Краткие сведения по подготовке к лабораторной работе

Работы

по

Аналоговой

Электронике

 

 

 

Э.И. Цимбалист

 

 

Лабораторные работы модуля 1.2.

«Исследование характеристик и параметров

Типовых активных элементов аналоговой

Электроники и простых схем

По их применению»

 

Методические указания

 

Томск 2007

 

УДК 621.38

 

Лабораторные работы по аналоговой электронике:

Методические указания к лабораторному циклу; в 9 кн. Кн. 3.

Цимбалист Э.И. Лабораторные работы модуля 1.2. «Исследование характеристик и параметров типовых активных элементов аналоговой электроники и простых схем по их применению». Методические указания. - Томск: Изд. ТПУ, 2007. – 60 с.

 

 

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета.

 

 

                                 

 

 

Темплан 2007

 

© Томский политехнический университет, 2007

 

 

        

Перечень лабораторных работ модуля элементов 1.2.

«Исследование характеристик и параметров

Типовых активных элементов аналоговой электроники

И простых схем по их применению»

 

1.2.1. Выпрямительные диоды. Исследование схем выпрямителей и ограничителей.

1.2.2. Стабилитрон. Исследование параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока.

1.2.3. Биполярный транзистор. Анализ режимов (усилительного, отсечки, насыщения).

1.2.4. Полевой транзистор (ПТ) как усилительный элемент, «ключ», генератор тока.

1.2.5. Оптоэлектронная пара (светодиод-фотодиод). Анализ фотодиодного и вентильного режимов.

 

 

Лабораторная работа 1.2.1.

Выпрямительные диоды

Исследование схем выпрямителей и ограничителей

 

1. Цель работы:

- овладеть методикой снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейного элемента – выпрямительного диода;

- освоить методику расчета основных параметров диода, характеризующего его как нелинейный элемент с вентильными свойствами;

- получить навыки аппроксимации экспериментальной ВАХ диода;

- понимать процессы в диодных выпрямителях и ограничителях.

 

Краткие сведения по подготовке к лабораторной работе

 

 

Отличительным свойством выпрямительных диодов является их вентильное свойство, т.е. способность проводить ток при прямом включении и практически не проводить в обратном включении. Так как в макете № 1 установлены маломощные кремниевые диоды, у которых при обратных напряжениях в десятки вольт обратный ток не достигает разрешающей способности по току мультиметра М-832 на его самом чувствительном пределе, то ВАХ диода снимается только при прямом включении диода.

Как известно, ВАХ диода нелинейная, поэтому в любой точке ВАХ имеют место свои значения статического и дифференциального сопротивлений: , R_СТ > R _Д, .

Вентильные свойства выпрямительных диодов широко используются в схемах выпрямителей и ограничителей напряжения. В лабораторной работе исследуются схемы однополупериодного выпрямителя, работающего на активную или емкостную нагрузку, и схемы последовательного и параллельного ограничителя.

Для понимания работы схем можно воспользоваться нелинейными или линеаризованными моделями (схемами замещения диода), полученными из экспериментальных данных при снятии его ВАХ. Можно также воспользоваться графическими построениями на ВАХ диода с изображением на ней нагрузочной прямой.

Пусть прямое включение диода реализовано в схеме, изображенной на рисунке 1. В соответствии с алгоритмом построения нагрузочной прямой, ее уравнение имеет вид: . Тогда она расположится на ВАХ диода следующим образом (рисунок 2) и будет перемещаться параллельно самой себе при изменениях Е1. Абсцисса рабочих точек показывает значение напряжения U, падающего на диоде.

Если на рисунке 1 вместо источника напряжения постоянного тока включить источник гармонического напряжения, то напряжение U_R будет повторять форму тока I(t) (рисунок 2), причем амплитуда U_R в первом приближении будет отличаться от E_m на значение порядка Е₀ (рисунок 3), а угол отсечки Q тока I и напряжения U_R Е10 ® Е₀. Е₁⁰, а угол отсечки тока I и напряжения будет меньше 90°.

 

Приняв в качестве модели диода схему замещения при кусочно-линейной аппроксимации ВАХ, для входного гармонического сигнала получим расчетную схему (рисунок 3). Тогда для положительной полуволны Е~

, U_R = IR»

» E(t) – E₀ при R >> R_д.

 

Итак, в указанном режиме работы диода – в режиме большого сигнала, нелинейность и вентильные свойства диода проявляются в отсечке тока, когда ток в цепи практически отсутствует на отрицательной полуволне входного гармонического сигнала и на части его положительной полуволны.

Может сложиться впечатление, что в цепи с диодами форма тока и напряжения на резисторе R всегда несинусоидальная при синусоидальном входном воздействии. Однако это не так в случае работы диода в режиме малого сигнала. Такой режим имеет место тогда, когда, например, с помощью источника напряжения постоянного тока рабочая точка выведена на линейный участок, а источник напряжения переменного тока изменяет токи и напряжения в окрестностях рабочей точки (рисунок 4). В этом случае любая нелинейность может быть линеаризована как касательная к ВАХ в рабочей точке. Форма же переменных составляющих тока и напряжений в схеме практически гармоническая, несмотря на нелинейность ВАХ и вентильные свойства диода.

 

Как известно, в режиме малого сигнала при низкочастотном воздействии моделью диода является его дифференциальное сопротивление в рабочей точке. Тогда расчетная схема для переменного сигнала принимает вид (рисунок 5).

Увеличение частоты вход-ного сигнала требует использования ВЧ моделей диода, когда в схемах замещения диодов сопротивления (прямое или обратное) шунтируются емкостями диода – барьерной при обратном включении и диффузной – при прямом. Этим можно учесть инерционные свойства диода, ухудшающие его вентильные свойства, что целесообразно просмотреть при исследовании схем диодных выпрямителей или ограничителей, когда диоды работают в режиме большего сигнала.

 

Порядок работы

 

1. Проверьте, что макет № 1 подключен к источнику питания через разъем ДВ-9.

 

 

 

Рисунок 6

 

 

2. Соберите схему для снятия ВАХ диода при его прямом включении (рисунок 6)[1]. При сборке схемы обратите внимание на правильный выбор пределов измерения мультиметров М-832. Экспериментальные данные занесите в таблицу 1.

 

 

Таблица 1

Е1, В	1,3	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0	7,0	8,0	9,0	10,0	11,0	12,0	13,0	14,0	15,0
U, В
I, мА

 

 

3. Поменяйте полярность источника Е1 на обратную перемычками 71-31 и 72-1). Установите самый чувствительный предел токового М-832 и убедитесь в отсутствии обратного тока при максимальном Е1. Загрубите предел мультиметра.

 

4. Соберите схему однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку (рисунок 7). В качестве источника переменного напряжения используйте генератор, например, Г3-36. Установите на генераторе Е~ = U_вх~ = 4 В по его встроенному вольтметру и частоту f = 1 кГц. Пронаблюдайте и зарисуйте временные диаграммы сигналов на выходе (65) и на входе (59) выпрямителя. Измерьте осциллографом амплитуды сигналов и определите период входного напряжения и временной интервал ненулевого выходного напряжения. Данные зафиксируйте для их дальнейшей обработки. Определите угол отсечки тока Q.

 

5. Изменяйте частоту гармонического напряжения с генератора (рисунок 7) и наблюдайте на частотах в сотни килогерц проявление инерционных свойств диода. Зарисуйте временные диаграммы входного и выходного напряжений.

 

6. Измените схему (рисунок 7): выключите осциллограф, включите на входе вольтметр переменного тока В3-38 (гнезда 59,35), а на выходе (64, 34) мультиметр М-832 на пределах ДСV. При установке предела измерения на В3-38 учтите, что напряжение с генератора будет изменяться от 1 В до 5 В. Определите и установите предел ДСV мультиметра так, чтобы при максимальном входном напряжении среднее за период выпрямленное напряжение не приводило к перегрузке М-832.

 

 

Рисунок 7

 

7. Установите f = 1 кГц и снимите зависимость U_вых= = f(U_вх~), Данные занесите в таблицу 2.

 

Таблица 2

f = 1 кГц
Uвх~, В	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0
Uвых=, В

 

 

8. Установите f = 200 кГц, повторите исследования. Данные занесите в таблицу 3.

 

Таблица 3

f = 200 кГц
Uвх~, В	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0
Uвых=, В

 

 

9. Восстановите схему (рисунок 7), подключите параллельно R_H=R14 конденсатор фильтра С5 (62, 34), получив при этом однополупериодный выпрямитель, работающий на активно-емкостную нагрузку. Просмотрите на осциллографе и зарисуйте форму выходного напряжения, если U_вх~ = 4 В, а частота изменяется в пределах, когда амплитуда пульсаций существенно изменяется относительно выходной постоянной составляющей.

 

10[2]. Исследуйте работу схемы последовательного ограничителя (рисунок 8), построив и изучив временные диаграммы сигналов на входе (4) и выходе (65) при различных значениях подпирающего напряжения Е2. Значение Е~ установить равным 5 В по шкале встроенного в генератор Г3-36 вольтметра.

 

 

 

Рисунок 8

 

 

11². Исследуйте схему параллельного ограничителя напряжения (рисунок 9), построив и изучив временные диаграммы сигналов на входе (6) и выходе (65) при различных значениях и полярности источника Е2. Значение Е~ установить равным 5 В по шкале встроенного в генератор Г3-36 вольтметра.

 

12[3]. Исследуйте работу выпрямительного диода в режиме малого и большого сигналов по схеме на рисунке 10.

 

12.1. Режим малого сигнала.

Выведите регулировку выхода генератора в крайнее левое положение и, изменяя значений Е1, установите рабочую точку (I=7 мА). Установите на генераторе f = 1 кГц, Е~ = 4 В (по вольтметру генератора). Убедитесь, что форма входного (57) и выходного (65) сигналов гармоническая. С помощью Е1 изменяйте координату рабочей точки. Зафиксируйте временные диаграммы выходного сигнала при закрытом входе осциллографа. Почему с изменением координаты рабочей точки меняется его амплитуда, а затем и форма? Увеличьте частоту f до 200 кГц. Убедитесь в малой инерционности диода, когда форма выходного напряжения гармоническая.

 

 

 

Рисунок 9

 

 

 

Рисунок 10

 

12.2. Режим большого сигнала.

Установите минимальное значение Е1. Установите f = 1 кГц, Е~ = 4 В. Пронаблюдайте с помощью осциллографа входной сигнал (57), а затем и выходной (65). Зарисуйте сигналы и сделайте выводы. Почему при изменении Е~ изменяется координата рабочей точки ВАХ диода?

 

 

Контрольные вопросы

 

 

1. Как по ВАХ диода определить значения Е₀ и R _д схемы замещения диода при кусочно-линейной аппроксимации (рисунок 3)?

2. Определите R_ст и R _д в выбранной Вами рабочей точке по ВАХ диода.

3. Изобразите ожидаемую зависимость R_ст = f(I).

4. Изобразите ожидаемую зависимость R _д = F(I).

5. Что такое режим малого сигнала?

6. Почему в режиме малого сигнала формы входного и выходного сигналов практически совпадают?

7. Приведите алгоритм аппроксимации ВАХ диода, представленной данными эксперимента.

 

 

Требования к отчету

 

Отчет должен содержать схемы и результаты эксперимента, обработанные в соответствии с целями работы.