводниковых диодов и однофазных неуправляемых выпрямителей. Цель работы: Изучить вентильные свойства, вольт-амперные характеристики p-n-перехода на основе простейшего диода, специального диода – стабилитрона, а также наиболее распространенные электрические схемы выпрямителей и сглаживающих фильтров однофазного переменного тока. 1. Общие сведения P-n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем, самым наглядным примером таких устройств является диод. Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Евнеш , совпадающее по направлению с собственным полем напряженностью Есобст (рис. 1.1,а), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя и увеличению напряженности собственного поля Есобст , так как отведет от контактной зоны и положительные и отрицательные носители заряда. При этом сопротивление р-n-перехода останется большим, а ток через него будет равен обратному току I обр I s (рис. 1.1,в). В этом случае р-n-перехода находится в закрытом состоянии. При противоположной полярности источника напряжения (рис. 1.1,б), когда внешнее электрическое поле направлено навстречу собственному полю, толщина запирающего слоя уменьшается. При этом сопротивление р-nперехода резко снижается и при Евнеш Есобст возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называется прямым I пр , а переход – открытым (рис. 1.1,в). Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, условное обозначение представлено на рис. 1.1 г. По своему назначению диоды подразделяются на две гру ы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока в постоянный. К диодам специального типа относятся диоды, использующие различные свойства р-n-перехода - явление пробоя (стабилитроны), наличие участков с отрицательным сопротивлением (туннельные, обращенные), явление излучения или поглощения видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областей спектра (фото- и светодиоды). Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного (двухполярного) напряжения в однополярное. Выпрямители классифицируются по нескольким признакам. Так, по количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. На рис. 1.2,а представлена схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя. Такой выпрямитель пропускает на выход только одну полуволну питающего напряжения (рис. 1.2,б). U D U1 I вых Rнагp U2 а u2 ( t ) U2 U вых t U вых I вых U вых I вых б t Рис. 1.2. Схема однополупериодного выпрямителя (а) и его временные диаграммы (б) Для сглаживания пульсаций напряжения применяют конденсатор, подключенный параллельно нагрузке. При работе конденсатор в течение времени положительной полуволны питающего напряжения заряжается практически до амплитудного значения переменного напряжения При подключении нагрузки в течение всего времени, когда диод заперт, происходит разряд конденсатора через сопротивление нагрузки Rнагр . В момент времени, когда напряжение на вторичной обмотке становится больше выходного напряжения, конденсатор вновь начинает заряжаться. Величина напряжения, до которого зарядится конденсатор, зависит от внутреннего сопротивления трансформатора. Отношение коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра называется коэффициентом сглаживания, который определяется по зависимости: К КС Пвх m C Rнагр К Пвых где m - число импульсов тока в нагрузке за время одного периода, 2 f - угловая частота питающего напряжения. В однофазной мостовой схеме выпрямления (рис. 1.3,а), ток в течение нечетных полупериодов протекает по цепи D1 - Rнагр - D3 , а в течение четных полупериодов - по цепи D2 - Rнагр - D4 . При этом через нагрузку ток проходит в одном направлении. U U D1 D4 U2 I вых U2 D3 D2 Rнагp а U вых t U вых б t Рис. 1.3. Схема однофазного мостового выпрямителя (а); временные диаграммы напряжения (б) 2. Ход выполнения работы 1. По заданию преподавателя выбрать из базы диод из серии 1N. выписать основные параметры выбранного диода (в скобках указано условное обозначение в среде Multisim): – обратный ток I обр IS =10-17; – динамическое сопротивление прямого включения Rпр.дин RS=0,0134; – барьерная емкость при нулевом смещении на p-n-переходе Cбар CJO=1,132*10-10; – допустимое время переключения t пер TT=3,699*10-7; – напряжение пробоя U обр max BV=100; – начальный ток пробоя при напряжении пробоя I проб IBV=0,0001 2. Собрать схему Рис 1.4 – Схема для снятия ВАХ диода Для снятия вольт-амперной характеристики (ВАХ) полупроводникового диода необходимо задавать значение ЭДС источника Е и фиксировать значения тока I вых (А1). 3. Снятие обратной ветви ВАХ полупроводникового диода. Для снятия обратной ветви ВАХ диода следует изменять напряжение на его аноде в пределах от 1,1 U обр max до 0. Результаты измерений занести в табл. 1. Таблица 1 Обратная ветвь ВАХ диода E, В 0 -0,1Uобрmax -0,3Uобрmax -0,5Uобрmax -0,7Uобрmax -0,9Uобрmax -Uобрmax -1,1Uобрmax I обр , мА 0 0 0 0 0 -0,014 -0,085 -98 4. Снятие прямой ветви ВАХ полупроводникового диода. Для снятия прямой ветви ВАХ диода следует изменять напряжение на его аноде в пределах от 0 до 0,75 В. Результаты измерений занести в табл. 2. Таблица 2 Прямая ветвь ВАХ диода E, В I пр , мкА 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0 0,014 0,028 0,056 0,056 0,056 0,222 0,75 34 5. По результатам эксперимента построить на миллиметровой бумаге в одной координатной плоскости прямую и обратную ветви ВАХ полупроводникового диода. Рекомендуется взять разные масштабы по осям прямого и обратного токов. 6. В среде моделирования Multisim снять ВАХ полупроводникового диода с помощью характериографа, схема подключения характериографа представлена на рис. 1.6. В меню «Выбор компонента» необходимо выбрать «диод», в меню «моделирование» для снятия прямой ветви ВАХ установить пределы моделирования от 0 до 1,5 В с шагом 10 мВ. Результат сохранить. Для снятия обратной ветви ВАХ необходимо задать пределы моделирования от 0 до 1,1 U обр max В. Результат сохранить и сверить полученной ВАХ в п.5. Рис. 1.5. Схема подключения характериографа и окно настройки. 7. Исследовать однополупериодную схему выпрямления на базе диода выбранного в п.1. Для этого необходимо собрать схему на рис. 1.6. D I вых 1 ~ E 2 Rнагp 3 Рис. 1.6. Однофазный однополупериодный выпрямитель 8. Значения амплитуды входной ЭДС задается индивидуально преподавателем, частота питающей сети принимается 50 Гц. Для снятия осциллограмм используем 2-х канальный осциллограф. Для снятия синусоиды входного напряжения подключаем щупы канала А к гнездам «1» и «3», для снятия выпрямленного напряжения подключаем щупы канала В к гнездам «2» и «3». XSC1 Ext Trig + _ B A + D3 V2 _ + _ U3 + 1.961m 5 Vrms 50 Hz 0° 1N4005 A DC 1e-009Ohm R2 1000Ω + - 2.463 V U4 AC 10MOhm Рис. 1.7 – Схема включения диода и осциллографа Осциллограф необходимо настроить таким образом, чтобы масштабы по каналу А и В были идентичными, а сами осциллограммы располагались таким образом как показано на рис. 1.2,б. Функция перемещения кривой по оси ординат реализуется уставкой в окне «позиция по Y». Полученные осциллограммы необходимо сохранить. 9. Исследовать однополупериодной схемы выпрямления с фильтром. Для этого необходимо параллельно сопротивлению нагрузки Rнагр подключить электролитный конденсатор как это показано на рис. 1.8. 1 ~ E D I вых C 2 Rнагp 3 Рис. 1.8. Однофазный однополупериодный выпрямитель с фильтром 10. Рассчитать значение емкости конденсатора таким образом, чтобы коэффициент пульсации составил 0,5. Выбрать конденсатор ближайший больший по емкости к расчетной емкости из числа серийно выпускаемых промышленностью. Кф СФ Кпвх 157 3,14 КпН 50 Кф p Rн 3,14 117 мкФ 1 314 85 11. Снять осциллограммы подобно п.8. 12. Исследовать однофазную двухполупериодную мостовую схему выпрямления на базе диода выбранного в п.1. Собрать схему исследования (рис. 1.9). 13. Значения амплитуды входной ЭДС задается индивидуально преподавателем, частота питающей сети принимается 50 Гц. Для снятия осциллограмм используем 2-х канальный осциллограф. Для снятия синусоиды входного напряжения подключаем щупы канала А к гнездам «1» и «2», для снятия выпрямленного напряжения подключаем щупы канала В к гнездам «3» и «4». Осциллограф необходимо настроить таким образом, чтобы масштабы по каналу А и В были идентичными, а сами осциллограммы располагались таким образом как показано на рис. 1.3,б. Полученные осциллограммы необходимо сохранить. 1 D4 ~ I вых D1 3 E 2 D3 Rнагp D2 4 Рис. 1.9. Схема однофазного мостового выпрямителя D1 D2 XSC1 1N4151 1N4151 Ext Trig + V1 _ B A 18 Vrms 50 Hz 0° + _ _ + D3 D4 1N4151 1N4151 R1 100Ω U1 - 13.958 + V DC 10MOhm 14. Исследование однополупериодной схемы выпрямления с фильтром. Для этого необходимо параллельно сопротивлению нагрузки Rнагр подключить электролитный конденсатор как это показано на рис. 1.10. 1 D4 ~ I вых D1 3 E 2 D3 D2 C Rнагp 4 Рис. 1.10. Схема однофазного мостового выпрямителя с фильтром XSC2 D1 Ext Trig + D2 _ XSC1 1N4151 1N4151 B A + _ + _ R2 1Ω Ext Trig + V1 _ B A 18 Vrms 50 Hz 0° + _ + _ D3 D4 1N4151 1N4151 R1 100Ω C1 1000µF U1 + -19.179 V DC 10MOhm 15. Рассчитать значение емкости конденсатора таким образом, чтобы коэффициент пульсации составил 0,1. Выбрать конденсатор ближайший больший по емкости к расчетной емкости из числа серийно выпускаемых промышленностью (Ряд Е12). Кф СФ Кпвх 67 67 Кп Н 10 Кф p Rн 67 12.55 мкФ 13 мкФ 2 314 8500 16. Снять осциллограммы подобно п.13. 17. Сделать выводы по работе. 3. Контрольные вопросы • Что называется полупроводниковым диодом? • Какие физические процессы протекают в диоде при его смещении в прямом направлении? • Какие физические процессы протекают в диоде при его смещении в обратном направлении? • Напишите уравнение вольт-амперной характеристики полупроводникового диода? • Как влияет повышение температуры на прямую ветвь вольтамперной характеристики полупроводникового диода? • Что такое стабилитрон? • Что такое туннельный диод? • Что такое обращенный диод? • Почему в варикапах используется только барьерная ёмкость и не используется диффузионная ёмкость? • Что такое выпрямитель? • Поясните принцип действия однофазного однополупериодного выпрямителя. • Поясните принцип действия однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. • Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя. • Что такое стабилизатор напряжения?