Отчет по 2 лабораторной работе!Штаудингер

Научно-исследовательский университет
Томский политехнический университет
Институт Кибернетики
Кафедра КИСМ
Электроника
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
«Исследование диодных схем»
Исполнитель
студент, 8В83
____________
К.В.Штаудингер
(подпись)
____________
(дата)
Руководитель
доцент
____________
А.И. Заревич
(подпись)
____________
(дата)
Томск 2010
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДНЫХ СХЕМ
Цель работы: Получить первоначальные навыки выполнения лабораторных
работ по аналоговой электронике в программно-аппаратной среде NI ELVIS.
Задачи работы:
 овладеть методикой снятия вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных
элементов;
 освоить расчет основных параметров диодов, характеризующих их как
нелинейные элементы;
 получить практические навыки исследования схем лабораторной работы.
Ход лабораторной работы
Исследование схем однополупериодного выпрямителя:

Осуществили запуск программного обеспечения NI ELVIS и его
инициализацию.

Собрали схему для снятия ВАХ диодов: VD1-кремниевого точечного диода,
VD3- кремниевого стабилитрона. Полученные ВАХ диодов приведены на рисунках
2-6.
Current HI
NI
ELVIS
Двухполюсник
Current LO
Рис. 1. Схема эксперимента для снятия ВАХ двухполюсников
Рис. 2. ВАХ для VD1-кремниевого точечного диода
Рис. 3. ВАХ для VD1-кремниевого точечного диода отрицательная часть
Рис. 4. ВАХ для VD3- кремниевого стабилитрона отрицательная часть
Рис. 5. ВАХ для VD3- кремниевого стабилитрона положительная часть
Рис. 6. ВАХ для VD2-диода Шоттки

Собрали схему однополупериодного выпрямителя, работающего на
активную нагрузку, приведена на рисунке 7. В качестве источника переменного
напряжения используется генератор FGEN. Установили на генераторе амплитуду
гармонического сигнала Е = Uвх = 2.5(В) и частоту f = 1 (кГц) (рис. 8).
Рис. 7. Однофазный выпрямитель, работающий на активную нагрузку
Рис. 8. Функциональный генератор (Function Generator)

Получили временные диаграммы выходного напряжения(CHA+) и тока диода
(CHB+) выпрямителя .
Найдем амплитуду выходного сигнала по временным диаграммам выходного
напряжения(CHA+) и тока диода (CHB+) выпрямителя на резистивной нагрузке. Найдем
амплитуду, период входного сигнала, временной интервал ненулевого тока и угол
отсечки тока  .
Рис.9. Нахождение интервала ненулевого тока кремниевого диода
Рис. 10. Нахождение периода кремниевого диода
Рис. 11. Нахождение амплитуд кремниевого диода
Получили:
В результате получили угол отсечки равный 86°, период входного напряжения
997 мкс, амплитуда выходного сигнала 1,601 (В). При прямом напряжении диод
открывается и через него протекает ток, при обратном напряжении диод закрыт и ток
практически равен нулю. Временной интервал ненулевого тока диода ∆t = 0.48 (мс).
Найдем угол отсечки тока по следующей формуле:
Исходя из этого:
Рис. 12. Нахождение интервала ненулевого тока диода Шоттки
Рис. 13. Нахождение периода диода Шоттки
Получили:
Рис. 14. Нахождение амплитуд диода Шоттки
При замене кремниевого диода диодом Шоттки период увеличился, увеличились
амплитуды напряжений, угол отсечки также увеличился и равен 90°. Эти изменения
вызваны барьером Шоттки, в результате которого диод Шоттки имеет малое падение
напряжение при прямом включении 0,1-0,2 (В) .Временной интервал ненулевого тока
диода ∆t = 0.50 (мс).
Найдем угол отсечки тока по следующей формуле:
Исходя из этого:
Вывод: Измерили и рассчитали параметры однополупериодного диодного
выпрямителя, работающего на резистивную нагрузку. В результате изучения
однополупериодного выпрямителя мы получили значения угла отсечки на Диоде
Шоттки больше чем на кремниевом диоде (90° и 86°), в связи с малым падением
напряжением при прямом включении.
Однополупериодный выпрямитель
Рис 15. Схема однополупериодного выпрямителя, на активной нагрузке
Нахождение амплитуды, периода входного напряжения и временной интервал
ненулевого тока кремниевого диода
Рис 16. Нахождение интервала ненулевого тока кремниевого диода
Рис. 17 . Нахождение периода кремниевого диода
Рис. 18. Нахождение амплитуд кремниевого диода
Найдем угол отсечки тока по следующей формуле:
Исходя из этого:
Временной интервал ненулевого тока диода ∆t = 0.465 (мс).
В результате получили угол отсечки равный 83°, период входного напряжения 997 мкс,
амплитуда выходного сигнала 1,612 (В). При прямом напряжении диод открывается и
через него протекает ток, при обратном напряжении диод закрыт и ток практически
равен нулю.
Рис. 19 . Нахождение периода диода Шоттки
Рис. 20 .Нахождение амплитуд диода Шоттки
Рис.21. Нахождение интервала ненулевого тока диода Шоттки
Найдем угол отсечки тока по следующей формуле:
Исходя из этого:
Временной интервал ненулевого тока диода ∆t = 0.465 (мс).
При замене кремниевого диода диодом Шоттки период увеличился до 1,02 мс,
увеличились амплитуды напряжений, угол отсечки увеличился и равен 88,3°. Эти
изменения вызваны барьером Шоттки, в результате которого диод Шоттки имеет
малое падение напряжение при прямом включении 0,1-0,2 (В) .
Исследование инерциальных свойств диода на повышенных частотах
Рис. 22. Нахождение периода кремниевого диода при f = 15000 (Гц)
Рис. 23. Нахождение интервала ненулевого тока кремниевого диода при f = 15000 (Гц)
Рис.24. Нахождение амплитуд кремниевого диода при f = 15000 (Гц)
Найдем угол отсечки тока по следующей формуле:
Исходя из этого:
Рис.25.Нахождение интервала ненулевого тока диода Шоттки при f = 15000 (Гц)
Рис.26.Нахождение периода диода Шоттки при f = 15000 (Гц)
Рис.27. Нахождение амплитуд диода Шоттки при f = 15000 (Гц)
Найдем угол отсечки тока по следующей формуле:
Исходя из этого:
Вывод: С повышением частоты заметно изменение формы сигнала, чтобы избежать
этого эффекта, необходимо использовать высокочастотные диоды.
Угол отсечки тока у кремниевого диода равен 57,6°, а диода Шоттки 68°.
С повышение частоты инерционные свойства диода увеличиваются, вследствие этого
эффективность выпрямления снижается за счет того, что часть
подведенного к p-n переходу внешнего напряжения падает на сопротивлении
базы диода. Инерционные свойства особенно сильно проявляются на диоде Шоттки при
высоких частотах, на кремниевом диоде повышение частоты не так сильно сказывается
на его свойствах.
Рис. 28 Схема однополупериодного выпрямителя, работающего на активно-емкостную
нагрузку
Рис.29. Амплитуды сигналов
Рис.30. Период выходного напряжения
Рис.31. Временной интервал ненулевого тока диода
Рис.32. Выходной сигнал и напряжения генератора
При добавлении конденсатора значительно уменьшился угол отсечки с 83° до 71° ,
амплитуда и период остались практически такими же. Мы также наблюдаем, что
коэффициент передачи равен K=0.334. При положительной полуволне напряжения
генератора через диод протекает ток, когда входное напряжение больше напряжения на
обкладках конденсатора, конденсатор заряжается, если меньше то конденсатор
разряжается, даже при отрицательном входном напряжении конденсатор разряжается и
способствует сглаживанию выходного напряжения.
Рис.33. Выходное напряжение и ток диода при f=1500 (Гц)
Коэффициент пульсации равен К=0,356, при повышении частоты наблюдается
сглаживание выходного напряжения из за того что конденсатор не успевает
разрядиться за время отрицательной полуволны входного напряжения .
Рис.34. Выходное напряжение и ток диода при f=3000 (Гц)
При увеличении частоты сигнала коэффициент пульсации падает и равен К=0,340.
Рис.35. Выходное напряжение и ток диода при f=5000 (Гц)
При частоте 5000 (Гц) коэффициент пульсации имеет наименьшие значение К=0,27.
Рис.36. Выходное напряжение при конденсаторе C2
При замене конденсатора С10(47 нФ) на С2(10 мкФ) коэффициент пульсации стал на
много меньше К=0,140, из за того что емкость С2 на несколько порядков больше С10, и
при напряжении меньше чем на обкладках конденсатора, емкость разряжается очень
медленно, в результате выходное напряжение падает тоже незначительно, что
показано.
Рис.38. Выходное напряжение при Uвх=1,1 (В)
Рис.39. Выходное напряжение при Uвх=1,7 (В)
Рис.40. Выходное напряжение при Uвх=2,5 (В)
Рассчитали по полученным данным коэффициент передачи и пульсации:
Коэф.
Коэф.
Uвх, В
Uвых, В
передачи
пульсации
2.5
1,16
0,46
0,57
2.3
1,16
0,50
0,57
2.1
1,11
0,53
0,58
1.9
0,96
0,51
0,62
1.7
0,84
0,49
0,65
1.5
0,57
0,38
0,73
1.3
0,49
0,38
0,83
1.1
0,45
0,41
0,88
При уменьшении входного напряжения уменьшается выходное, так же уменьшается
коэффициент передачи, а коэффициент пульсации остается в фиксированных границах
Исследование работы схемы последовательного ограничителя
Рис.41. Схема последовательного диодного ограничителя
Рис.42. Выходной сигнал при E=-5 (В)
При отрицательном напряжении подпорки выходное напряжение приближается к нулю
только тогда когда входное напряжение на отрицательной полуоси.
Рис.43.Выходной сигнал при E=0 (В)
При напряжении подпорки меньше входного напряжения Е=+1 (В) , выходное
напряжение находится в пределах между напряжением подпорки 0,056 (В) и
напряжением 0,027 (В).
Рис.44.Выходной сигнал при E=1(В)
При Е=+1 (В), входного сигнала не достаточно для открытия диода из за внутреннего
сопротивления диода следовательно выходное напряжение примерно равно
напряжению подпорки.
Рис.45.Выходной сигнал при E=12 (В)
При Е=+12 (В), выходное напряжение еще больше приближается к напряжению
подпорки и равно 4,75 (В).
Исследование работы схемы параметрического стабилизатора
Рис.46. Схема параметрического стабилизатора напряжения
Коэффициент нестабильности:
K L  Line Reg. 
V0( hi in )  V0( loin )
V0( nomin )
 100%
На резисторе R21
Рис.47. Выходное напряжение при номинальном входном
Рис.48. Выходное напряжение при минимальном входном
Рис .49. Выходное напряжение при максимальном входном
Коэффициент нестабильности стабилизатора на резисторе R21 равен 1%. Это
говорит о том, что не сильно отличается от идеальных значений.
На резисторе R23
Рис .50. Выходное напряжение при номинальном входном
Рис.51. Выходное напряжение при минимальном входном
Рис.52. Выходное напряжение при максимальном входном
При увеличении нагрузки, коэффициент нестабильности увеличился и равен 6%
При отсутствии стабилитрона
-На резисторе R21
Рис.53. Выходное напряжение при номинальном входном
Рис.54. Выходное напряжение при минимальном входном
Рис.55. Выходное напряжение при максимальном входном
При отсутствии стабилитрона коэффициент нестабильности получился 40%,
стабилитрон позволяет заметно снизить коэффициент нестабильности, при увеличении
нагрузки коэффициент возрастает.
-На резисторе R23
Рис .56. Выходное напряжение при номинальном входном
Рис .57. Выходное напряжение при минимальном входном
Рис .58. Выходное напряжение при максимальном входном
При отсутствии стабилитрона коэффициент нестабильности получился 40%,
стабилитрон позволяет заметно снизить коэффициент нестабильности, при увеличении
нагрузки коэффициент возрастает.
Вывод
С помощью лабораторного стенда NI ELVIS изучили свойства полупроводниковых
диодов различных типов, получили их основные характеристики, а так же рассмотрели
схемы использования этих элементов. Данный стенд позволяет в режиме реального
времени наблюдать за работой схемы, овладеть методикой снятия ВАХ нелинейных
элементов.
В результате изучения однополупериодного выпрямителя мы получили значения
угла отсечки на Диоде Шоттки больше чем на кремниевом диоде (90° и 86°), в связи с
малым падением напряжением при прямом включении. При увеличении частоты
генератора угол отсечки увеличивается, и усиливаются инерционные свойства диода,
особенно это проявляется на диоде Шоттки. При добавлении емкости в выпрямитель
мы получили более сглаженное значение выходного тока из за разрядки конденсатора
при входном напряжении меньшем чем на его обкладках. Увеличение частоты входного
сигнала или емкости конденсатора позволяет добиться еще большего сглаживания
выходного сигнала, так как конденсатор не успевает полностью разрядиться за время
отрицательной полуволны. Выходной ток прямо пропорционально зависит от входного
тока, при уменьшении входного тока так же падает коэффициент передачи.
Использование последовательного ограничителя позволяет ограничивать выходное
напряжение снизу на величину подпорки, при напряжении подпорки большем, чем
входное, выходное напряжение становится примерным равным напряжению подпорки.
Инерционные свойства диода, ухудшающие его вентильные свойства, не проявляются
при повышении частоты в отсутствии емкости. При подключении емкости с заданной
частотой f = 1кГц, проявляются инерционные свойства диода. С повышением частоты
инерционные свойства диода, ухудшающие его вентильные свойства, приведут к
искажениям характеристики выпрямителя. Из исследования схемы последовательного
ограничителя при различных значениях и полярности напряжения E1 характеристика
выходного напряжения на диаграмме принимает практически линейный вид. При E1 < 0
характеристика выходного напряжения принимает синусоидальный вид. При
стабилизации напряжения постоянного тока, на ВАХ рассматривается участок пробоя,
на котором при изменениях тока напряжение практически не меняется. UН ≈ UСТ
практически не изменяется, благодаря работе стабилитрона на участке ВАХ с малым
дифференциальным сопротивлением и изменением падения напряжения на резисторе
R. Из проделанных расчетов видно, что, чем больше сопротивление нагрузки тем
меньше коэффициент нестабильности.