Щеглова И.Ю., Печенов В.В. Виртуальный физический практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Изучение выпрямительных диодов.

Средним значением выпрямленного (пульсирующего) тока называется значение та-

кого постоянного тока, который переносит такой же заряд электричества за тот же промежу-

ток времени, что и выпрямленный ток (в нашем случае – за половину периода, т.к. в течение

второй половины ток отсутствует).

()

=ω−

=⋅ω

=⋅ω=⋅==

∫∫∫

maxmax

max

cosdsin dsin

ttI

TTT

ср

Таким образом, среднее значение пульсирующего тока связано с амплитудным формулой:

maxmax

318,0 III

ср

⋅=π= . (1)

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения на R

(выходное напряжение)

определяется законом Ома (т.к. нагрузка и диод включены последовательно, через них про-

текает один и тот же ток:

срн

II = ):

ннсрн

RIRIU ⋅⋅==

max

318,0

Найдем соотношение между U

и действующим значением напряжения на зажимах

вторичной обмотки трансформатора u

вх

. Во время положительной полуволны диод открыт и

его сопротивление R

пр д

<<R

. (R

пр д

- сопротивление диода в прямом направлении). Поэтому

можно считать, что все приложенное напряжение падает на нагрузке:

ннвх

RIUU ⋅=≈

maxmax

. Следовательно,

maxmax

318,0/

вхвхнвых

UUUU ⋅=

. Но

эффвхвх

UU 2

max

= , откуда

эффвхэффвхн

UUU ⋅=π⋅= 45,0/2 . (2)

Внимание: Данная формула справедлива только для выпрямителя без фильтра!

Во время отрицательного полупериода напряжения

вх

u диод VD находится под дей-

ствием обратного напряжения, максимум которого (амплитуда) составляет

maxвх

U . Посколь-

ку сопротивление диода при обратном смещении велико (

ндобр

RR >> ), то практически все

приложенное напряжение падает на диоде. Следовательно,

ннвхобр

UUUU ⋅=⋅π=≈ 14,3

maxmax

. Отсюда следует, что при выборе диода для работы в

схеме однополупериодного выпрямителя необходимо соблюдать условие:

ндобр

UU ⋅> 3,14 . (3)

Для характеристики выпрямленного напряжения вводят понятие коэффи-

циента пульсаций - отношение действующего значения выходного напряжения

на нагрузке (так называемого

напряжения пульсаций) к среднему значению

напряжения. Для сглаживания пульсаций параллельно нагрузочному сопротив-

лению подключают конденсатор.

Следует заметить, что величина выходного напряжения существенно за-

висит от сопротивления нагрузки, т.е. от величины тока, потребляемого нагруз-

кой. При большом токе нагрузки заряд конденсатора уменьшается, и, следова-

тельно, выходное напряжение понижается.

2.2. Двухполупериодный выпрямитель.

На рис. 7 изображена схема двухполупериодного выпрямителя. Два вы-

прямительных диода включены навстречу друг другу, т.е. имеют общую точку,

с которой снимается выпрямленное напряжение. В положительный полупериод

Изучение выпрямительных диодов.

напряжения u

вх

(рис. 8, а), когда потенциал точки a больше потенциала точ-

ки

b, открыт диод VD1 и ток течет через сопротивление R1 в направлении от

точки

d к точке c. В отрицательный полупериод напряжения u

вх

открыт диод

VD2 (потенциал точки

а меньше потенциала точки b) и ток через нагрузку те-

чет в прежнем направлении: от точки

d к с. Таким образом, ток в нагрузке будет

иметь форму, показанную на рис. 6, б, что и соответствует двухполупериодно-

му выпрямлению.

VD1R

вход Y

осциллографа

VD2

Рис. 7. Схема двухполупериод-

ного выпрямителя.

вх

, i

max

cр

i, u

а)

б)

max

ср

Рис. 8. Графики напряжения и тока в двухполупериодном выпрямителе.

Постоянная составляющая тока нагрузки определяется, как и в случае однополупери-

одного выпрямителя, средним значением тока нагрузки и равна

maxmax

636,0/2 III

⋅=π⋅= ,

т.е. в двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока в два раза больше,

чем в однополупериодном.

Т.к. постоянная составляющая выходного напряжения (т.е. напряжения на нагрузке)

нннсрн

RIRIU ⋅=⋅= , то

ннн

RIRIU ⋅⋅≈⋅

maxmax

636,0

. При открытом диоде

дпрн

RR >> ,

См. примечание к однополупериодному выпрямителю.

Изучение выпрямительных диодов.

maxmax вхн

URI ≈ , т.е.

max

636,0

вхвыхн

UUU

⋅

== . А т.к.

эффвхвх

UU 2

max

= , то

эффвхвхвых

UUU 9,0

≈

= . (4)

Обратное напряжение, действующее на каждый диод, такое же, как и в случае однополупе-

риодного выпрямителя.

Сглаживание пульсаций так же осуществляется подключением конденса-

тора параллельно нагрузке.

Порядок выполнения работы.

Задание № 1. Изучение вольт-амперной характеристики выпрямительного

диода заданного типа.

1. Для указанного типа диода выписать из справочника его основные элек-

трические параметры: напряжение и ток в прямом направлении, напряжение

пробоя (максимально допустимое обратное напряжение), а также внести его в

библиотеку элементов (если заданный тип в ней отсутствует). Эти данные оп-

ределяют границы вольт-амперной характеристики.

2. Собрать цепь по рис. 4. Установить: выбранный тип диода; номинальное

сопротивление потенциометра в пределах 500-600 Ом, ограничивающего со-

противления – 100-200 Ом; внутреннее сопротивление амперметра 1 нОм (или

меньше), вольтметра – несколько сот мегом (это нужно, чтобы измерительные

приборы не вносили искажений в цепь). При сборке схемы необходимо соблю-

дать полярность включения измерительных приборов. Двойной переключатель

можно составить из двух одинарных, причем переключение их должно проис-

ходить по одной и той же клавише. В результате должна получиться схема, изо-

браженная на рис. 9.

Рис. 9. Установка для изучения вольт-амперной характеристики выпрямительно-

го диода.

3. Установить переключатели в положение, соответствующее прямому

смещению диода; напряжение на выходе источника – минимально возможным.

Полностью ввести потенциометр (установить максимальное значение его со-

противления – ввод 100%). Подобрать, начиная с минимального, выходное на-

пряжение источника так, чтобы напряжение на диоде и ток через него не пре-

вышали паспортных данных. Это правило подбора выходного напряжения ис-

Изучение выпрямительных диодов.

точника позволяет использовать потенциометр на все 100%, не опасаясь пре-

вышения заданных параметров, и применяется также в реальных цепях.

4. Установить шаг изменения величины сопротивления потенциометра (в

процентном отношении к номиналу) так, чтобы, изменяя с помощью него на-

пряжение на входе схемы, можно было получить около 20 точек.

5. Изучить прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода. Результа-

ты занести в таблицу (выполняется в MS Excel).

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики выпрямительного диода

0 200 400 600 800 1000 1200

Напряжение, мВ

Сила тока, мА

6. Изменить направление включения диода и установить выходное напря-

жение источника несколько большим напряжения пробоя.

7. Изучить обратную ветвь вольт-амперной характеристики вплоть до на-

пряжения пробоя и проследить за поведением тока при пробое. Результаты за-

нести в таблицу.

8. По полученным данным построить прямую и обратную ветвь вольт-

амперной характеристики диода (на отдельных диаграммах – из-за большой

разницы в масштабе по каждой из осей. Тип диаграммы - Точечная).

Обратная ветвь ВАХ выпрямительного диода

-25000

-20000

-15000

-10000

-5000

-120 -100 -80 -60 -40 -20 0

Обратное напряжение, В

Сила тока в обратном направлении,

мкА

Задание № 2.

Изучение работы однополупериодного выпрямителя.

1. Основываясь на рис. 5, составить схему однополупериодного выпрями-

Изучение выпрямительных диодов.

теля на диоде того же типа, что и в Задании № 1. Напряжение на схему можно

подавать непосредственно с выхода источника переменного напряжения, минуя

трансформатор. Установить: тип диода, сопротивление нагрузки (в пределах 1-

10 кОм), выходное напряжение источника (для начала его необходимо взять

примерно в 2-3 раза меньше напряжения пробоя диода) и его частоту (она не

должна превышать предельной частоты, указанной в паспортных данных дио-

да).

2. Подать напряжение с выхода источника на один из каналов осциллогра-

фа (входное напряжение). На другой его вход подается напряжение с нагрузки

(выходное напряжение). Оба напряжения снимаются относительно общего (за-

земленного) вывода. Цвет проводов, подключенных к осциллографу удобно

выбрать различным: в этом случае цвет осциллограмм будет соответствовать

цвету проводников.

Установить необходимые параметры для работы с осциллографом (меню

Analysis/Analysis Options, вкладка Instruments, поле "Oscilloscope", опция "Pause after

each screen", минимальное число отображаемых точек 200-400).

Выписать в таблицу (MS Excel) установленное выходное напряжение ис-

точника (действующее значение) и величину сопротивления нагрузки.

3. Включить питание схемы и, подобрав коэффициенты отклонения и дли-

тельность развертки, получить осциллограммы входного и выходного напряже-

ний. Если рабочий диапазон частот диода неизвестен, частоту переменного на-

пряжения подбирают экспериментально так, чтобы осциллограмма имела вид,

указанный на рис. 6, б. Сохранить данные в виде графика (см.

Приложение) в

файле типа *.gra.

4. Заменить осциллограф вольтметром и измерить среднее значение

вы-

ходного напряжения U

(вольтметр должен быть включен в режиме DC – по-

Изучение выпрямительных диодов.

стоянный ток). Сравнить его с рассчитанным по формуле (2). Выписать оба

значения в таблицу.

5. Подключить параллельно нагрузке конденсатор. Подать напряжение с

выхода выпрямителя на осциллограф. Подобрать величину емкости так, чтобы

она заметно изменяла вид предыдущей осциллограммы. Сохранить данные в

виде графика.

С помощью визиров определить размах напряжения пульсаций U

пульс

(как

разность максимального и минимального значения выходного напряжения –

удвоенная амплитуда). Действующее значение напряжения пульсаций найдется

как

пульс

пульсэфф

U = .

Измерить среднее значение напряжения с помощью вольтметра. Выпи-

сать полученные значения напряжений в таблицу. Рассчитать коэффициент

пульсаций:

пульсэфф

k =

№ п/п

Емкость фильтра, мкФ

Размах напряжения пуль-

саций, 2U

max п

, В

Действующее значение на-

пряжения пульсаций, U

пульс

Выходное напряжение (по

вольтметру), Uн, В

Коэффициент пульсаций

…

6. Повторить п. 5 задания для трех различных значений емкости конденса-

тора. Как ведет себя действующее значение напряжения пульсаций? Среднее

напряжение на выходе выпрямителя? Объяснить полученные результаты.

Примечание: Имена графическим файлам для одного типа выпрямителя желательно при-

сваивать одинаковые, но с различным номером (например,

Фильтр 0.gra –

для выпрямителя без фильтра;

Фильтр 1.gra – для первого значения емкости

конденсатора и т.д.)

7. Для собранной по рис. 5 схемы (без фильтра) проследить за влиянием на

вид осциллограммы выходного напряжения источника. Выяснить, при каком

его значении начинается пробой диода и как это отражается на виде осцилло-

граммы. Выписать это значение и сравнить с условием (3). Задание выполняет-

ся при полностью раскрытом окне осциллографа и при достаточно большой его

чувствительности.

8. Проследить за влиянием на вид осциллограммы частоты переменного

Изучение выпрямительных диодов.

тока.

Задание № 3.

Изучение работы двухполупериодного выпрямителя.

1. Собрать схему двухполупериодного выпрямителя по рис. 7. Установить:

тип диодов; сопротивление нагрузки (в пределах 1-5 кОм); выходное напряже-

ние источника (см. замечание в п. 1 Задания № 2) и его частоту. Подготовить к

работе осциллограф.

2. На один из каналов осциллографа подать напряжение с нагрузки (вы-

ходное напряжение), на другой - со вторичной обмотки трансформатора (отно-

сительно среднего вывода – входное напряжение).

3. Получить осциллограмму выпрямленного напряжения. Определить по

ней амплитудное значение входного напряжения и рассчитать его действующее

значение (можно также вычислить это значение, исходя из напряжения источ-

ника и коэффициента передачи трансформатора и учитывая, что входное на-

пряжение снимается относительно среднего вывода трансформатора). Рассчи-

тать среднее значение напряжения на нагрузке, пользуясь соотношением (4).

Результаты занести в таблицу (MS Excel). Сравнить полученные значения.

Сохранить данные в виде графика.

4. Выполнить п.п. 4-6 Задания № 2.

Отчет.

Отчет по работе должен содержать:

1. Схемы установок для каждого из трех заданий, выполненные в программе

Electronics Workbench.

2. Таблицы с паспортными данными диода, экспериментально и теоретически опреде-

ленными величинами, вольт-амперную характеристику выпрямительного диода выбранного

типа.

3. Расчет коэффициентов пульсаций для различных значений емкости конденсатора и

различных типов выпрямителей. Основные выводы по работе (см. п.п. 5-6

Заданий №№ 2 и

3, п.п.7 и 8

Задания № 2).

4. Графики напряжений одно- и двухполупериодного выпрямителей для различных

значений емкости.

Примечание: Все данные сохранять в одной папке - Диод, которая создается до начала ра-

боты.

Изучение стабилизатора постоянного напряжения.

Лабораторная работа № 2.5.

ИЗУЧЕНИЕ СТАБИЛИЗАТОРА ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ.

Общие сведения.

Изменение напряжения в цепи, питающей выпрямитель, приводит к тому,

что входное напряжение у потребителей выпрямленного тока не сохраняется

неизменным. Это недопустимо для ряда приборов. Поэтому возникает потреб-

ность в стабилизации напряжения в допустимых для прибора пределах. Это

достигается путем включения дополнительного звена между потребителем и

выпрямителем, которое называется

стабилизатором.

На практике применяют два вида стабилизаторов напряжения: парамет-

рические и компенсационные. В этой работе будет подробно рассмотрен стаби-

лизатор параметрического типа. Для стабилизации постоянного напряжения

часто применяют параметрические стабилизаторы на полупроводниковых ста-

билитронах.

Полупроводниковый стабилитрон – это разновидность полупроводни-

кового диода, в котором искусственно созданы условия для пробоя

p-n-

перехода при низком обратном напряжении (от нескольких единиц до несколь-

ких десятков вольт, рис. 1).

пр

стаб

ст min

ст max

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики стабилитрона полностью

аналогична случаю выпрямительного диода, как по виду, так и по величине па-

раметров, характеризующих прямую ветвь. Основными параметрами обратной

ветви вольт-амперной характеристики являются:

1. напряжение стабилизации U

ст

;

Изучение стабилизатора постоянного напряжения.

2. минимальный ток стабилизации I

ст min

, при котором начинается стаби-

лизация напряжения (т.е. пробой

p-n-перехода);

3. максимальный ток стабилизации I

ст max

, превышение которого может

привести к необратимым процессам в стабилитроне и разрушению его структу-

ры.

вх

ст

Рис. 2. Схема параметрического

стабилизатора постоянного на-

пряжения.

Рассмотрим схему стабилизатора (рис. 2). Из-за нелинейности вольт-

амперной характеристики стабилитрона при росте входного напряжения вы-

ходное напряжение растет только до тех пор, пока не наступит пробой

p-n-

перехода. При дальнейшем повышении входного напряжения выходное напря-

жение меняется гораздо медленнее (рис. 3). Коэффициентом стабилизации на-

зывается отношение приращения входного напряжения к приращению выход-

ного напряжения:

вых

вх

ст

∆

= .

вх

вых

вх

Рис. 3. Проходная характеристика

стабилизатора.

Для расчета стабилизатора нужно знать напряжение стабилизации

ст

вых

, входное напряжение U

вх

, ток нагрузки

нвыхн

RUI

и номинальный

ток через стабилитрон (максимальный ток стабилизации) I

ст max

. Балластное со-

противление R

можно рассчитать следующим образом:

нmaxст

выхвх

−

где

1max

III

нст

=+ .

Изучение стабилизатора постоянного напряжения.

Порядок выполнения работы.

Задание № 1. Изучение проходной характеристики параметрического ста-

билизатора.

1. Для заданных значений сопротивления нагрузки R

и входного на-

пряжения подобрать наиболее подходящий тип стабилитрона (из библиотеки

или по справочнику. В последнем случае его необходимо будет внести в биб-

лиотеку) и рассчитать параметры стабилизатора (U

вых

, I

ст

, I

и R

). Все

данные занести в таблицу (составляется самостоятельно).

2. Собрать схему в соответствии с рис. 2. Напряжение U

вх

подать с выхода

источника постоянного напряжения через потенциометр R с номиналом 500-

600 Ом. Вывести полностью потенциометр и установить шаг изменения его ве-

личины.

3. Напряжения на входе и выходе схемы измеряются вольтметрами

(рис. 4).

Рис. 4. Установка для изучения параметрического стабилизатора.

4. Изменяя входное напряжение с помощью потенциометра, изучить зави-

симость выходного напряжения стабилизатора от входного (т.е. проходную ха-

рактеристику). Результаты измерений занести в таблицу (создается в MS Excel)

и построить график.

5. Рассчитать коэффициент стабилизации.

6. Включить в цепь вместо вольтметров устройство для автоматической

записи данных (рис. 5). Провести симуляцию, преобразовать данные в формат

ЭТ MS Excel и построить по ним проходную характеристику.

Рис. 5.

Схема для изучения проходной

характеристики стабилизатора с

использованием автоматической

записи результатов измерений.