САРАТОВСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет нелинейных процессов

Н.Б.Ковылов

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМАХ

Методическое руководство к лабораторным работам

Г.Саратов

2010 г.

Схемотехника – научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и других областей техники. Основная задача схемотехники — синтез (определение структуры) электронных схем, обеспечивающих выполнение определённых функций, и расчёт параметров входящих в них элементов.

На основе электронной схемы создают соответствующее устройство (входящее в состав некоторой технической системы). К устройству предъявляется требование надёжной работы в течение заданного времени в реальных условиях производственного разброса параметров элементов и их старения, влияния внешней среды и возмущающих воздействий. Поэтому при разработке схем наряду с расчётом номинальных значений параметров элементов необходимо рассчитывать эксплуатационные допуски на них, предусматривать в схеме средства, повышающие надёжность устройства (обеспечивающие устойчивую работу схемы при внешних воздействиях), а также позволяющие контролировать его исправность.

Моделирование схемотехнических элементов - предполагает использование специальных компьютерных программ (например, Electronic Workbench), позволяющих построение электронных устройств средствами специальной библиотеки электронных компонентов (транзисторы, диоды, операционные усилители, логические схемы и т.д.) и анализ их функционирования во времени.

После разработки схемы в редакторе можно сформировать математическую модель электронного устройства из математических моделей компонентов и при запуске этой модели построить временные или частотные диаграммы функционирования электронной схемы. Проведение серии экспериментов с разработанной схемой позволит проанализировать ее работу в различных режимах.

1. Выпрямители и их основные параметры.

Многие потребители энергии требуют для своей работы постоянного тока. К ним относятся аппаратура радиоэлектроники и автоматики, двигатели постоянного тока в промышленности и на транспорте, технологические процессы в промышленности, например, электролиз.

Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется в выпрямителях с использованием полупроводниковых приборов. Кроме того, выпрямитель может иметь устройства для стабилизации и регулирования выпрямленного напряжения.

Известные нам источники питания предназначены для преобразования переменного напряжения сети 220В, 50 Гц в постоянное напряжение, предназначенное для питания интегральных схем. В схему простейшего источника питания входят выпрямитель (с трансформатором или без), электрический фильтр (в простейшем случае – конденсатор) и сопротивление нагрузки. В зависимости от числа рабочих полупериодов напряжения питания различают одно- и двухполупериодные схемы выпрямления, а в зависимости от числа фаз- однофазные, трехфазные и многофазные.

В качестве нелинейных элементов в выпрямителях обычно применяют кремниевые полупроводниковые диоды. Все они имеют резко выраженную несимметричную вольтамперную характеристику, характерную для односторонней проводимости.

Рис. 1 . Выпрямитель с трансформатором. а) однополупериодный; б) двухполупериодный со средней точкой; в) мостовой двухполупериодный.

В простейшем случае переменный ток выпрямляется вентилем электрическим (обычно полупроводниковый диод, однако, есть и другие разновидности вентилей: электроконтактные, кенотронные, газотронные, тиратронные, ртутные и тиристорные), пропускающим ток (например, синусоидальный) только или преимущественно в одном направлении.

На Рис. 1 (а), приведена однополупериодная схема выпрямителя однофазного тока. Основные элементы выпрямителя тока: трансформатор Тр, вентиль В и сглаживающий фильтр С. Напряжение U₁, обычно синусоидальное, от источника переменного тока через трансформатор Тр подаётся на диод В. Ток J в нагрузке R_н течёт только при положительной полярности подводимого напряжения, т. е. при открытом состоянии В. Конденсатор С заряжается положительными полуволнами пульсирующего тока, а в паузах, соответствующих по времени отрицательным полуволнам, разряжается на нагрузку. Таким образом, пульсирующий ток сглаживается, усредняется.

Однополупериодные однофазные схемы выпрямителей тока применяют главным образом в маломощных устройствах с ёмкостным или индуктивным сглаживающим фильтром. Основное преимущество — простота и малое число вентилей; недостатки — большие пульсации выпрямленного напряжения и высокое обратное напряжение на вентилях (при ёмкостном фильтре).

В двухполупериодной схеме выпрямителей тока (Рис. 1 (б)) применяют трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке. Благодаря такому соединению обмотки с вентилями выпрямленный ток формируется из обеих полуволн тока. Частота пульсаций выпрямленного тока при этом возрастает в два раза по сравнению с однополупериодным выпрямителем тока (так, если U₁ — напряжение промышленной частоты 50 гц, то частота пульсации тока на нагрузке будет 100 Гц), что облегчает сглаживание.

Мостовая схема выпрямителя тока (Рис. 1, (в)) также двухполупериодная, но вторичная обмотка трансформатора выполнена без средней точки и имеет в два раза меньшее количество витков по сравнению со вторичной обмоткой трансформатора на Рис. 1 (б). Дополнительное сглаживание выпрямленного тока в этих схемах обеспечивается индуктивно-ёмкостными либо резистивно-ёмкостными фильтрами. Указанные схемы выпрямителей тока применяют обычно в системах питания устройств, у которых потребляемая мощность не превышает нескольких кВт (радиоприёмники, телевизоры, некоторые устройства автоматики и телемеханики и др.), и лишь в отдельных случаях для питания мощных (до тысячи кВт) устройств (например, двигателей электровозов). Существуют выпрямители тока, в которых наряду с выпрямлением тока осуществляется умножение выпрямленного напряжения. Схемы с умножением обычно применяют в высоковольтных установках, предназначенных для испытания электрической изоляции, а также в рентгеновских установках, электронных осциллографах и т.п.

Задания на экспериментальные исследования и методические указания к ним

Задание 1.  Снять статическую вольтамперную характеристику (ВАХ) диода используя осциллограф. Это наиболее быстрый и удобный способ исследования ВАХ, непосредственно наблюдая ее на экране осциллографа.

1.1. Собрать схему, приведенную на рисунке ниже.

1.2. Получить на экране осциллографа изображение ВАХ. Для этого: на выходе генератора установить треугольный сигнал с амплитудой 10В, частотой 10Гц и скважностью 50% . 

 

Осциллограф поставить в режим В/А. При таком подключении координата точки луча по горизонтальной оси осциллографа будет пропорциональна напряжению, подаваемому на А-вход, а по вертикальной – току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе 1 Ом численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/1=U), по вертикальной оси можно непосредственно считывать значения тока. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осциллографа. Таким образом, ток и напряжение в каждой точке ВАХ вычисляются из соотношений: I = Y K_y.канВ , U= X K_y.канА , где Y, X– координата точки луча, в делениях шкалы осциллографа; K_y.канА , K_y.канВ – масштабные множители осциллографа по оси Y каналов А и В, причем в размерности множителя канала В K_y.канВ 1мВ соответствует 1мА.

Подобрать значения K_y.канА , K_y.канВ так, чтобы луч не выходил за пределы экрана, а изображение ВАХ было по возможности максимальным. Осевые линии на сетке экрана совпадают с осями ВАХ.

1.3. Снять ВАХ для различных диодов (на основе кремния - 1N914, на основе германия - mbrd835 и т.д.) и для различных параметров генератора (треугольный сигнал, гармонический, импульсный, с различной частотой и смещением).

Задание 2. Исследовать работу выпрямителя.

2.1. Собрать схему однополупериодного выпрямителя.

2.2. Получить на экране осциллографа изображение ВАХ.

Параметры генератора:

ВАХ:

2.3. Объяснить процесс однополупериодного выпрямления.

2.4. Зарисовать временные диаграммы: входного напряжения; выходного напряжения; напряжения на диоде (как разницу входного и выходного).

3.1. Собрать схему мостового двухполупериодного выпрямителя.

3.2. Показать на схеме направления токов протекающие в положительный и отрицательный полупериоды через сопротивление нагрузки.

3.3. Получите ВАХ выпрямителя:

3.4. Объяснить процесс двухполупериодного выпрямления.

3.5. На основе схемы самостоятельно соберите двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.

3.6. Подумайте, как надо разместить на схеме конденсатор, чтобы “сгладить” полученный сигнал.

3.7. Почему двухполупериодный выпрямитель имеет большее КПД чем однополупериодный?