Лаб.раб

чистота цвета свечения, стабильность цвета свечения от времени наработки и температуры.

Диоды Шоттки выполняются на основе контакта металл–полупроводник. Образованный на границе между металлом и полупроводником электрический переход является запирающим и обладает свойством односторонней проводимости. Потенциальный барьер на контакте металл-полупроводник часто называют барьером Шоттки. В таком переходе вследствие малой площади и большой ширины запирающего слоя обеспечивается незначительная барьерная емкость (не превышает 1 пФ). Из-за отсутствия инжекции в базу не основных носителей в ней не происходят процессы накопления и рассасывания зарядов. Поэтому длительность переходных процессов, обусловленная в диодах Шоттки только перезарядкой барьерной емкости, составляет десятые доли наносекунды. Эти свойства определили применение диода Шоттки как идеального элемента в импульсных устройствах.

5. Содержание отчета

а) наименование работы и цель работы; б) электрические схемы проведенных экспериментов; в) таблицы с результатами эксперимента;

г) экспериментальные характеристики полупроводниковых приборов; д) выводы о свойствах исследованных полупроводниковых приборов.

6. Контрольные вопросы

1.Чем отличаются полупроводники типа р и n?

2.Каковы свойства рn-перехода?

3.Объясните вид ВАХ рn-перехода.

4.Поясните вид ВАХ стабилитрона. Какова полярность напряжения в нормальном режиме работы стабилитрона?

5.В чем отличие ВАХ выпрямительного диода и диода Шоттки ?

6.Как работает неуправляемый выпрямитель?

7.Как и для чего строят временные диаграммы токов и напряжений в схеме выпрямителя?

8.Какими параметрами характеризуется стабилитрон?

9.Как работает параметрический стабилизатор напряжения? Для чего служит балластный резистор?

10.Как изменится напряжение на выходе стабилизатора при повышении температуры?

11.При каком минимальном напряжении на входе стабилизатора еще возможна стабилизация напряжения?

12.Что такое коэффициент стабилизации, и каков его физический смысл?

13.От чего зависит яркость свечения светодиода?

14.Какой элемент обязателен в схеме индикатора на светодиоде?

91

Работа № 15. ОДНОФАЗНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ И СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

1. Цель работы

Ознакомиться с принципом работы и основными свойствами однофазного двухполупериодного выпрямителя, изучить влияние сглаживающих фильтров на работу выпрямительного устройства.

2. Предварительное домашнее задание

2.1. Изучить тему «Выпрямительные устройства», содержание данной работы и быть готовым ответить на все контрольные вопросы.

2.2. Пользуясь схемой соединений, приведенной в руководстве, начертить принципиальные схемы для проведения экспериментов, перечисленных в лабораторной работе.

3. Порядок выполнения работы

3.1.Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль однофазного выпрямителя, модуль амперметров постоянного тока и модуль вольтметров). Приготовить

кработе осциллограф.

3.2.Присоединить к исследуемому модулю однофазного выпрямителя амперметр для измерения выпрямленного тока нагрузки (рис. 15.1). Установить тумблеры SA2 и SA4 в нижние положения, тумблер SA3 – в верхнее положение. Включить электропитание стенда (выключатель QF1 модуля питания) и включить осциллограф для наблюдения форм напряжений.

Рис. 15.1

3.3. Включить питание модуля однофазного выпрямителя (выключатель SA1). При работе выпрямителя в режиме холостого хода измерить стрелочным вольтметром действующее значение выпрямляемого переменного напряжения U2 на вторичной обмотке трансформатора. Результат измерения записать в табл. 15.1.

92

3.4. Подключить к вторичной обмотке трансформатора вместо вольтметра осциллограф. Получить на экране устойчивое изображение и определить по осцил-

лограмме амплитудное значение выпрямляемого напряжения U2m. Зарисовать в масштабе осциллограмму выпрямляемого напряжения.

3.5. Измерить стрелочным вольтметром величину выпрямленного постоянного напряжения Ud в режиме холостого хода выпрямителя. Результат занести в табл. 15.1.

3.6. Подключить осциллограф к одному из диодов, получить устойчивое изображение, измерить величину максимального обратного напряжения на диоде

Uобр. макс, зарисовать в том же масштабе осциллограмму напряжения на диоде. 3.7. Исследовать работу выпрямителя без сглаживающих фильтров. Для этого

установить в соответствии с вариантом величину сопротивления нагрузки RН (табл. 15.2). Подключить выводы осциллографа параллельно нагрузке, включить тумблер SA2 и зарисовать в прежнем масштабе осциллограмму выпрямленного напряжения на нагрузке UН при отсутствии сглаживающих фильтров. Определить по осциллограмме двойную амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения U. При необходимости увеличить чувствительность усилителя осциллографа, установив у него закрытый вход. Измерить с помощью стрелочного вольтметра

постоянную составляющую напряжения на нагрузке Ud. Результаты измерений занести в табл. 15.3. По результатам измерений определить коэффициент пульса-

3.8. Исследовать влияние на выпрямленное напряжение емкостного, индуктивного и индуктивно-емкостного сглаживающих фильтров. Для этого подключить осциллограф параллельно нагрузке и зарисовать в прежнем масштабе осциллограммы выпрямленного напряжения на нагрузке UН при каждом включенном фильтре. Включение емкостного фильтра осуществлять, переключая тумблер SA4 в верхнее положение, включение индуктивного фильтра осуществлять, переключая тумблер SA3 в нижнее положение. Переключая тумблер SA5 в позиции «1» и «2» сравнить влияние величины емкости конденсатора фильтра на выходное напряжение. Сделать вывод, в какой позиции тумблера SA5 емкость конденсатора фильтра больше. Зарисовать в прежнем масштабе осциллограммы напряжения на нагрузке при каждом включенном фильтре.

При каждом включенном фильтре измерять с помощью стрелочного вольтметра постоянную составляющую выпрямленного напряжения Ud и с помощью осциллографа – двойную амплитуду переменной составляющей U напряжения на

93

нагрузке. Результаты измерений занести в табл. 15.3.

3. 9. Исследовать влияние величины сопротивления нагрузки на эффективность работы сглаживающих фильтров. Для этого при каждом включенном фильтре с помощью переключателя SA6 изменять величину сопротивления нагрузки и наблюдать форму напряжения на нагрузке. При этом учесть, что с увеличением номера позиции переключателя SA6 величина сопротивления нагрузки уменьшается. Сделать вывод о влиянии величины сопротивления нагрузки на эффективность работы фильтров.

3.10. Снять внешние характеристики Ud = f(Id) выпрямителя при отсутствии фильтра, при емкостном, индуктивном и индуктивно-емкостном фильтре. Для этого, изменяя с помощью переключателя SA6 величину сопротивления нагрузки RН, измерять величину выпрямленного постоянного напряжения Ud и выпрямленного постоянного тока Id при каждом значении сопротивления нагрузки. Результаты измерений занести в табл. 15.4.

На лицевой панели модуля однофазного выпрямителя изображена электрическая схема однофазного мостового выпрямителя, установлены коммутирующие элементы и клеммы для подключения амперметра, вольтметра и осциллографа.

Выпрямительные устройства служат для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные напряжения и токи. Необходимость в таком преобразовании возникает достаточно часто, например, при электропитании разнообразной электронной аппаратуры, электродвигателей постоянного тока, электролиз-

94

ных установок, в устройствах для заряда аккумуляторных батарей, в автомобилях при питании бортовой сети от генератора переменного тока.

Выпрямительные устройства обычно состоят из трансформатора, одного или нескольких электрических вентилей и сглаживающего фильтра. Трансформатор служит для получения требуемого значения выпрямляемого переменного напряжения. Электрические вентили (устройства, обладающие свойством односторонней проводимости электрического тока) служат для непосредственного преобразования переменного напряжения в пульсирующее напряжение одного знака. Чаще всего в качестве электрических вентилей используются полупроводниковые диоды. Сглаживающие фильтры применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямительного устройства.

При выпрямлении переменного напряжения в зависимости от числа фаз выпрямляемого напряжения, характера нагрузки и требований, предъявляемых к выпрямительному току и напряжению, электрические вентили могут соединяться по различным схемам. Наибольшее применение при выпрямлении однофазного напряжения получила двухполупериодная мостовая схема выпрямления.

Мостовая двухполупериодная схема выпрямления содержит две пары диодов, включенных по схеме четырехплечного моста (рис. 15.2). В течение каждого по-

95

вторичной обмотке трансформатора. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.макс равно амплитудному значению выпрямляемого напряжения

U2m:

Uобр. макс = U2m = 2 U2 ≈ 1,11Ud .

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения включают электрические сглаживающие фильтры. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно высокоомной нагрузке (рис. 15.4) и индуктивный фильтр (дроссель), включаемый последовательно с низкоомной нагрузкой (рис. 15.5).

При использовании емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки RН. Зарядка конденсатора происходит, когда мгновенное значение вторичного напряжения трансформатора больше напряжения на нагрузке (и на конденсаторе). Когда напряжение трансформатора становится меньше напряжения на конденсаторе, диоды закрываются и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки (рис. 15.4). Далее процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

Емкость конденсатора для фильтра CФ выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения fОГ емкостное сопротивление конденсатора XCФ было значительно меньше сопротивления нагрузки RН. Поэтому применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

При включении последовательно с нагрузкой индуктивного фильтра изменяющееся магнитное поле, возбуждаемое пульсирующим током, наводит электродвижущую силу самоиндукции еL = ± Ldi/dt. В соответствии с законом электромагнитной индукции электродвижущая сила направлена так, чтобы сгладить пульсации тока в цепи, следовательно, и пульсации напряжения на нагрузке RН. Эффективность сглаживания увеличивается при больших значениях выпрямленного тока.

Величину индуктивности фильтра LФ выбирают таким образом, чтобы индуктивное сопротивление фильтра XLФ на частоте основной гармоники fОГ было зна-

96

чительно больше величины сопротивления нагрузки RН. Поэтому применение индуктивного фильтра более эффективно при низкоомной нагрузке.

Эффективность фильтров оценивают коэффициентом сглаживания S, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе qВХ и выходе фильтра qВЫХ:

S = qВХ / qВЫХ .

Под коэффициентом пульсаций q понимают отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей напряжения Um1 к среднему значению Ud этого напряжения:

q = Um1 / Ud ≈ Uн /2Ud.

Большее уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивают смешанные фильтры, в которых используются и конденсаторы и индуктивности, например, Г-образные и П-образные сглаживающие фильтры. Лучшие результаты обеспечивают активные сглаживающие фильтры.

5. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать: а) наименование работы и цель работы;

б) принципиальную электрическую схему установки; в) результаты экспериментального исследования и проведенных по ним расче-

тов, помещенные в соответствующие таблицы; г) осциллограммы напряжений;

д) графики внешних характеристик, построенные по результатам измерений; е) выводы о влиянии сглаживающих фильтров, влиянии на их работу величи-

ны сопротивления нагрузки и сравнительную оценку внешних характеристик.

6. Контрольные вопросы

1.Какие функции выполняют в выпрямителях силовой трансформатор , блок диодов и сглаживающий фильтр?

2.Изменится ли полярность выходного напряжения выпрямителя при изменении подключения выводов первичной или вторичной обмоток?

3.При каких условиях полупроводниковый диод проводит электрический ток?

4.Почему конденсатор включают параллельно нагрузке, а индуктивность – последовательно с ней?

5.Какой фильтр из исследуемых в лабораторной работе обеспечивает получение наименьшего коэффициента пульсаций и почему?

6.Какие параметры определяют наклон (жесткость) внешних характеристик выпрямителя?

97

Работа № 16. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА НА ОПЕРАЦИОННОМ УСИЛИТЕЛЕ

1. Цель работы

Изучение основных характеристик и параметров операционного усилителя. Знакомство с электронными устройствами на базе операционного усилителя.

2. Предварительное домашнее задание

2.1.Изучить тему «Аналоговые электронные устройства на операционном усилителе», содержание данной работы и быть готовым ответить на все контрольные вопросы.

2.2.Пользуясь схемой соединений, приведенной в руководстве, начертить принципиальные схемы для проводимых экспериментов.

3.Порядок выполнения работы

3.1.Исследование инвертирующего усилителя.

3.1.1. Собрать схему инвертирующего усилителя, установив перемычки согласно рис. 16.1. Подключить к входу (гнезда Х9 и Х14) и выходу (гнезда Х10 и Х15) операционного усилителя мультиметры в режиме измерения постоянного напряжения. Установить переключатель SA1 в соответствующее положение с учетом заданного преподавателем значения сопротивления R4 (табл. 16.1).

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

+

Рис. 16.1

Таблица 16.1

Uвых= f(Uвх) на постоянном токе при двух полярностях входного сигнала. В качестве источника входного сигнала использовать выходное напряжение потенцио-

98

метра RP1. Для этого установить перемычку между гнездами Х3 и Х9. Сопротивления резисторов установить в соответствии с указанием преподавателя. Включив электропитание стенда и модуля операционного усилителя, определить мак-

симальные выходные напряжения ±Uвых m и соответствующие им входные на-

пряжения ±Uвх m. Затем, изменяя входное постоянное напряжение в пределах от –1,2Uвх m до +1,2Uвх m, снять амплитудную характеристику. Результаты измерений занести в табл. 16.2. По амплитудной характеристике определить коэффициент усиления усилителя по напряжению. Построить амплитудную характеристику усилителя и определить по ней линейный диапазон работы усилителя. Выключить питание модуля.

Таблица 16.2

Uвх, В

Uвых, В

Ku = Uвых/Uвх

3.1.3. Снять и построить амплитудно-частотную характеристику Кu=F(f) усилителя при Uвх=const для заданного значения резистора R4. Для этого убрать перемычку между гнездами Х3 и Х9, отсоединить мультиметры, к входу усилителя (гнезда Х9 и Х14) подключить выход функционального генератора (рис. 16.2). Включить питание функционального генератора и модуля операционного усилителя. При снятии характеристики установить амплитуду входного сигнала на линейном участке амплитудной характеристики усилителя. Амплитудные значения входного Uвх и выходного Uвых сигналов измерять осциллографом. Результаты опыта занести в табл. 16.3.

Рис. 16.2

По данным опыта вычислить коэффициенты усиления по напряжению и построить амплитудно-частотную характеристику усилителя, откладывая частоту в логарифмическом масштабе. Определить значения граничных частот полосы пропускания усилителя из условия, что коэффициент частотных искажений Мн=Мв=1,41.

99

Таблица 16.3

f, Гц

Uвх, В

Uвых, В

Ku = Uвых/Uвх

3.2. Исследование активного фильтра нижних частот.

3.2.1.Собрать схему активного фильтра нижних частот. Для этого подключить

спомощью соединительных проводников конденсатор С2 параллельно резистору R4. Напряжение на входе и выходе фильтра контролировать при помощи осциллографа. Значение резистора R4 и величину емкости конденсатора С2 установить в соответствии с табл. 16.1.

3.2.2.Снять и построить амплитудно-частотную характеристику фильтра при заданных параметрах элементов фильтра. Результаты измерения занести в табл. 16.4.

Таблица 16.4

f, Гц

Uвх, В

Uвых, В

Ku = Uвых/Uвх

4. Методические указания

В лабораторной работе исследуется операционный усилитель (ОУ) типа КР140УД608, некоторые характеристики которого приведены в табл. 16.5. Передняя панель лабораторного модуля операционного усилителя представлена на рис. 16.1. Типовая схема включения операционного усилителя приведена на рис. 16.3.

Таблица 16.5

На передней панели исследуемого модуля лабораторной установки изображена мнемосхема операционного усилителя и установлены регулирующие и коммутирующие элементы. Лабораторный модуль позволяет исследовать характеристики и параметры инвертирующего, суммирующего и вычитающего усилителей, интегрирующего и дифференцирующего устройств, компаратора, мультивибратора, фильтра верхних и нижних частот. Исследуемые схемы собираются на модуле установкой соответствующих перемычек. С помощью потенциометра RP1 на вход усилителя может быть подано регулируемое постоянное напряжение. С помощью переключателей SA1–SA4 изменяются параметры соответствующих элементов схемы (табл. 16.6).

100