- •Сборник методических указаний к лабораторным работам
- •Содержание
- •Введение
- •Лабораторная работа №1. Изучение стенда
- •1. Назначение и состав стенда
- •1.1. Компоновка оборудования
- •1.2. Блок генераторов напряжений
- •1.3. Наборная панель
- •1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам электроники
- •1.5. Набор трансформаторов
- •1.6. Блок мультиметров
- •1.7. Ваттметр
- •1.8. Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №2. Изучение электронных измерительных приборов
- •Лабораторная работа №3. Исследование работы полупроводниковых диодов и стабилитронов
- •Лабораторная работа №4. Нелинейные преобразователи электрических сигналов. Исследование последовательных диодных ограничителей.
- •Лабораторная работа №5. Нелинейные преобразователи электрических сигналов.Иисследование параллельных диодных ограничителей.
- •Лабораторная работа №6. Исследование параметрического стабилизатора напряжения
- •Лабораторная работа №7. Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя
- •Лабораторная работа №8. Исследование однофазного
- •Лабораторная работа №9. Исследование неуправляемого выпрямителя трехфазного тока
- •Лабораторная работа №10. Исследование работы биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (оэ)
- •Лабораторная работа №11. Выпрямительные диоды. Эффект p-n перехода в диодах
- •1.1.1. Общие сведения
- •1.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №12. Полупроводниковый однополупериодный выпрямитель
- •1.2.1. Общие сведения
- •1.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №13. Полупроводниковый мостовой выпрямитель
- •1.3.1. Общие сведения
- •1.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №14. Неуправляемый выпрямитель трехфазного тока
- •1.4.1. Общие сведения
- •1.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №15. Стабилитроны (диоды Зенера). Характеристики стабилитрона
- •2.1.1. Общие сведения
- •2.1.1. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №16. Исследование параметрического стабилизатора напряжения
- •2.2.1. Общие сведения
- •2.2.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: При каких условиях выходное напряжение параметрического стабилизаора остается постоянным?
- •Вопрос 2: Когда возникает ток стабилизации iст ?
- •Лабораторная работа №17. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения
- •2.3.1. Общие сведения
- •2.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №18. Диоды с особыми свойствами. Светодиоды
- •3.1.1. Общие сведения
- •3.1.2. Экспериментальная часть
- •Вопрос 1: Какой минимальный ток необходим светодиоду для слабого светоизлучения?
- •Вопрос 2: Как ведет себя светоизлучение при изменении полярности прикладываемого напряжения?
- •Вопрос 3: Напряжение питания светодиода 5 в. Какой добавочный резистор необходим при токе 15 мА? лабораторная работа №19. Диоды с переменной емкостью (варикапы)
- •3.2.1. Общие сведения
- •3.2.2. Экспериментальная часть
- •Вопрос 1: Какова величина порогового напряжения варикапа?
- •4.1.1. Общие сведения
- •4.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Каковы общие свойства обоих p-n переходов транзисторов двух типов?
- •Вопрос 2: Каковы отличия p-n переходов в двух типах транзисторов? лабораторная работа №21. Распределение тока в транзисторе и управляющий эффект тока базы
- •4.2.1. Общие сведения
- •4.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №22. Характеристики транзистора
- •4.3.1. Общие сведения
- •4.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения экспериментов
- •Лабораторная работа №24. Установка рабочей точки транзистора и исследование влияния резистора в цепи коллектора на коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общим эмиттером
- •4.4.1. Общие сведения
- •4.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на коэффициент усиления?
- •Вопрос 2: Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на форму выходного напряжения? лабораторная работа №25. Усилители на биполярных транзисторах
- •4.5.1. Общие сведения
- •4.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?
- •Вопрос 2: в каких задачах свойства усилителя с общим коллектором имеют особое применение?
- •Вопрос 3: в каких отношениях усилитель с общей базой отличается от усилителя с общим эмиттером? лабораторная работа №26. Регулятор напряжения (линейный)
- •4.6.1. Общие сведения
- •4.6.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой элемент цепи (рис. 4.6.1) можно использовать для задания максимального выходного напряжения?
- •Вопрос 2: Из каких компонентов состоит линейный регулятор напряжения? лабораторная работа №27. Регулятор тока
- •4.7. Общие сведения
- •4.7.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №28. Униполярные (полевые) транзисторы. Испытание слоев и выпрямительного действия униполярных транзисторов
- •5.1.1. Общие сведения
- •5.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Когда p-n переходы полевого транзистора с каналом n-типа заперты?
- •Вопрос 2: Когда p-n переходы полевого транзистора с каналом p-типа заперты? Характеристика включения затвора полевого транзистора
- •5.2.1. Общие сведения
- •5.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №29. Управляющий эффект затвора полевого транзистора n-типа
- •5.3.1. Общие сведения
- •5.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Каков наклон характеристики s полевого транзистора, когда изменение напряжения затвор ¤ исток составляет 1,5 в, а соответствующее изменение тока стока равно 4,5 мА?
- •Вопрос 2: Когда полевой транзистор управляется без потерь мощности? лабораторная работа №30. Выходные характеристики полевого транзистора
- •5.4.1. Общие сведения
- •5.4.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как ведет себя коэффициент усиления n при увеличении сопротивления нагрузки rн? лабораторная работа №31. Усилители на полевых транзисторах
- •5.5.1. Общие сведения
- •5.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?
- •Вопрос 2: Почему усилитель с общим стоком не имеет такой же значимости, что и усилитель с общим коллектором на биполярном транзисторе?
- •Вопрос 3: в каких отношениях усилитель с общим затвором отличается от усилителя с общим истоком? лабораторная работа №32. Тиристоры. Диодный тиристор (симистор)
- •6.1.1. Общие сведения
- •6.1.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова величина напряжения отпирания симистора (по рис. 6.1.5)?
- •Вопрос 2: Каковы величины дифференциального сопротивления симистора в запертом состоянии и отпертом состояниях при токе 2…3 мА?
- •Вопрос 3: Какие причины «заставляют» симистор вернуться к запертому состоянию?
- •Лабораторная работа №33. Триодный тиристор
- •6.2.1. Общие сведения
- •6.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Запирается ли отпертый тиристор, когда отключается напряжение цепи управляющий электрод ¤ катод?
- •Вопрос 5: Какие свойства проявляет тиристор, работая при измененной на противоположную полярности напряжений? лабораторная работа №34. Фазовое управление тиристора
- •6.3.1. Общие сведения
- •Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как изменяется ток нагрузки при увеличении угла отпирания тиристора? лабораторная работа №35. Операционные усилители. Инвертирующий усилитель
- •8.1.1. Общие сведения
- •8.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова полярность входного напряжения uвх инвертирующего усилителя по сравнению с выходным напряжением uвых?
- •Вопрос 2: Какие компоненты определяют коэффициент усиления инвертирующего усилителя?
- •Вопрос 4: Какое утверждение можно сделать относительно характеристики на рис. 8.1.4? лабораторная работа №36. Неинвертирующий усилитель
- •8.2.1. Общие сведения
- •8 Рис. 8.2.1. .2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какие компоненты усилителя определяют величину коэффициента усиления?
- •Вопрос 3: Какова полярность входного напряжения uвх в сравнении с выходным напряжением uвых? лабораторная работа №37. Операционный суммирующий усилитель
- •8.3.1. Общие сведения
- •8.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как изменяется выходное напряжение при увеличении входных сопротивлений rвх1 и rвх2 от 1 кОм до 4,7 кОм и почему?
- •Вопрос 2: Какой тип цепи получается, когда использован только один вход усилителя?
- •Вопрос 3: Каково результирующее выходное напряжение, когда одно входное напряжение положительно, а другое отрицательно? лабораторная работа №38. Операционный дифференциальный усилитель
- •8.4.1. Общие сведения
- •8.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Когда получается удовлетворительное значение ослабления синфазного сигнала?
- •Вопрос 2: Какому типу цепи соответствует дифференциальный усилитель?
- •Вопрос 3: Какое значение выходного напряжения имеет место при равных сигналах на входах? лабораторная работа №39. Поведение операционного усилителя в динамике
- •8.5.1. Общие сведения
- •8.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова величина фазового сдвига между входным и выходным напряжениями в каждом из четырех усилителей и как зависит она от частоты?
- •Вопрос 2: Как и почему изменяется коэффициент усиления каждого из рассмотренных усилителей при изменении частоты?
Лабораторная работа №7. Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение принципа действия и основных характеристик выпрямителя.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Выпрямителем называется устройство для преобразования электрического переменного тока в постоянный. Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что электростанции вырабатывают энергию переменного тока, а многие промышленные силовые электроустановки и цепи автоматики и радиоэлектроники работают на постоянном токе. Промышленные силовые электроустановки постоянного тока получают питание от трёхфазных выпрямителей, а цепи автоматики и радиоэлектроники от однофазных.
Структурная схема выпрямительного устройства приведена на рис.1. В состав этой схемы входят: трансформатор Тр, блок вентилей В, сглаживающий фильтр Ф, стабилизатор Ст и нагрузка Н.
Трансформатор служит для повышения или понижения напряжения сети до такой величины, которая обеспечит заданное напряжение на зажимах нагрузки. Блок вентилей в однофазных выпрямителях может состоять из одного, двух и четырёх вентилей. Под вентилем понимают устройство, способное проводить ток только в одном направлении. В данной работе рассматриваются выпрямители, у которых в качестве вентилей используются полупроводниковые диоды. Блок вентилей выполняет основную функцию выпрямителя – преобразование переменного тока в постоянный. Сглаживающий фильтр используется для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока. Фильтр представляет собой устройство, способное запасать энергию (получая её от источника) при увеличении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения и отдавать её нагрузке при уменьшении напряжения. В данной работе рассматриваются выпрямители с емкостным фильтром, который представляет собой конденсатор, включённый параллельно нагрузке. Стабилизатор напряжения служит для уменьшения отклонений величины напряжения на зажимах нагрузки от номинала, которые могут возникнуть вследствие изменения сопротивления нагрузки или изменения напряжения сети. В данной работе исследуются выпрямители без стабилизаторов напряжения. В качестве нагрузки выпрямителя используются следующие элементы и устройства: резисторы, индуктивные катушки, двигатели постоянного тока, усилители электрических сигналов, цепи измерительных приборов и т.п. В данной работе нагрузкой выпрямителя является резистор.
Известны три основных типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодные – мостовой и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. Выпрямители могут быть управляемыми и неуправляемыми. В управляемых выпрямителях выпрямленное напряжение можно регулировать. В зависимости от количества фаз питающей сети переменного тока выпрямители подразделяют на однофазные и трехфазные (многофазные). Трехфазные выпрямители используются при необходимости обеспечения большой мощности источника постоянного тока.
В цепи с полупроводниковым диодом (рис. 2) установившийся ток может протекать только при определенной полярности приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения диод запирается и ток прекращается. В цепи переменного (синусоидального) напряжения ток протекает только в течение той полуволны, когда диод открыт. Полуволна другой полярности подавляется. В результате в цепи имеет место ток одного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке.
Рис. 2.
При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:
uВХ, UВХ — мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;
ud, Ud, Udmax, Udmin — мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного (выпрямленного) напряжения;
fп — частота пульсаций выходного напряжения;
m = fпульс / fвх — число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;
— коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.
Работа выпрямителя без фильтра. При положительной полуволне напряжения Uвх (рис.2) диод VD открыт. При этом под воздействием напряжения Uвх по цепи: верхний зажим, диод VD, нагрузочный резистор RH, нижний зажим – протекает ток iH. При отрицательной полуволне напряжения Uвх диод VD закрыт. При этом ток iH не протекает.
Ток iH, протекая по резистору RH, создаёт пульсирующее напряжение UH (рис.2). Это напряжение представляется следующим рядом Фурье:
где – постоянная составляющая выпрямленного напряжения UH, - амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения и так далее.
Рис. 3. Кривые, поясняющие работу выпрямителя
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения U0 при однополупериодном выпрямлении выражается через амплитудное и действующее значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора следующими формулами:
При однополупериодном выпрямлении коэффициент пульсации определяется как отношение амплитуды первой гармоники к постоянной составляющей:
Работа выпрямителя с фильтром. Процесс сглаживания пульсаций емкостным фильтром при однополупериодном выпрямлении показан на рис.3. Из этого рисунка следует, что выпрямленное и слаженное напряжение UНФ на нагрузочном резисторе всегда больше нуля. В соответствии с законом Ома ток iНФ, протекающий через нагрузку при наличии фильтра, также всегда будет больше нуля. Это объясняется следующим образом. В интервалах 0 – 1, 2 – 3, 4 – и т.д. диод открыт и ток iНФ протекает под воздействием напряжения Uвх. В эти же интервалы времени происходит подзаряд конденсатора СФ. В интервалах 1 – 2, 3 – 4 и т. д. диод закрыт, а ток iНФ протекает в результате разряда конденсатора на нагрузочный резистор RH.
В нешняя характеристика выпрямителя. Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость средневыпрямленного напряжения U0 от средневыпрямленного значения тока I0, то есть зависимость U0(I0). На рис.4 приведены графики внешних характеристик выпрямителя при работе его с фильтром – кривая U0Ф(I0) – и без фильтра – кривая U0(I0). Напряжения U0ФХ и U0X представляют собой напряжения холостого хода выпрямителя при работе его с фильтром и без фильтра. При этом U0ФХ > U0X за счёт действия сглаживающего фильтра.
Из сравнения этих кривых следует, что при увеличении тока нагрузки напряжение на зажимах нагрузки при работе выпрямителя с фильтром уменьшается более интенсивно, чем без фильтра. Это происходит из-за того, что на величину средневыпрямленного напряжения влияет более быстрый разряд конденсатора при уменьшении RH.
ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования является однополупериодный выпрямитель. Он получает питание от сети переменного тока. Нагрузкой выпрямителя является резистор RH. Для визуального наблюдения процесса выпрямления переменного напряжения применяется электронный осциллограф.
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Соберите цепь согласно схеме (рис. 5) без сглаживающего фильтра. При сборке схемы обратите внимание на полярность электролитического конденсатора.
Рис. 5
В ключите приборы V0 и V1 и осциллограф. Установить переключатель « » осциллографа в положение « » (открытый вход).
Для получения осциллограммы входного напряжения U2Т подключить вход Y осциллографа к зажимом А и N. Установить на экран осциллографа 2-3 периода этого напряжения и зарисовать полученную осциллограмму на рис.6.
Для получения осциллограммы выпрямленного напряжения UН соединить вход Y осциллографа с гнёздами нагрузочного резистора RH при отключённом фильтре СФ. Полученную осциллограмму зарисовать на рис.6.
Для получения осциллограммы выпрямленного и сглаженного напряжения UНФ подключить фильтр СФ. Полученную осциллограмму зарисовать на рис.6. Зарисованные осциллограммы показать преподавателю, после чего осциллограф отключить от исследуемой цепи.
Сделайте измерения и запишите в табл. 1. значения: UВХ — действующее, Ud — среднее, , m = fпульс / fвх.
Рассчитайте и запишите в табл. 1 коэффициенты Ud / UВХ и kпульс.
Таблица 1
C, мкФ |
0 |
1 |
10 |
100 |
UВХ, В |
|
|||
Ud, B |
|
|
|
|
, В |
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
Ud / UВХ |
|
|
|
|
kпульс |
|
|
|
|
Рис. 6
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
Вычислить амплитудные значения переменных составляющих Um и UmФ и коэффициенты пульсаций Р и РФ выпрямленного напряжения по формулам
Полученные результаты записать.
Построить внешние характеристики выпрямителя без фильтра
U0 = f(I0) и с фильтром U0Ф = f(I0).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
Что называется выпрямителем?
Из каких частей в общем случае состоит выпрямитель?
Для чего в выпрямителях применяются фильтры и могут ли они работать без фильтров?
Нарисуйте кривую изменения выпрямленного напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров.
Какова связь между постоянной составляющей выпрямленного напряжения и средневыпрямленного напряжения?
Амплитуда выпрямленного синусоидального напряжения равна 100В. Чему равны средневыпрямленное значение напряжения при двухполупериодном выпрямлении без фильтров?
Чему равен коэффициент пульсаций напряжения при двухполупериодном выпрямлении?
Действующее значение выпрямленного синусоидального напряжения 100В. Средневыпрямленное напряжение на зажимах нагрузки должно быть не менее 80В. Можно ли получить заданное напряжение от выпрямителя без фильтра?
Что называют внешней характеристикой выпрямителя?