Контрольные вопросы.
1. Объясните процесс образования запирающего слоя в p-n-переходе.
2. Объясните возникновение тока через p-n-переход при подключении диода в прямом направлении.
3. Объясните возникновение тока через p-n-переход при подключении диода в обратном направлении.
4. Каким образом возникает лавинный и тепловой пробой p-n-перехода?
5. С какой целью в стабилизаторе напряжения устанавливается балластное сопротивление?
Лабораторная № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
Цель работы – ознакомиться со схемами выпрямления и со схемами сглаживающих фильтров. Исследовать работу выпрямительного устройства с нагрузкой.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
1. Схемы выпрямителей переменного тока
Основным элементом выпрямительного устройства является вентиль, т.е. прибор, обладающий односторонней проводимостью. Для выпрямителей однофазного переменного тока наиболее широко используют два типа выпрямителей: однополупериодный и двухполупериодный мостовой.
Схема однополупериодного выпрямителя показана на Рис. 1.
64
Рисунок 1. - Схема однополупериодного выпрямителя
Ток в нагрузочном резисторе R
Н
появляется только в те периоды времени (или те полупериоды напряжения U), когда потенциал точки «а» положителен по отношению к потенциалу точки «в», т.к., в этом режиме вентиль открыт. Когда же потенциал точки «а» отрицателен по отношению к потенциалу точки «в» - вентиль закрыт, ток в нагрузке равен нулю. Таким образом, ток в резисторе имеет пульсирующий характер (рис. 2).
Рисунок - 2. Временные диаграммы напряжений однополупериодного выпрямителя
Недостатком однополупериодного выпрямителя является высокий уровень пульсации. Этого недостатка несколько лишен двухполупериодный выпрямитель, в котором используются оба полупериода напряжения сети.
Наиболее распространен мостовой выпрямитель (Рис. 3), в котором вентили
VD1-VD4 включены по мостовой схеме.
К одной из диагоналей моста подведено переменное напряжение от
65 сети, к другой диагонали подключен нагрузочный резистор
Рисунок 3. - Схема двухполупериодного мостового выпрямителя
В течение первого полупериода напряжение сети U, когда потенциал точки «а» положительный по отношению к потенциалу точки «в», вентили
VD1, VD3, открыты, и в нагрузке R
H
возникает ток i
H
. В это время вентили
VD2, VD4 закрыты. В другой полупериод, когда потенциал точки «а» отрицателен вентили VD2, VD4 открыты, а вентили VD1, VD3 закрыты. В нагрузочном резисторе R
H
ток имеет то же направление, что и в первый полупериод напряжения сети (Рис. 4)
Рисунок 4. - Временные диаграммы напряжений мостового выпрямителя
Анализ временных диаграмм показывает, что
мостовой выпрямитель имеет то преимущество, по сравнению с однополупериодным выпрямителем,
66 что среднее напряжение (следовательно, и ток) U
Н.СР
в два раза больше, а пульсации значительно меньше.
2. Сглаживающие фильтры
Выпрямленное напряжение на нагрузке имеет пульсирующий характер и является периодическим и несинусоидальным напряжением. Оно может быть разложено в ряд на постоянную и гармоническую составляющие.
Частота первой (основной) гармоники для однополупериодного выпрямителя равна частоте выпрямленного напряжения (для сети - 50 Гц), а для двухполупериодного выпрямителя - удвоенной частоте выпрямленного напряжения.
Амплитуда основной гармоники значительно превышает амплитуды других гармоник. Поэтому за коэффициент пульсации Р принимают отношение амплитуды основной гармоники выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей
СР
Н
ОСН
U
m
U
P
Для однополупериодных выпрямителей без фильтра Р = 1,5, для двухполупериодных Р=0,67.
Коэффициент пульсации напряжения, питающего электронные устройства должен составлять 10
-4
…10
-7
Таким образом, полученное непосредственно с выпрямителя напряжение использовать нельзя. Для снижения пульсации до требуемой величины служат сглаживающие фильтры. Простейшим сглаживающим фильтром является конденсатор. Существуют различные сглаживающие фильтры, с использованием активных сопротивлений и конденсаторов, так называемые Г- и П- образные.
Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглаживания q, равным отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра
ВЫХ
ВХ
P
P
q
Емкость фильтров С
ф включается параллельно нагрузочному резистору
67
R
H
(Pис. 5).
I
Рисунок 5. - Схема включения емкостного фильтра
При таком включении конденсатора С
ф заряжается через вентиль до амплитудного значения напряжения U
m тогда, когда ток через вентиль возрастает до максимального значения. Когда напряжение на вентиле начинает убывать (Pис. 6) конденсатор С
ф разряжается через нагрузку R
H
На (Pис. 6) показаны упрощенные временные диаграммы напряжений выпрямителей с емкостным фильтром. Время t
1
соответствует начальному периоду, когда выпрямитель подключается к сети.
Конденсатор к концу первой части периода заряжается до амплитудного значения U
m
. Во время второй четверти и части третьей четверти (для «б») и второй четверти и второго полупериода переменного напряжения (для «а») конденсатор разряжается через нагрузку R
H
, т.е. отдает часть запасенной электрической энергии в нагрузку (интервал t
2
).
68 б)
Рисунок 6. Временные диаграммы напряжений однополупериодного (а) и двухполупериодного (б) выпрямителей с емкостным фильтром
В конце временного интервала t
2
напряжение U
С
= U
H
несколько снижается: у однополупериодного больше, а у двухполупериодного - меньше. В период времени t
3
происходит процесс зарядки конденсатора С
ф
, т.к. вентиль в этот момент открывается, и электрическая энергия вновь подается на С
ф и R
H
от сети.
На (Pис. 6) видно, что при включении емкостного фильтра напряжение
U
H
не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения. Если сопротивление R
H
уменьшить (т.е. увеличить i
H
), то пульсации на нагрузке и С
ф увеличатся.
Обычно емкость С
ф выбирают такой величины, чтобы для основной гармоники выпрямленного напряжения сопротивление конденсатора было много меньше R
H
, т.е.:
H
OCH
Ф
H
Ф
OCH
R
f
С
или
R
C
f
2 1
2 1
Существуют более сложные фильтры для выпрямителей. Таким, например, является Г-образный RС-фильтр (Pис. 7). Этот фильтр обычно применяется, когда ток в нагрузке не превышает нескольких десятков миллиампер.
69
Рисунок 7. - Схема Г-образного RС-фильтра
В таком сглаживающем фильтре при Х
сф
<< R
ф на резисторе R
ф создается значительно большее падение напряжения от переменной составляющей выпрямленного тока, чем от постоянной. Обычно для RС- фильтров выполняется соотношение
9
,
0 5
,
0
Ф
H
H
R
R
R
Г-образный фильтр обеспечивает значительно меньшие пульсации напряжения на, нагрузке, чем простейший емкостной фильтр.
3. Порядок выполнения лабораторной работы
Исследование однополупериодного выпрямителя
Перечень приборов
а)
Источник переменного напряжения 15 В, частотой 1Гц; б)
Сопротивление на 100 Ом – 3 шт.; в)
Конденсатор на 1 мФ – 2 шт.; г)
Выпрямительный диод 1N4001; д)
Вольтметр; е)
Осциллограф. ж)
Переключатель, управляемый нажатием задаваемой клавиши клавиатуры (по умолчанию – клавиша пробела) – 5 шт.;
3.3. Соберите схему для исследования работы однополупериодного выпрямителя (Рис. 8).
Переключателям присвойте буквенные обозначения для их
70 поочередного включения и выключения. Для всех приборов и элементов схемы задайте параметры, как показано на схеме (Рис. 8). Включите схему и исследуйте влияние сопротивлений и конденсаторов на выпрямительные свойства схемы. Показания вольтметра занесите в таблицу 1. Зарисуйте осциллограмму – кривые пульсации - для всех четырех опытов на одном чертеже с учетом масштаба, накладывая их на основную осциллограмму
(когда все переключатели открыты).
Рисунок 8. – Схема однополупериодного выпрямителя
Результаты исследования однополупериодного выпрямителя
№ п.п.
1 2
3 4
5
С1=1мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С2+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=10мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=20мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=40 мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=60мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
4.1. Исследование двухполупериодного выпрямителя
4.2. Перечень приборов
а)
Источник переменного напряжения 15 В, частотой 1Гц; б)
Сопротивление на 100 Ом – 3 шт.; в)
Конденсатор на 1 мФ – 2 шт.;
71 г)
Выпрямительный мост 1N4001; д)
Вольтметр; е)
Осциллограф. ж)
Переключатель, управляемый нажатием задаваемой клавиши клавиатуры (по умолчанию – клавиша пробела) – 5 шт.;
4.3. Соберите схему для исследования работы мостового выпрямителя (Рис.
9).
Рисунок 9. - Схема двухполупериодного выпрямителя
Переключателям присвойте буквенные обозначения для их поочередного включения и выключения. Для всех приборов и элементов схемы задайте параметры, как показано на схеме (Рис.9). Включите схему и исследуйте влияние сопротивлений и конденсаторов на выпрямительные свойства схемы. Показания вольтметра занесите в таблицу 2. Зарисуйте осциллограмму – кривые пульсации - для всех четырех опытов на одном чертеже с учетом масштаба, накладывая их на основную осциллограмму
(когда все переключатели открыты).
72
Таблица 2
Результаты исследования мостового выпрямителя
№ п.п.
1 2
3 4
5
С1=1мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С2+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=10мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=20мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=40 мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
С1=60мФ
(все ключи открыты)
(закрыт А)
(закрыты А+С)
(закрыты А+С+D)
(закрыты А+С+D+E)
С1+С2
(все ключи открыты)
(закрыты А+В)
(закрыты А+В+С)
(закрыты А+В+С+D)
(закрыты А+В+С+D+E)
Определите, во сколько раз (по осциллограммам напряжения) величина пульсации напряжения на нагрузке (при включенном С1) в мостовом выпрямителе меньше, чем в однополупериодном.
Оформить отчет по лабораторной работе:
1. Сделать конспект теоретических сведений;
2. Оформить протокол исследований: заголовок исследования, исследуемая схема, таблица данных, осциллограмма;
3. Письменно ответить на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы к работе
1. Какие элементы содержит выпрямительное устройство?
2. Какова роль конденсатора подключаемого параллельно сопротивлению нагрузки?
3. Изобразить процесс сглаживания пульсаций напряжения в однополупериодном выпрямителе с простейшим фильтром.
4. Изобразить процесс сглаживания напряжения в двухполупериодном выпрямителе.
73 5. Изобразить, что происходит на осциллограмме за счет увеличения нагрузки при включённом сглаживающем фильтре и без него.
Лабораторная № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРА Цель работы – изучить принцип действия и характеристики биполярных и полевых транзисторов. Ознакомиться с методикой снятия вольтамперных характеристик транзисторов.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 4. Принцип действия биполярного транзистора Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами,
пригодный для усиления мощности, имеющий три или более выводов. Транзисторы с двумя p-n-переходами носят название биполярных.
Этот термин связан с наличием в этих транзисторах двух различных типов носителей зарядов - электронов и дырок.
В соответствии с чередованием областей с различным типом электропроводности биполярные транзисторы подразделяются на р-п-р и п-р- п.Условные обозначения биполярных транзисторов (в дальнейшем для простоты транзисторов) показаны на рис. 1.
Рисунок 1. - Условные обозначения транзисторов
Для примера рассмотрим работу транзистора р-п-р-структуры (Рис. 2).
74
Центральный слой транзистора называют базой, источник носителей заряда (для п-р-п - электроны), левый по схеме слой - эмиттер, слой, собирающий носители зарядов - коллектор. На переход эмиттер-база напряжение подается в прямом направлении, поэтому даже при малых напряжениях через него проходит значительный ток. На переход коллектор- база напряжение подается в обратном направлении. Это напряжение должно быть значительно больше напряжения эмиттер-база.
Пока I
э равен нулю, в коллекторе ток обусловлен движением только неосновных носителей зарядов (дырок), которые находятся в коллекторе и базе и имеют малую величину I
KO
При подключении напряжения Е
э возникает ток эмиттера I
э
Электроны, попавшие в область базы, частично рекомбинируют с ее дырками. Однако, базу обычно выполняют с малой концентрацией примесей и лишь немного электроны, попавшие в область базы, рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток I
б
. Большинство электронов под воздействием электрического поля коллектора (направление поля от коллектора к базе) достигает коллектора, образуя ток I
к а) б)
Рисунок 2. - Движение носителей заряда в транзисторе: а)
- при I
э
=
0; б) - I
э
> 0
Связь между приращением эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока:
75 1
эKII
В рассмотренном случае база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей. Такая схема включения транзисторов называется схемой с общей базой, при этом эмиттерная цепь является входной, а коллекторная - выходной. Однако, схему с общей базой применяют редко из-за низкого коэффициента передачи тока.
Основной
схемой включения транзистора считают схему, в которой общим электродом для входной и выходной цепей по переменному току является эмиттер (Рис. 3)
Рисунок. 3. - Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером
Для такой схемы включения соблюдается равенство:
ЭКбКЭКЭбIIIIIIII
0
)
1
(
Малая величина управляющего тока I
б обусловила широкое применение схемы с общим эмиттером. Коэффициент передачи тока для этой схемы
1000 10
бKII
76
Зависимость I
б
=
I(U
бэ
) при постоянном напряжении U
КЭ
называют входной характеристикой, а зависимость тока I
б
= f(U
кэ
) при постоянном токе
I
б называют выходной характеристикой (Рис. 4).
а) б)
Рисунок 4. - Семейство вольтамперных характеристик биполярного транзистора: а) - входные; б) - выходные
2. Принцип действия полевого транзистора
Полевым транзистором называют прибор, в котором ток через канал управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком.
Если на стержень полупроводника, например, р-типа, нанести поясок примеси n-типа, то на границе раздела областей с разной проводимостью образуется р-n-переход (Рис. 5).
Рисунок 5 – Структурная схема полевого транзистора
77
Концентрация примеси в n-области делается значительно выше, чем в p-области. При этом запирающий слой, обедненный основными носителями, возникающий под действием приложенного через переход обратного напряжения (U
3
)будет почти целиком расположен в участке p-типа.
При подаче напряжения U
с между точками И и Сполупроводниками p-
типа проводимость его будет, в основном, определяться проводимостью проводящего канала. Возникающий ток I
C
будет состоять из потока дырок полупроводника p-типа
. Дырки будут двигаться в направлении электрического поля
Е. Вывод И
, от которого начинается движение дырок - исток; вывод С, носит название сток. Управляющий электрод Зносит название затвор.
Полевые транзисторы часто называют униполярными, поскольку носителями тока являются заряды одного знака (либо n
, либо p
). Условное изображение полевого транзистора показано на Рис. 6. а) б)
Рисунок 6. - Условное обозначение полевого транзистора: а) - канал n-типа; б) - канал p-типа.
Отключим источник напряжения U
З
и соединим точки И и Знакоротко.
С увеличением U
C
будет возрастать ток стока I
C
и возрастать обратное смещение p-n-перехода (затвор - полупроводниковый стержень). При этом запирающий слой будет расширяться, проводящий канал - сужаться. При определенном токе I
C
увеличение напряжения U
С
настолько сузит канал, что ток I
C
перестанет увеличиваться.
Это напряжение называется напряжением отсечки, а ток, соответствующий этому напряжению, называют током насыщения I
нас
(рис.
7).
78
Рисунок 7. - Зависимость тока стока от напряжения сток-исток
Если отсоединить затвор от истока и подать между И и Знапряжение
U
З
, то при увеличении U
З
, даже при отсутствии напряжения U
СИ
, канал будет сужаться.
Если одновременно с подачей U
З
, подключить U
СИ
, то отсечка наступит раньше, чем при отсутствии напряжения U
З
(Рис. 8).
Рисунок 8. - Семейство стоковых характеристик полевого транзистора
С целью дальнейшего уменьшения тока затвора применяют
полевые транзисторы с изолированным затвором, в которых между затвором и каналом помещают тонкий слой диэлектрика, p-n-переход отсутствует.
В таких транзисторах на затвор можно подать как положительное, так и отрицательное напряжение относительно истока.
Вольтамперные характеристики транзисторов с изолированным затвором в основном аналогичны характеристикам транзисторов с неизолированным затвором.
Скачать 1.65 Mb.