Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет (ФГБОУ ВПО "МГИУ")

Кафедра электротехники, теплотехники, гидравлики и энергетических машин

ЛАБОРАТОРНЫЕ работЫ
по дисциплине «Электротехника» _________________________________________________________________
Группа		6111
Студент		Ратников И.В
Преподаватель	___________	Чулюнин А.Ю

МОСКВА 2012

Полупроводниковый р-п переход

Электропроводность полупроводниковых материалов, например, кремния (Si) или германия (Ge), имеющих валентность IV, определяется двумя факторами. Во-первых, собственной проводимостью - это проводи­мость химически чистого полупроводника. Электропроводность чистых полупроводниковых материалов низка в сравнении с металлами и растёт при нагревании (в отличие от металлов). Во-вторых, примесной проводи­мостью, возникающей при наличии примеси с валентностью IV. В каче­стве примесей используют, например, фосфор (Р) с валентностью V и ин­дий (In) с валентностью III. Полупроводник с примесью обладает сущест­венно более высокой электропроводностью.

При наличии пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома образуют ковалентные связи с четырьмя соседними ато­ мами полупроводника, а один примесный электрон не может образовать ковалентной связи и является свободным, т. е. становится дополнительным свободным носителем заряда, увеличивая проводимость полупроводника. Если примесь трёхвалентная, то возникает недостаток одного электрона для образования ковалентной связи с соседними атомами полупроводника. Место с недостающим электроном условно можно считать положительным свободным зарядом, который называют «дыркой». Таким образом, примесная проводимость бывает двух типов: электронная проводимость и дырчатая проводимость. При этом электроны в п-полупроводнике и «дырки» в р-полупроводнике являются основными носителями заряда.

Граница соприкосновения двух полупроводников с различными типа­ми проводимости называется электронно-дырчатым переходом (р-п пере­ходом). Из-за наличия теплового движения (диффузии) элементарные за­ряды (электроны и «дырки») стремятся к равномерному распределению в пределах р-п структуры. Однако по мере перехода электронов из «-области в р-область и «дырок» в обратном направлении между областя­ми образуется разность потенциалов, препятст­вующий тепловому перераспределению зарядов. Благодаря этому устанав­ливается термодинамическое равновесие.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковая структура из двух полупроводников с различны­ми типами проводимости и одним р-п переходом называется полупровод­никовым диодом. Если к диоду приложить внешнее напряжение плюсом к р-слою, а минусом к n-слою, то потенциальный барьер снижается. При напряжении больше, чем значение потенциального барьера р-п переход оказывается насыщенным основными носителями тока, что обеспечивает его высокую электропроводность. Такое включение дио­да называется прямым (диод открыт). Если изменить полярность внешнего напряжения, то запирающее напряжение в зоне р-п перехода возрастёт, а р-п переход будет непроводящим и расширится. Такое вклю­чение диода называется обратным (диод заперт).

Стабилитрон

На некотором участке напряжённость поля в р-п переходе достигает уровня электрического пробоя и обратный ток резко возрастает. Это связа­но с тем, что в р-п переходе неосновные носители заряда под действием сильного электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации и образованию большого количества дополнительных зарядов. Такой пробой называют лавинным. Обратный ток резко увеличи­вается при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электриче­ского пробоя обратим. При снижении напряжения на диоде свойства р-п перехода полностью восстанавливаются.

Диод, работающий на таком участке можно использовать для стабилиза­ции напряжения. Поэтому диод, работающий в таком режиме, называют стаби­литроном.

Если температура р-п перехода возрастает выше критической в ре­зультате прохождения значительного обратного тока, то наступает тепло­вой пробой. Этот вид пробоя разрушает р-п переход, поскольку данный участок лежит за границей области безопасной работы диода.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор, состоящий из трёх чередующихся полупроводниковых слоев р и п типов проводимо­сти и имеющий два р-п перехода. В таком транзисторе ток создаётся дви­жением зарядов двух полярностей (электронов и «дырок»). Это и опреде­лило название «биполярный».

В трёхслойной структуре возможны два варианта чередования слоев. Транзистор прямой проводимости имеет структуру р-п-р. Транзистор об­ратной проводимости имеет структуру п-р-п. Устройство и принцип дей­ствия транзисторов обоих типов проводимости аналогичен. Разница лишь в полярности зарядов, обеспечивающих прохождение тока и соответствен­но в полярности внешних напряжений, подключаемых к электродам тран­зистора.. Средний слой полупроводниковой структуры называется базой. Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (элек­тронов или «дырок»), называется эмиттером. Другой наружный слой, принимающий эти носители зарядов, называется коллектором.

Связь между эмиттерным и коллекторным токами определяет коэф­фициент передачи тока, который для большинства транзисторов лежит в пределах 0,9...0,995.

Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициен­том усиления тока

Тиристор

Тиристор — четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся слоев р и п типов проводимости. Наружный р-слой и вывод от него называется анодом. Наружный n-слой и вывод от него называется катодом. Внутренниер p- и n- слои называются базами.

Если управляющий электрод отсутствует, то такой тиристор неуправляемый и называется динистор. Если управляющий электрод подключён к катодной базе, то это тиристор с катодным управлением. Если управляющий электрод подключён к анодной базе, то это тиристор с анодным управлением.

Важной характеристикой тиристора является значение тока управления спрямления, при котором его характеристика спрямляется и становится такой же, как у диода.

Выпрямители

Однополупериодный выпрямитель имеет самую простую схему. Входное переменное напряжение U преобразуется в однонаправленное напряжение на нагрузке. Причём положительный полупериод синусоиды напряжения прикладывается к нагрузке, а отрицательный прикладывается к запертому диоду.

Основным недостатком такого выпрямителя является большая пульсация напряжения на нагрузке. Коэффициент пульсации р вычисляется как отношение амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения на нагрузке к среднему значению этого напряжения. Для однополупериодного выпрямителя р = 1,57.

КПД выпрямителя определяется потерями мощности в диодах. Рас­сматриваемый выпрямитель имеет самый большой КПД, поскольку содер­жит всего один диод.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель: схема диодного моста такова, что оба полупериода синусоиды напряжения прикладываются к нагрузке в одном направлении. При этом пульсация вы­прямленного напряжения существенно сокращается (р = 0,67), а среднее значение увеличивается вдвое.

Ещё меньше пульсация у трёхфазных выпрямителей. У однополупери-одного трёхфазного выпрямителя в каждую фазу включено по одному диоду, которые работают на одну общую нагрузку. Коэффициент пульсации в этом случае р = 0,25, а среднее значение напряжения на на­грузке

Регулируемый выпрямитель на тиристоре позволяет изменять среднее напряжение на нагрузке. Тиристор может включаться не в момент начала положительного полупериода входного напряжения, а с временной задержкой а (угол управления).

Лабораторная работа № 1

Исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов на стендах РМС.

4.2.3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

U1 , В	2	3	5	7	10	12	15
IVD , А
UVD , А

4 .2.4. Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

U2 = 1 В	U1	2	3	5	7	10	12	15
	UR2
	IK
	UK

U2 = 5 В	U1	2	3	5	7	10	12	15
	UR2
	IK
	UK

U2 = 10 В	U1	2	3	5	7	10	12	15
	UR2
	IK
	UK

U2 = 15 В	U1	2	3	5	7	10	12	15
	UR2
	IK
	UK

Лабораторная работа №2

Исследование выпрямительных схем.

4 .3.2. Однополупериодный выпрямитель

~U	IH.CP	UH.max

Лабораторная работа № 3

Исследование схем с операционным усилителем.

4.7.1. Неинвертирующий усилитель с обратной связью

U1 ,В	Uвых ,В

4 .7.2. Инвертирующий усилитель с обратной связью (сумматор)

U1 ,В	U2 ,В	Uвых ,В

Краткие теоретические сведения.

Трансформатор

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряже­ния в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

Трансформатор состоит из двух или более обмоток и ферромаг­нитного сердечника. Одна из обмоток называется первичная - та, которая подключается к источнику переменного на­пряжения. Остальные обмотки вторичные - они подключены к нагрузке.

Все величины, относящиеся к первичной обмотке, называют пер­вичными (число витков, напряжение, ток, мощность и т.д.), а величи­ны, относящиеся ко вторичной обмотке, называют вторичными.

Асинхронный двигатель

Трёхфазный асинхронный двигатель предназначен для преобра­зования электрической энергии переменного трёхфазного тока в ме­ханическую энергию, как правило, вращательного движения.

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей: стато­ра и ротора. Сmamop - неподвижная часть двигателя, слу­жит для создания вращающегося магнитного поля. Он содержит три одинаковые фазные обмотки (по числу фаз) А, В и С. Об­мотки расположены в пространстве под углом 120° друг к другу. Для подключения к трёхфазной сети обмотки можно соединить в тре­угольник или в звезду.

Трёхфазный ток, проходя по обмоткам статора, создаёт вращаю­щееся магнитное поле. Для усиления магнитного потока применяется ферромагнитный сердечник. Он выполнен в виде полого цилиндра и набран из тонких, изолированных друг от друга пластин. На его внут­ренней поверхности имеются продольные пазы, в которые уложены упомянутые обмотки.

Направление вращения поля зависит от чередования фаз во вре­мени и от расположения фазных обмоток в пространстве. При чере­довании фаз во времени А, В, С поле поворачивается от обмотки А в сторону обмотки В, потом в сторону обмотки С. Из сказанного понятно, что для реверсирования (изменения направления вращения) надо изменить чередование фаз, т. е. один линейный провод (например, подключённый к обмотке А) ос­тавить на своём месте, а два других поменять местами.

Ротор - вращающаяся часть асинхронного двигателя. Существу­ет два типа роторов: фазный и короткозамкнутый. Фазный ротор со­держит три фазные обмотки, к которым можно подключить регули­ровочные реостаты посредством подвижных контактов. Подвижные контакты состоят из вращающихся контактных колец, установленных на валу ротора, и неподвижных токосъёмнх щёток, установленных на станине статора.

Наибольшее распространение получил короткозамкнутый ро­тор. Он выполняется из электропроводного материала (медь, алюми­ний) в виде беличьей клетки. Поскольку ротор устанавливает­ся внутрь статора и находится в магнитном поле, то внут­ренняя полость ротора заполняется ферромагнитным сердечником. Ротор в подшипниковых опорах может свободно вращаться на валу.

Магнитное поле статора пересекает обмотку ротора (беличью клетку) и наводит в ней переменную ЭДС. Поскольку обмотка ротора замкнута, эта ЭДС вызывает в ней переменный ток. В результате взаимодействия тока ротора с магнитным полем статора возникает электродинамический вращающий момент, действующий в сторону вращения магнитного поля.

Зависимость момента вращения М от скольжения s или от скоро­сти называется механической характеристикой. График зависимости М =f(s) описывается формулой Клосса.

Машина постоянного тока

Машина постоянного тока обратима. Она может работать как в генераторном режиме, так и в двигательном. Машина состоит из не­подвижной части - статора и подвижной - ротора, который, как правило, называют якорем. Статор предназначен для создания посто­янного магнитного поля. Это поле возбуждает ЭДС в якоре, поэтому статор также называют системой возбуждения, и все её части носят индекс «возбуждения». Магнитный поток возбуждения создаётся об­моткой возбуждения, которая намотана на ферромагнитные полюса. Вся магнитная система замкнута стальной станиной.

Основной частью якоря является обмотка. Она имеет много секций, и концы каждой секции подсоединены к пластинам коллек­тора. Неподвижные контактные щётки прижаты к коллектору и обеспечивают подвижный контакт с коллекторными пластинами. Для усиления магнитного потока внутри обмотки якоря размещён ферро­магнитный сердечник.

Для работы машины необходимо возбудить поток возбуждения. С этой целью к обмотке подключают постоянный ток возбужде­ния. В зависимости от того, как обмотка возбуждения соединена с обмоткой якоря, различают несколько способов возбуждения. Неза­висимое возбуждение - если обмотка возбуждения не соединена с об­моткой якоря и питается от отдельного источника. Параллельное возбуждение - если обмотка возбуждения соединена параллельно с об­моткой якоря. Последовательное возбуждение - если обмотка возбу­ждения соединена последовательно с обмоткой якоря. Смешанное возбуждение - если обмотка возбуждения состоит из двух секций, одна из которых соединена последовательно с обмоткой якоря, а дру­гая параллельно.

Генераторный режим

Генератор постоянного тока предназначен для преобразования механической энергии, как правило, вращательного движения, в элек­трическую энергию постоянного тока. Т.е. первичный (приводной) двигатель, например, турбина, вращает якорь генератора со скоро­стью п. К выходным зажимам генератора подключается электриче­ская нагрузка (потребитель), например, лампочка.

В основе принципа действия генератора постоянного тока лежит закон электромагнитной индукции, в соответствии с которым в обмотке якоря создаётся синусоидальная ЭДС. Коллектор в генерато­ре преобразует переменный ток обмотки якоря в однонаправленный ток во внешней цепи. При этом ЭДС на зажимах генератора про­порциональна потоку возбуждения и скорости вращения якоря.

Двигательный режим

Двигатель постоянного тока предназначен для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию, как правило, вращательного движения.

В основе принципа действия двигателя постоянного тока лежит закон Ампера, в соответствии с которым на проводник с током (об­мотку якоря), находящийся в магнитном поле (магнитном потоке воз­буждения), действует электродинамическая сила. Эта сила создаёт вращающий момент, пропорциональный силе тока якоря и маг­нитному потоку возбуждения.

Для того, чтобы вращающий момент, действующий на обмотку якоря, оставался однонаправленным во время вращения якоря, необ­ходимо менять полярность тока в витках обмотки каждые пол - обо­рота. Эту функцию выполняет коллектор.

При вращении якоря, независимо от причин (первичный двига­тель или собственная электродинамическая сила), в обмотке якоря, как и в генераторном режиме, возникает ЭДС.

Сельсины

Сельсины (от слов self-sinchroniring - самосинхронизирующийся) служат для синхронного и синфазного поворота или вращения двух или нескольких осей, механически не связанных между собой. В про­стейшем случае синхронную связь осуществляют с помощью двух одинаковых, электрически соединенных между собой сельсинов. Од­ну из этих машин, механически соединённую с ведущей осью, назы­вают сельсином-датчиком, а другую, соединённую с ведомой осью - сельсином-приёмником.

Различают два основных режима работы сельсинов: индикатор­ный и трансформаторный. В индикаторном режиме ротор сельсина- приёмника соединяют непосредственно с ведомой осью. При этом за­данный угол отрабатывается сельсином-приёмником. Такой режим применяют при малом значении тормозного момента на ведомой оси.

В трансформаторном режиме сельсин-приёмник выдаёт сигнал о наличии рассогласования между положениями роторов датчика и приёмника. Этот сигнал подается через усилитель на исполнительный двигатель, который поворачивает ведомую ось и ротор сельсина- ириёмника, ликвидируя рассогласование. В этом режиме выходной сигнал приёмника пропорционален косинусу угла рассогласования. Трансформаторный режим применяют в тех случаях, когда к ведомой оси приложен значительный тормозной момент, т. е. когда приходит­ся поворачивать какой-либо механизм.

Сельсины имеют две обмотки: первичную, или обмотку возбуж­дения, и вторичную, или обмотку синхронизации. Об­мотку синхронизации обычно выполняют по типу трёхфазной. В за­висимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно- и трёхфазные сельсины.

Лабораторная работа № 4

Исследование трехфазного асинхронного двигателя.

4.2.2. Опыт холостого хода

Приборы	W1, W2	A1	V1	n
Величины	P1	I1	U1	n2
Единицы	Вт	А	В	Об/мин
Результаты