Государственая служба гражданской авиации московский государственный

Самой применяемой схемой является схема мостового двухполупериодного выпрямителя:

где:

Uср и Iср – среднее значение напряжения и тока выпрямителя;

Uобр – максимальное значение обратного напряжения на диоде(при воздействии отрицательной полуволны);

ε – коэффициент пульсации выходного напряжения;

Iд ср – среднее значение тока диода;

Iд max – максимальное значение тока диода;

f вх – входная частота;

f вых- выходная частота.

На мостовом двухполупериодном выпрямителе частота выходного сигнала в два раза больше частоты входного сигнала. Кроме того, максимальное обратное напряжение в два раза меньше, чем у однополупериодного и двухполупериодного со средней точкой. Это позволяет диодам работать в более “щадящем” режиме. Поэтому мостовая схема выпрямителя самая распространённая.

По мощности выпрямительные диоды классифицируют на:

Маломащные (Iпр ср max <=0,3А);

Средней мощности (0,3A < Iпр ср max <= 10A);

Большой мощности (I пр ср max >10А).

По частоте выпрямительные диоды классифицируют на:

Низкочастотные (fmax < 1000Гц);

Высокочастотные (fmax > 1000Гц).

Диод Шотки.

Выполнен на выпрямляющем переходе некоторых видов металла с полупроводником. Его отличает меньшее, чем у диодов с p-n переходом, напряжение Uпр и более высокие частотные характеристики. Применяется для увеличения быстродействия импульсных(ключевых) схем.

Стабилитрон.

Полупроводниковый прибор, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя, так называемом лавинном пробое(для кремниевого стабилитрона пробой наступает при Uобр=5В). В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно(стабилизируется).

К основным параметрам стабилитрона относятся:

Uст – номинальное напряжение стабилизации при заданном токе;

Rд – дифференциальное сопротивление при заданном токе;

Iст – ток стабилизации;

Pст – рассеиваемая мощность;

Iст = (E-Uст)/R;

Pст=Iст*Uст;
Излучающий диод(светодиод).

Полупроводниковый диод, излучающий из области p-n перехода кванты энергии.

По характеристике излучения светодиоды делятся на две группы:

- диоды с излучением в видимой области спектра - светодиоды;

- диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИК - диоды.

Принцип действия обоих групп диодов одинаков и базируется на самопроизвольной рекомбинации носителей заряда при прямом токе через выпрямляющий электрический переход. Известно, что рекомбинация носителей заряда сопровождается освобождением кванта энергии. Спектр частот последнего определяется типом исходного материала.

Светодиоды применяются и световых индикаторах, а ИК-диоды – в оптоэлектронных устройствах.

Варикап.

Полупроводниковый диод, который работает как переменная ёмкость. При подаче на него обратного напряжения, возникает барьерная ёмкость, которая уменьшаеться с увеличением этого напряжения по модулю.

Рисунок 5 – зависимость ёмкости варикапа от обратного напряжения.

Туннельный диод.

Занимает особое место среди полупроводниковых диодов из-за свойственной ему положительной обратной связи по напряжению и хороших динамических свойств. Его ВАХ имеет участок отрицательного дифференциального сопротивления(участок CD).

Рисунок 6 – ВАХ туннельного диода.

Фотодиод.

Полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации в полупроводнике под действием света(фотонов) свободных носителей заряда.

Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток.
Условно-графические обозначения диодов приведены на Рисунке 7.

Рисунок 7 – УГО диодов.

1. 
   Выпрямительный или импульсный диод.
   
2. 
   Стабилитрон.
   
3. 
   Варикап.
   
4. 
   Туннельный диод.
   
5. 
   Излучающий диод.
   
6. 
   Фотодиод.
   

Порядок проведения работы:

В процессе выполнения работы необходимо выполнить следующие эксперименты:

1. 
   Полупроводниковые диоды.
   

1А. Бестрансформаторный однополупериодный выпрямитель.
Соберите схему (Рисунок 8) и запустите её. Зарисуйте полученные графики.

Рисунок 8 – Эксперимент 1А.

Настройки элементов:

1. 
   Источник переменного напряжения (Sine Sourse):
   
   • 
     Model = sin;
     
   • 
     A = 31.4;
     
   • 
     F = 50;
     
   • 
     RS = 1m;
     
2. 
   Параметры диода (Diode):
   
   • 
     Model = D1N4001 (выбираем из списка);
     
3. 
   Параметры сопротивления (Resistor):
   
   • 
     Resistence = 100;
     
4. 
   Параметры конденсатора (Capacitor):
   
   • 
     Capacitance = 100u;
     

1. 
   Порядок сборки схемы в среде Micro-Cap Evaluation 9.
   
   1. 
      Выбор элементов и их настройка для правильной работы.
      

Для моделирования электрических схем нам потребуются взять некоторые элементы, которые находятся в библиотеке базовых элементов. Для этого в строке меню необходимо выбрать вкладку Component→Analog Primitives и из открывшегося списка следует выбрать необходимые элементы.

Рисунок 9 – Выбор элементов.

После того как вы определите местоположение для каждого элемента, перед вами появится окно свойств (оптимальные настройки всех использованных элементов приведены в начале каждого эксперимента, для углубленного изучения схем, возможно использование собственных настроек).

Рисунок 10 – Настройка элементов.

Рисунок 11 – Параметры источника переменного напряжения.

Рисунок 12 – Параметры диода.

Рисунок 13 – Параметры резистора.

Wire mode (Ctrl+W)

Рисунок 14 – Соединение элементов схемы производиться при нажатии кнопки Wire mode (Ctrl+W) и зажатой левой кнопки мыши.

Рисунок 15 – После соединения всех элементов между собой должна получиться такая схема. Для запуска данной схемы, необходимо в строке меню выбрать Analysis→Transient (Alt+1).

Рисунок 16 – В дальнейшем следует произвести настройку выходных графиков.

Рисунок 17 – В результате должны получиться такие осциллограммы. Полученные осциллограммы необходимо зарисовать в отчет.

Рисунок 18 – Далее в схему добавляем конденсатор.

Рисунок 19 – И настраиваем его.

Рисунок 20 – Далее снова запускаем схему и обращаем внимание на изменения. Эти осциллограммы также необходимо зарисовать в отчет.

1Б. Снятие ВАХ.

Прямая ветвь ВАХ.

Соберите схему(Рисунок 9) и включите её. Запишите значения напряжения Uпр и тока Iпр диода, устанавливая при этом значение источника от 5В до 0В.

Обратная ветвь ВАХ.

Переверните диод и последовательно устанавливая значение ЭДС источника равным 0В, 5В, 10В, 20В, 25В, 30 В и запишите значения Iоб, Uоб. Результаты запишите в таблицы. По таблице постройте графики зависимости Iпр(Uпр) и Iоб(Uоб).
Соберите схему (Рисунок 20, 24) и запустите её. Осциллограф установите в режим В/А. Зарисуйте ВАХ с осциллографа.
Данные функционального генератора для схемы на Рисунке 10:

-частота 10кГц

-напряжение 1В.
Прямое включение диода – ВАХ.

Рисунок 21 – Схема для получения ВАХ.

Настройки элементов:

1. 
   Curent Sourse:
   
   • 
     Model = 1mA;
     
2. 
   Diode:
   
   • 
     Model = D1N4001 (выбираем из списка);
     
3. 
   Voltage Sourse:
   
   • 
     Value = 10;
     
   • 
     DC = 10;
     

Рисунок 22 – Вариант снятия ВАХ.

Рисунок 23 – Настройки для отображения графиков.

Рисунок 24 – Настройка элементов.

Обратное включение диода:

Рисунок 25 – Обратное включение диода для отображения ВАХ.

Рисунок 26 – Настройка графика.

2.Стабилитроны.
2А. Измерение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора.

Соберите схему(Рисунок 11). Значение сопротивления резистора RL, включённого параллельно стабилитрону, устанавливайте равным 50 Ом, 100 Ом, 200 Ом, 500 Ом, 700 Ом. Значение ЭДС установите равным 30В. Рассчитайте ток IL, протекающий через резистор RL, а также напряжение Uст на стабилитроне и ток Iст для каждого значения RL. Этот эксперимент проведите при условии короткого замыкания. Результаты запишите в Таблицу 2А.

RL, Ом	Uст, В	IL, мА	Iст, мА
50
100
200
500
700
к.з.

Таблица 2А.

Рисунок 27 – Эксперимент 2А.

Настройки элементов:

1. 
   Battery:
   
   • 
     Value = 10V;
     
2. 
   Zener Diode:
   
   • 
     Model = 1N4733 (выбираем из списка);
     

Рисунок 28 – Параметры настройки элементов.

Рисунок 29 – Настройки для вывода графика.

3.Выпрямители.

3А. Исследование двухполупериодного выпрямителя.

Соберите схему (Рисунок 20). Зарисуйте диаграммы входного и выходного напряжений. По диаграмме выходного напряжения определите период. Вычислите значение максимального обратного напряжения Umax на диоде и среднее значение выходного напряжения . (О настройке трансформатора смотри на рисунке 21)

Рисунок 30 – Эксперимент 3А.

Настройки элементов:

1. 
   Transformer:
   
   • 
     Value = 0.01,0.0005,1;
     
2. 
   Diode:
   
   • 
     Model = D1N4001 (выбираем из списка);
     

Рисунок 31 – Параметры настройки элементов.

Рисунок 32 – Настройки для вывода графика.

Путем добавления фильтра добейтесь наилучшего сглаживания.

Рисунок 33 – Эксперимент 3А с фильтром.

3Б. Исследование мостового выпрямителя.

Соберите схему (Рисунок 22). Выполните пункт 3А, только для мостового выпрямителя. Дополнительно вычислите коэффициент трансформации (отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу).

Рисунок 34 – Эксперимент 3Б.

Контрольные вопросы:

1. 
   Что представляют собой полупроводниковые приборы?
   
2. 
   Какие полупроводниковые материалы используются в диодах?
   
3. 
   Где используются полупроводниковые диоды?
   
4. 
   Объясните принцип работы p-n перехода?
   
5. 
   Что такое вольт-амперная характеристика(ВАХ)?
   
6. 
   Какие схемы выпрямителей вам известны?
   
7. 
   В чём различие выходных характеристик различных схем выпрямителей?
   
8. 
   По каким соотношениям необходимо рассчитывать эти схемы?
   
9. 
   Зачем нужен стабилитрон?
   
10. 
    Перечислите основные параметры выпрямительных диодов?