Исследование диодных схем

Отчет по лабораторной работе №2 по дисциплине «Электроника»

Исполнитель

Студент, 8В92 ____________ И. В. Вальт

(подпись)

____________

(дата)

Руководитель

Старший преподаватель ____________ С. В. Силушкин

(подпись)

____________

(дата)

Томск - 2011

Цели работы:

1. Овладеть методикой снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ)

нелинейных элементов.

2. Освоить расчет основных параметров диодов, характеризующих

их как нелинейные элементы.

3. Получить практические навыки исследования схем лабораторной

работы.

Ход работы:

1. Снимем вольтамперные характеристики диодов VD1 и VD2:

Рисунок 1. ВАХ кремневого диода VD1

Рисунок 2. ВАХ диода Шоттки VD2

2. Соберем схему однополупериодного выпрямителя, работающего

на активную нагрузку. В качестве источника переменного напряжения используется генератор FGEN.

Схема 1. Однополупериодный выпрямитель, работающий на активную нагрузку

3. Установим на генераторе амплитуду гармонического сигнала E = UВХ = 2,5В и частоту f =1кГц. Инициируем осциллограф и пронаблюдаем временные диаграммы выходного напряжения (CHA+) и тока диода (CHB+) выпрямителя. Измерим осциллографом амплитуды сигналов и определим период входного напряжения и временной интервал ненулевого тока диода. Определим угол отсечки тока.

Кремниевый диод VD1:

Рисунок 3. Временная диаграмма выходного напряжения и тока диода выпрямителя

Период T = 1 мс (T = 1/v = 1/1000 с совпадает с практическим).

Uвых = 1.626 В.

Временной интервал ненулевого тока диода ΔT= 425 мкс.

Угол отсечки Θ — половина фазового угла, в течение которого диод в диодном выпрямителе открыт, то есть через него протекает ненулевой ток.

Θ = ω·Δt/2 = (2·π·1000·425·10^-6)/2 · (180/π) = 76.5°

4. Заменим кремниевый диод VD1 на диод Шоттки VD2 и проведем аналогичные операции:

Рисунок 4. Временная диаграмма выходного напряжения и тока диода Шоттки

Период T = 1 мс.

Uвых = 1.941 В

Временной интервал ненулевого тока диода ΔT= 468 мкс

Θ = ω·Δt/2 = (2·π·1000·468·10^-6)/2 · (180/π) = 84.2°

Отрицательная полуволна входного сигнала отсекается, так как диод закрыт. Выходное напряжение в схеме с диодом Шоттки выше, так как на нём падает меньшее напряжение в связи с особенностями его барьера. Кроме того, угол отсечки данного диода больше, что объясняется меньшим участком низких токов.

5. Изменяя частоту гармонического напряжения с генератора, пронаблюдаем на повышенных частотах (десятки и сотни килогерц) проявление инерционных свойств диода.

5.1. Частота генератора = 50 кГц

Амплитуда выходного напряжения Uвых = 1.967 В

Временной интервал ненулевого тока диода Δt = 94 мкс

Угол отсечки Θ = ω·Δt/2 = (2·π·5036·94·10^-6)/2 · (180/π) = 85.3°

5.2. Частота генератора = 5000 кГц

Амплитуда выходного напряжения Uвых = 1.969 В

Временной интервал ненулевого тока диода Δt = 97 мкс

Угол отсечки Θ = ω·Δt/2 = (2·π·5000·97·10^-6)/2 · (180/π) = 84.6°

5.3. Частота генератора = 10000 кГц

Амплитуда выходного напряжения Uвых = 1.980 В

Временной интервал ненулевого тока диода Δt = 48 мкс

Угол отсечки Θ = ω·Δt/2 = (2·π·10000·50·10^-6)/2 · (180/π) = 86.4°

5.4. Частота генератора = 15000 кГц

Амплитуда выходного напряжения Uвых = 2.029 В

Временной интервал ненулевого тока диода Δt = 32 мкс

Угол отсечки Θ = ω·Δt/2 = (2·π·15000·32·10^-6)/2 · (180/π) = 86.4°

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что выходное значение напряжения не зависит от частоты входного сигнала. Кроме того, при повышении частоты угол отсечки увеличивается. Это обусловлено инерционными свойствами диода (в диоде скапливаются носители заряда, при частом изменении направления тока). Кроме того, снижается эффективность выпрямления.

6. Соберем схему однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-емкостную нагрузку, и установим частоту генератора f = 1 кГц.

Схема 2. Однополупериодный выпрямитель на активно-емкостной нагрузке

Из определения однополупериодного выпрямителя, должно происходить преобразование переменного тока в постоянный. Проверим данную характеристику:

Рисунок 5. Окно генератора f = 1 кГц.

Исходя из полученных результатов, можно с уверенностью утверждать, что выпрямитель в нашем эксперименте плохой. Проверим его реакцию на повышенных частотах:

Рисунок 6. Окно генератора f = 4 кГц.

Рисунок 7. Окно генератора f = 8 кГц.

Рисунок 8. Окно генератора f = 12 кГц.

Рисунок 9. Окно генератора f = 19 кГц.

При изменении частоты в большую сторону, можно с уверенностью сказать, что пульсации выходного напряжения заметно уменьшаются.

7. Установим частоту генератора f = 1 кГц и вместо емкости С10 установим емкость С2 = 10 мкФ.

Рисунок 9. Окно осциллографа частота 1 кГц

Рисунок 9. Окно генератора f = 8 кГц.

Рисунок 9. Окно генератора f = 19 кГц.

Замена конденсатора дала значительное улучшение свойств выпрямителя, благодаря изменению емкости с 47 нФ до 10 мкФ. Так как чем больше емкость, тем больше время разрядки, следовательно, происходит лучшее сглаживание сигнала на выходе. Но, как правило, чем больше емкость конденсатора, тем больше его размер. В устройствах, работающих на высоких частотах, а так же не очень требовательных к выпрямлению, можно обойтись и худшим конденсатором.

8. Установим частоту генератора f = 1 кГц и снимем зависимость Uвых = f(Uвх), изменяя амплитуду входного напряжения генератора FGEN Uвх от 2.5 до 1.1В.

Uвх~, В	Uвых, В	Коэф. передачи
2.5	1.51	0.604
2.3	1.43	0.622
2.1	1.29	0.611
1.9	1.14	0.6
1.7	1.03	0.605
1.5	0.84	0.56
1.3	0.62	0.476
1.1	0.47	0.427

Из полученных значений, очевидно, что в однополупериодном диодном выпрямителе при увеличении входного напряжения увеличивается и выходное, а так же увеличивается коэффициент передачи. Но с увеличением напряжения появляется входной сигнал и искажения увеличиваются.

9. Исследование схемы последовательного ограничителя

Рисунок 3 Схема последовательного диодного ограничителя

Соберем схему последовательного диодного ограничителя, установим амплитуду гармонического сигнала E = 2.5B на частоте f = 1 кГц и значение напряжения E1 = 1В. Исследуем работу схемы последовательного ограничителя, изменяя полярность подпирающего напряжения Е1.

Рис 10. Выходной сигнал при E1=1 В

Рис 11. Выходной сигнал при E1=0.5 В

Рис 12. Выходной сигнал при E1=2 В

Рис 13. Выходной сигнал при E1=5 В

Рис 13. Выходной сигнал при E1=-1 В

Рис 13. Выходной сигнал при E1=-5 В

При отрицательном напряжении диод заперт на отрицательной полуволне входного сигнала. Из полученных результатов видно, что с ростом напряжения E1 идет увеличение амплитуды выходного сигнала и при уменьшении E1 наоборот. Напряжение E1 увеличивает порог необходимого напряжения для прохождения диода током, причем при увеличении напряжения E1 можно наблюдать приближение выходного напряжения к напряжению подпорки.

10. Исследование параметрического стабилизатора напряжения. Соберем схему параметрического стабилизатора в режиме холостого хода.

Схема 4. Параметрический стабилизатор

Инициируем для питания схему параметрического стабилизатора источник VPS положительной полярности и цифровой вольтметр DMM для измерения выходного напряжения. Измерим коэффициент нестабильности выходного напряжения KL при E1 = 10B, Emax = 12B и Emin = 8B.

Коэффициент нестабильности выходного напряжения K_L

Без R21
E	U	KL
	4,572	9.4%
	4,849
	5,031

Нестабильность выходного напряженияпо сети

R21
E	U	KL
	4,386	11,7%
	4,721
	4,942

Измерим коэффициент нестабильности выходного напряжения по нагрузке.

R12 и R21
E	U	KR
	4,17	15,1%
	4,571	14,5%
	4,836	13,8%

Можно заметить, что показатели нестабильности со стабилитроном достаточно высоки. Но в схеме без стабилитрона, коэффициент нестабильности еще выше. Сравнивая коэффициенты нестабильности по сети, можно заметить, что на более низких напряжениях имеем худшие коэффициенты, так как рабочая точка стабилитрона находится на недостаточном удалении в пробое, или вне его.

11. Установим номинальное входное напряжение Е1 = 10 В и замерим выходное напряжение параметрического стабилизатора на холостом ходу (U1) и под нагрузкой RL (U2), а также рассчитаем R_вых стабилизатора:

U1 = 5,654B – выходное напряжение холостого хода,

U2 = 5,651B – выходное напряжение под нагрузкой.

В режиме холостого хода ток не протекает, потому что R = ∞, поэтому ток течет через стабилитрон.

В режиме нагрузки:

Итоговый вывод:

Рассмотрены теоретические основы, касающиеся вольтамперных характеристик диодов, их статического и дифференциального сопротивления.

Были исследованы следующие диодные схемы:

1) однополупериодный выпрямитель с активно-емкостной нагрузкой: были получены отличия реакции различных диодов на повышение частоты цепи, способы улучшения качеств выпрямителя. Так же был изучен режим малого сигнала на примере стабилитрона, где было проверено, что диод может проявлять себя как линейный элемент в плане искажения сигнала.

2) последовательный ограничитель напряжения: были изучены свойства ограничителя напряжений и принцип его работы.

3) параметрический стабилизатор напряжения: были проверены показатели нестабильности по сети и нагрузке для стабилитрона, выявлено, что стабилитрон в установке плохой.

Дата добавления: 2015-06-04