|
Метрология, лабораторные 1. Выпрямители и стабилизаторы на кремниевых диодах и стабилитронах
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра САПР
отчет
по лабораторной работе №1
по дисциплине «Схемотехника»
Тема: «Выпрямители и стабилизаторы на кремниевых диодах и стабилитронах»
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Студент гр. 8891
|
|
Кузнецов В.М.
|
|
|
|
Преподаватель
|
|
Соколов Ю.М.
|
Санкт-Петербург
2021
Цель работы: ознакомление с принципами построения выпрямителей и параметрических стабилизаторов, реализуемых на кремниевых диодах и стабилитронах, и в экспериментальном исследовании их основных технических характеристик с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS.
1.1.1. Общая часть
Условное изображение полупроводникового диода приведено на рис. 1.1, а, где А – анод, К – катод, I – ток диода, U – напряжение на диоде (если полярность напряжения U приведена без скобок, диод открыт, со скобками – закрыт). Вольт-амперная характеристика идеального полупроводникового диода описывается уравнением Эберса – Молла
 , (1.1)
где  – обратный ток насыщения диода;  – температурный потенциал.
Рис. 1.1
Уравнению (1.1) соответствует вольт-амперная характеристика 1, приведенная на рис. 1.2. Реальный диод в области нижних и средних частот можно представить в виде последовательного соединения идеального диода и резистора R, где R – омическое сопротивление объема полупроводникового кристалла. Поэтому в области больших токов реальный диод, в отличие от идеального, имеет линеаризованную характеристику 2. Кремниевый диод в открытом состоянии имеет напряжение нечувствительности  0,4…0,5 В, а напряжение открытого диода  , как правило, составляет 0,6…1 В (рис. 1.2, характеристика 2); в закрытом состоянии диод практически обесточен.
Рис. 1.2
Стабилитрон является полупроводниковым диодом, работающим в режиме обратимого пробоя. Условное графическое обозначение стабилитрона приведено на рис. 1.1, б; его вольт-амперная характеристика представлена на рис. 1.2, кривая 3. В режиме обратимого пробоя (см. рис. 1.1, б – полярность напряжения U со скобками) при большом изменении тока через стабилитрон от минимального значения  до максимального значения  напряжение стабилизации стабилитрона  практически не изменяется (рис. 1.2, характеристика 3). В прямом включении (см. рис. 1.1, б – полярность напряжения U без скобок) стабилитрон работает как открытый диод. Дифференциальное сопротивление стабилитрона  , характеризующее наклон его вольт-амперной характеристики в области обратимого пробоя (рис. 1.2, точка А),
 , (1.2)
как правило, не превышает нескольких десятков Ом ( и  – приращение напряжения и тока в окрестности точки А).
1.1.2. Экспериментальная часть
Измерим вольт-амперную характеристику кремниевого диода с использованием цифрового мультиметра (ЦМ). Для этого на макетной плате подключим диод к токовым контактам ЦМ (анод – CURRENT HI; катод – CURRENT LO). Параметры для кремниевого диода следующие: Start – 0 В; Stop – +2 В; Increment – 0,05 В.
При тестировании нужно устанавливается максимальный ток (10 мА) в обоих направлениях. Это позволяет избежать режимов работы диодов, при которых возможно их повреждение.
Рис. 1.3 - Вольт-амперная характеристика кремниевого диода
Вольт-амперная характеристика испытуемого диода аналогична приведенной на рис. 1.2.
Напряжение нечувствительности диода (при котором его ток составляет 0,1 мА):  ≈0,5 В.
Напряжение открытого диода при токе I = 5 мА: =0,7 В.
1.2. Выпрямители на полупроводниковых диодах
с емкостным фильтром 1.2.1. Общая часть
Выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное. По принципу действия они подразделяются на выпрямители, работающие на индуктивный фильтр, и на выпрямители с емкостным фильтром, которые и рассматриваются в настоящей работе.
Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром на выходе представлена на рис. 1.4, где  – сопротивление нагрузки, ФГ – функциональный генератор, ОСЦ – осциллограф. На рис. 1.5 для этого выпрямителя приведены временные характеристики входного переменного напряжения  (кривая 1) и его выходного постоянного, т. е. незнакопеременного, напряжения  (кривая 2 – без фильтра С1; пунктирная кривая 3 – с фильтром).
Рис. 1.4
Выпрямитель без фильтра С1 отдает мощность в нагрузку в течение только одного полупериода ( > 0, диод открыт); в другой полупериод он практически обесточен ( < 0, диод закрыт – рис. 1.5, кривая 2). Почему для этого выпрямителя в открытый полупериод напряжение < (рис. 1.5, кривые 1 и 2)? Это обусловлено падением напряжения  0,6…1 В на открытом диоде. Действительно,
 . (1.3)
Рассмотрим работу однополупериодного выпрямителя (см. рис. 1.4) с емкостным фильтром С1. На конденсаторе С1 все время поддерживается постоянное положительное напряжение с некоторой пульсацией. Поэтому в открытый полупериод ( > 0) диод откроется только в тот момент времени, когда напряжение достигнет значения
 , (1.4)
где – напряжение нечувствительности диода (см. рис. 1.2).
Рис. 1.5
Таким образом, в этом случае выпрямитель потребляет мощность от источника входного сигнала в течение только части открытого полупериода, что соответствует характеристике 3 на рис. 1.5 ( – время заряда конденсатора С1, диод открыт;  – время его разряда, диод закрыт). Почему на этой характеристике << ? Это обусловлено разными постоянными времени разряда и заряда конденсатора С1:
 ;  , (1.5)
где  – дифференциальное сопротивление диода в открытом состоянии (оно изменяется с изменением тока через диод).
В источниках вторичного электропитания (ИВЭП) широкое применение нашла схема двухполупериодного мостового выпрямителя с емкостным фильтром, представленная на рис. 1.5. Работа этого выпрямителя во многом аналогична работе однополупериодного выпрямителя (см. рис. 1.3 и 1.4), только в этом случае выпрямление входного напряжения происходит в каждый полупериод. В первый полупериод ( > 0) или в его части открыты диоды VD3 и VD2 и ток нагрузки  течет по цепи: Вх – VD3 – – VD2 – общая шина; во второй полупериод ( < 0) или в его части открыты диоды VD4 и VD1 и ток нагрузки течет по цепи: общая шина – VD4 – – VD1 – Вх. При этом в каждый полупериод на выходе имеем форму напряжения, аналогичную представленной на рис. 1.4 (характеристики 2 и 3), с частотой пульсации в 2 раза большей по сравнению с частотой пульсации в однополупериодном выпрямителе.
Рис. 1.6
К достоинствам двухполупериодной мостовой схемы по сравнению с однополупериодной следует отнести значительно меньшую пульсацию выходного напряжения и меньшие по амплитуде импульсы тока, потребляемые выпрямителем от источника входного напряжения (при одинаковых параметрах  и ). К недостаткам следует отнести более низкие энергетические характеристики, поскольку в двухполупериодном выпрямителе всегда два открытых диода подключены последовательно с цепью нагрузки и источником входного напряжения; на этих диодах суммарное падение напряжения составляет 1,2…2 В. Об этом особенно важно помнить при разработке низковольтных источников питания.
1.2.2. Экспериментальная часть
Исследование работы однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром
Частота входного напряжения  = 50 Гц (частота сети), собирается на макетной плате схему, представленную на рис. 1.3 ( = 1 мкФ; = 10 кОм).
В меню запуска инструментов NI ELVIS выбираются функции Function Generator (Функциональный генератор) и Oscilloscope (Осциллограф). На лицевой панели ФГ установливаются следующие параметры: Waveform (тип сигнала) – Sine wave (синусоидальный); Peak Amplitude (амплитуда) – 2,5 В; Frequency (частота) – 50 Гц; DC Offset (смещение) – 0,0 В. В качестве источника для канала А на лицевой панели осциллографа устанавливаются [BNC/Board CH A]; для наблюдения за входным сигналом в канале Б источником для него делаются [FGEN FUNC_OUT]. Поскольку источником входного сигнала является ФГ, в качестве источника триггерного сигнала можно выбрать SYNC_OUT. Эксперименты проведем для двух случаев:
1. без фильтра – = 0:
Рис. 1.7 - ВАХ однополупериодного выпрямителя без фильтра
2. с фильтром – = 1 мкФ.
Рис. 1.8 - ВАХ однополупериодного выпрямителя с фильтром
Запустим ФГ и ОСЦ в непрерывном режиме. Понаблюдаем за входным напряжением в канале Б и выходным напряжением выпрямителя в канале А.
Результаты исследований соответствуют приведенным на рис. 1.5 характеристикам 2 и 3 и соотношениям (1.3) – (1.5).
Для выпрямителя без фильтра возникает разница между максимальными значениями входного и выходного напряжений.
Выпрямитель без фильтра С1 отдает мощность в нагрузку в течение только одного полупериода ( > 0, диод открыт); в другой полупериод он практически обесточен ( < 0, диод закрыт – рис. 1.5, кривая 2).
В открытый полупериод напряжение < (рис. 1.5, кривые 1 и 2). Это обусловлено падением напряжения 0,6…1 В на открытом диоде. Действительно,
.
Для выпрямителя с фильтром время заряда и время разряда конденсатора С1 различны.
Это обусловлено разными постоянными времени разряда и заряда конденсатора С1:
; , (1.5)
4 ( – время заряда конденсатора С1, диод открыт; – время его разряда, диод закрыт). где – дифференциальное сопротивление диода в открытом состоянии (оно изменяется с изменением тока через диод).
На конденсаторе С1 все время поддерживается постоянное положительное напряжение с некоторой пульсацией. Поэтому в открытый полупериод ( > 0) диод откроется только в тот момент времени, когда напряжение достигнет значения
, (1.4)
где – напряжение нечувствительности диода.
Таким образом, в этом случае выпрямитель потребляет мощность от источника входного сигнала в течение только части открытого полупериода, что соответствует характеристике 3 на рис. 1.
Работа двухполупериодного мостового выпрямителя
(см. рис. 1.6, = 1 мкФ; = 10 кОм).
1. без фильтра – = 0;
Рис.1.9 - ВАХ двухполупериодного выпрямителя без фильтра
2. с фильтром – = 1 мкФ.
Рис.1.10 - ВАХ двухполупериодного выпрямителя с фильтром
Сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей:
Амплитуды схожи.
Частота пульсации двухполупериодного выпрямителя примерно в два раза больше.
Формы выходного напряжения аналогичны.
Достоинства и недостатки однополупериодного выпрямителя:
Достоинствами являются:
простота;
наличие только одного диода;
использование однофазного трансформатора.
К недостаткам следует отнести:
относительно большое значение коэффициента пульсаций;
низкий коэффициент использования мощности трансформатора, так как он работает только в течение одного полупериода;
большая величина обратного напряжения на диоде.
Достоинства и недостатки однополупериодного выпрямителя:
Достоинства:
1.Значительно меньшая пульсация выходного напряжения, чем у однопериодного выпрямителя.
Меньшие по амплитуде импульсы тока, потребляемые выпрямителем от источника входного напряжения.
К недостаткам схемы следует отнести:
Более низкие энергетические характеристики, поскольку в двухполупериодном выпрямителе всегда два открытых диода подключены последовательно с цепью нагрузки и источником входного напряжения;
Суммарное падение напряжения составляет 1,2…2 В, что превышает аналогичную характеристику однопериодных выпрямителей.
Выводы
При проведении данной лабораторной работы были исследованы:
Основные характеристики кремниевых диодов и стабилитронов
Принципы построения выпрямителей с емкостным фильтром.
Основные характеристики выпрямителей:
Временные характеристики входного напряжения .
Временные характеристики выходного постоянного, т. е. незнакопеременного, напряжения .
Формы напряжения для выпрямителей с фильтрами и без.
Временные характеристики заряда и разряда конденсатора
Принципы работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей
Были выявлены основные отличия, достоинства и недостатки однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
Параметрических стабилизаторов, реализуемых на кремниевых диодах и стабилитронах, с использованием учебной лабораторной станции виртуальных приборов NI ELVIS.
Контрольные вопросы
Какими параметрами характеризуется кремниевый диод в открытом и закрытом состояниях?
Кремниевый диод в открытом состоянии имеет напряжение нечувствительности 0,4…0,5 В, а напряжение открытого диода , как правило, составляет 0,6…1 В (рис. 1.2, характеристика 2); в закрытом состоянии диод практически обесточен.
В чем состоит отличие стабилитрона от диода?
Стабилитрон является полупроводниковым диодом, работающим в режиме обратимого пробоя.
Что представляет собой стабилитрон в прямом включении?
В прямом включении (см. рис. 1.1, б – полярность напряжения U без скобок) стабилитрон работает как открытый диод. Дифференциальное сопротивление стабилитрона , характеризующее наклон его вольт-амперной характеристики в области обратимого пробоя (рис. 1.2, точка А),
, (1.2)
как правило, не превышает нескольких десятков Ом ( и – приращение напряжения и тока в окрестности точки А).
В чем состоит основное назначение выпрямителей?
Выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное.
Зачем нужен емкостный фильтр на выходе выпрямителей?
Фильтр, размещенный на выходе выпрямителя уменьшает пульсацию в выпрямленном напряжении.
Почему для выпрямителя (см. рис. 1.3) в открытый полупериод напряжение  ?
Это обусловлено падением напряжения 0,6…1 В на открытом диоде. Действительно,
. (1.3)
Рассмотрим работу однополупериодного выпрямителя (см. рис. 1.3) с емкостным фильтром С1. На конденсаторе С1 все время поддерживается постоянное положительное напряжение с некоторой пульсацией. Поэтому в открытый полупериод ( > 0) диод откроется только в тот момент времени, когда напряжение достигнет значения
, (1.4)
где – напряжение нечувствительности диода (см. рис. 1.2).
В какой момент в однополупериодном выпрямителе (см. рис. 1.3) диод VD1становится открытым?
Во второй полупериод ( < 0) или в его части открыты диоды VD4 и VD1 и ток нагрузки течет по цепи: общая шина – VD4 – – VD1 – Вх.
На конденсаторе С1 все время поддерживается постоянное положительное напряжение с некоторой пульсацией. Поэтому в открытый полупериод ( > 0) диод откроется только в тот момент времени, когда напряжение достигнет значения
, (1.4)
где – напряжение нечувствительности диода (см. рис. 1.2).
Почему для выпрямителей (см. рис. 1.3 и 1.5) время заряда конденсатора С1много меньше времени его разряда?
Это обусловлено разными постоянными времени разряда и заряда конденсатора С1:
; , (1.5)
– время заряда конденсатора С1, диод открыт; – время его разряда, диод закрыт
где – дифференциальное сопротивление диода в открытом состоянии (оно изменяется с изменением тока через диод).
Как работает двухполупериодный мостовой выпрямитель (см. рис. 1.5)?
. Работа этого выпрямителя во многом аналогична работе однополупериодного выпрямителя (см. рис. 1.3 и 1.4), только в этом случае выпрямление входного напряжения происходит в каждый полупериод. В первый полупериод ( > 0) или в его части открыты диоды VD3 и VD2 и ток нагрузки течет по цепи: Вх – VD3 – – VD2 – общая шина; во второй полупериод ( < 0) или в его части открыты диоды VD4 и VD1 и ток нагрузки течет по цепи: общая шина – VD4 – – VD1 – Вх. При этом в каждый полупериод на выходе имеем форму напряжения, аналогичную представленной на рис. 1.4 (характеристики 2 и 3), с частотой пульсации в 2 раза большей по сравнению с частотой пульсации в однополупериодном выпрямителе.
Какие достоинства и недостатки имеет двухполупериодный мостовой выпрямитель (см. рис. 1.5) по сравнению с однополупериодным выпрямителем (см. рис. 1.3)?
К достоинствам двухполупериодной мостовой схемы по сравнению с однополупериодной следует отнести значительно меньшую пульсацию выходного напряжения и меньшие по амплитуде импульсы тока, потребляемые выпрямителем от источника входного напряжения (при одинаковых параметрах и ). К недостаткам следует отнести более низкие энергетические характеристики, поскольку в двухполупериодном выпрямителе всегда два открытых диода подключены последовательно с цепью нагрузки и источником входного напряжения; на этих диодах суммарное падение напряжения составляет 1,2…2 В. Об этом особенно важно помнить при разработке низковольтных источников питания.
В чем состоит основное назначение стабилизатора постоянного напряжения?
Они предназначены для стабилизации выходного напряжения при изменении в широких пределах входного напряжения и тока нагрузки .
Как подразделяются стабилизаторы постоянного напряжения?
По принципу действия они подразделяются на компенсационные стабилизаторы с общей отрицательной обратной связью, импульсные стабилизаторы с ключевым регулирующим элементом и параметрические стабилизаторы, которые и рассматриваются в настоящей работе.
Как работает параметрический стабилизатор напряжения (см. рис. 1.6)?
Принцип действия стабилизатора основан на работе стабилитрона VD1 в режиме обратимого пробоя (см. рис. 1.2, характеристика 3). При изменении в широких пределах входного напряжения и тока нагрузки существенно изменяется ток через стабилитрон, т. е. его рабочая точка А может перемещаться от точки  до точки  , однако при этом напряжение на выходе стабилизатора практически неизменно: = .
В какую сторону будет перемещаться рабочая точка А стабилитрона VD1 в стабилизаторе (см. рис. 1.6)при уменьшении напряжения ; при уменьшении тока нагрузки ?
При увеличении напряжения возрастают напряжение на резисторе R1 и ток  , а поскольку  , то при этом увеличится ток I через стабилитрон и его рабочая точка А переместится вниз. При возрастании тока нагрузки , наоборот, ток I уменьшается, поэтому рабочая точка А переместится вверх.
К чему стремятся значения основных параметров идеального стабилизатора постоянного напряжения?
Для идеального стабилизатора постоянного напряжения  ;  ;  .
В какой элемент превратится стабилитрон VD1 в стабилизаторе (см. рис. 1.6), если его перевернуть?
В диод
Почему в схеме (см. рис. 1.7) РИП и ФГ нельзя включить параллельно?
При параллельном включении источник постоянного напряжения РИП и источник переменного напряжения ФГ начинают работать друг на друга, и вследствие малого внутреннего сопротивления этих источников через них потечет недопустимо большой взаимный ток. |
|
|
Скачать 1.13 Mb.