Otchyot_po_laboratornoy_rabote__1 (Лабораторная работа №1)

МГТУ им Н.Э. Баумана

Отчёт по лабораторной работе № 1

«Диоды в источниках питания»

Электроника

Выполнил: Высочанский В.А.

Группа ИУ5-41

Подпись:

Дата:

Проверил: Радюкевич В.В.

Подпись:

Дата:

Москва, 2013 г.

Красным цветом на всех схемах показан входной сигнал, а зелёным – выходной.

Часть 1. Однополупериодный выпрямитель.

Схема 1. Снять осциллограмму на входе и выходе при активной нагрузке.

Происходит преобразование синусоидального напряжения на входе к пульсирующей постоянной составляющей напряжения на выходе («отсекание» отрицательной полуволны синусоиды).

Схема 2. Снять осциллограмму на входе и выходе. Определить коэффициент пульсации. Сделать анализ Фурье.

На данной схеме реализован выпрямитель (диод) и простейший сглаживающий фильтр (конденсатор). При разряжении конденсатора полуволна плавно переходит по прямой линии в следующую полуволну.

По формуле определяем коэффициент пульсации:
K_п = U_m1 / U₀

K_п = 1.9321 / 38.1916 = 0.05

Схема 3. Определить коэффициент сглаживания. Сделать транзиентный анализ.

Транзиентный анализ производится в узлах 2 и 3. По графику видно, что после прохождения сглаживающего «П»-образного фильтра (узел 3) переменный ток преобразуется значительно больше, чем после прохождения выпрямителя (узел 2).

По формуле определяем коэффициент сглаживания:
K_сгл = К_п-вх / К_п-вых

K_п-вх = 10.0551 / 28.3906 = 0.3541

K_п-вых = 4.1701 / 37.9568 = 0.1098

K_сгл = 0.3541 / 0.1098 = 3.2249

Схема 4. Определить коэффициент стабилизации. Сделать транзиентный анализ.

На данной схеме представлен полный цикл преобразования переменного тока в постоянный. Применяется однополупериодный выпрямитель, «П»-образный сглаживающий фильтр и стабилизатор. По графику транзиентного анализа видно, что ток после прохождения стабилизатора является постоянным.

По формуле определяем коэффициент стабилизации:

К_стаб = (1 + R_б / r_б) * (U_{вых-ном} / U_вх-ном)

r_б = 8 (Ом)

U_стаб = 12 (В)

К_стаб = (1 + 820 / 8) * (12.25 / 63.63) = 19.9

Часть 2. Двухполупериодный выпрямитель.

Схема 5. Снять осциллограмму на входе и выходе при активной нагрузке.

Происходит преобразования синусоидального напряжения на входе путём одновременного «открытия» каждой 1-ой и 3-ей полуволны, сразу после которого происходит «открытие» 2-ой и 4-ой полуволн.

Схема 6. Снять осциллограмму на входе и выходе. Определить коэффициент пульсации. Сделать анализ Фурье.

На данной схеме реализован выпрямитель (4 диода) и простейший сглаживающий фильтр (конденсатор). При разряжении конденсатора полуволна плавно переходит по прямой линии в следующую полуволну, образуя «пилообразный» график осциллограммы.

По формуле определяем коэффициент пульсации:
K_п = U_m1 / U₀

K_п = 0.5361788 / 39.1308 = 0.01

Таким образом, коэффициент пульсации при использовании двухполупериодного выпрямителя в пять раз меньше коэффициента пульсации однополупериодного.

Схема 7. Определить коэффициент сглаживания. Сделать транзиентный анализ.

Транзиентный анализ производится в узлах 7 и 8. По графику видно, что после прохождения сглаживающего «П»-образного фильтра (узел 8) переменный ток преобразуется в постоянный значительно эффективнее, чем после прохождения выпрямителя (узел 7).

По формуле определяем коэффициент сглаживания:
K_сгл = К_п-вх / К_п-вых

K_п-вх = 5.9954 / 47.5647 = 0.1261

K_п-вых = 1.2941 / 33.0558 = 0.0392

K_сгл = 0.1261 / 0.0392 = 3.2168

Схема 4. Определить коэффициент стабилизации. Сделать транзиентный анализ.

На данной схеме представлен полный цикл преобразования переменного тока в постоянный. Применяется двухполупериодный выпрямитель, «П»-образный сглаживающий фильтр и стабилизатор. По графику транзиентного анализа видно, что ток после прохождения стабилизатора является постоянным.

По формуле определяем коэффициент стабилизации:

К_стаб = (1 + R_б / r_б) * (U_{вых-ном} / U_вх-ном)

r_б = 8 (Ом)

U_стаб = 12 (В)

К_стаб = (1 + 820 / 8) * (12.24 / 6.35) = 199.5

Из полученного результата видно, что коэффициент стабилизации в случае использования двухполупериодного выпрямителя в десять раз превосходит таковой при однополупериодном выпрямителе.

Вывод: оба типа выпрямителей эффективно преобразуют переменный ток в постоянный (все коэффициенты находятся в допустимых пределах), однако двухполупериодный позволяет добиться значительно лучших показателей коэффициента пульсации и стабилизации.

Ответы на вопросы по лабораторной работе:

1. Принцип работы p-n-перехода:

Если взять два электрически нейтральных полупроводника разных типов проводимости, т.е. p-типа (дырочная) и n-типа (электронная), и соединить их, то в области контакта образуется область p-n-перехода – это область объёмных неподвижных зарядов, в которых практически отсутствуют свободные носители зарядов.

Область p-n-перехода получается по той причине, что в результате диффузии при контакте полупроводников дырка из p-области попадает в n-область и рекомбинирует с одним из электронов в этой области. Аналогично происходит с электронами из n-области. В результате образуется избыточный отрицательный заряд в n-области и избыточный отрицательный в p-области, т.е. возникает электрическое поле на границе полупроводников, которое отталкивает дырки из p-области и электроны в n-области от границы.

Чтобы преодолеть этот «барьер», электрон из n-области или дырка из p-области должны обладать большей энергией, чем энергия барьера. Поэтому для возникновения «ощутимого» электрического тока необходимо приложить больший потенциал к p-области и меньший к n-области, т.е. в прямом направлении. Тогда дырки из p-области и электроны из n-области будут двигаться к границе раздела, уменьшая её и увеличивая тем самым электрический ток. Прилагая разность потенциалов в обратном направлении, ток будет ничтожно мал. Принцип p-n-перехода применяется в диодах.

1. Виды пробоев. В каких деталях используются электрические пробои?

Пробои можно условно разделить на электрические (туннельный и лавинный) и тепловой. Их основным отличием является тот факт, что электрические пробои обратимы, а после теплового пробоя свойства p-n-перехода меняются вплоть до его разрушения.

Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода, когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без его непосредственного преодоления. В результате ток резко возрастает. Это можно увидеть по перпендикулярной прямой линии, направленной вниз, на графике ВАХ.

Лавинный пробой возникает тогда, когда при свободном движении (до столкновения) электрон или дырка приобретают энергию ионизации, из-за чего появляются новые пары электрон-дырка. Происходит лавинообразное возрастание количества носителей зарядов. Такой вид пробоя характерен для p-n-переходов с большой шириной.

Тепловой пробой возникает из-за недостаточного теплоотвода в области p-n-перехода и так же характеризуется резким увеличением тока.

Электрический пробой используется в работе полупроводникового стабилитрона. До наступления пробоя ток через стабилитрон ничтожно мал и сопротивление высоко, но он резко возрастает в области пробоя и дифференциальное сопротивление резко падает. Главное свойство стабилитрона состоит в том, что напряжение в режиме пробоя поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов. Поэтому стабилитрон используют в цепях выпрямления тока.

Ещё свойство электрического пробоя применяется при защите входных цепей от недопустимо высокого напряжения. Для этого два последовательно включённых стабилитрона включаются во входную цепь параллельно. При большом напряжении такой диод открывается и тем самым не пропускает ток на вход устройства.

1. Последовательное и параллельное включение диодов. Что выигрывает разработчик?

Последовательное включение диодов используется для увеличения максимально допустимого напряжения на p-n-перехода. Иными словами, если максимально допустимое обратное напряжение меньше подаваемого напряжения. Это применяется в высоковольтных цепях.

Параллельное включение диодов используется для увеличения максимально допустимого прямого тока их работы. Это применяется, например, в блоках питания бытовой техники.

1. Изменили ёмкость конденсатора в фильтре в 2 раза, что случится?

Фильтр верхних частот пропускает токи высоких частот и плохо пропускает токи низких частот. Таким образом, если в 2 раза увеличить ёмкость конденсатора, то диапазон пропускаемых частот расширится. При уменьшении ёмкости в 2 раза диапазон, наоборот, сузится.

1. Управляемый выпрямитель.

Управляемым выпрямителем является такой выпрямитель, на выходе которого величина напряжения может изменяться по заданному закону. Вместо диодов в них используются триодные тиристоры, которые позволяют, в отличие от диодов, изменять момент перехода в открытое состояние. Этот переход осуществляется под действием управляющего импульса.

Самый простой управляемый выпрямитель – однополупериодный. В цепь подаётся переменное напряжение, амплитуда которого меньше напряжения включения тиристора. Из-за этого при отсутствии управляющего импульса тиристор закрыт. Если же подать на него управляющий импульс, то тиристор открывается и будет открыт до тех пор, пока напряжение между анодом и катодом не станет равным нулю.

1. Принцип работы компенсационного стабилизатора.

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. Такой стабилизатор с точностью поддерживает напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки.

Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: последовательного и параллельного. В схеме последовательного типа задающее напряжение с источника подаётся на вход системы управления. Суммирующем напряжением управляет регулирующий элемент, сопротивление которого изменяется. В случае изменения напряжения на входе стабилизатора сигнал делителя подаётся на схему управления и та сравнивает напряжение, приходящее с источника опорного напряжения. После этого схема управления даёт команду регулятору на увеличение или уменьшение сопротивления. В параллельной схеме изменяется проводимость регулирующего элемента, которая вызывает изменение падение напряжения на балластном резисторе. Основным достоинством такой схемы является неменяющийся ток, потребляемые из сети, при импульсном изменении тока нагрузки.

1. Принцип работы схемы умножения.

Схема умножения – выпрямительная схема, выходное напряжение которой в несколько раз больше амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Роль дополнительных источников ЭДС выполняют конденсаторы, которые периодически заряжаются посредством диодов.