Лабораторные работы №10, №11

Лабораторная работа № 7
Исследование характеристик полупроводниковых диодов.
Полупроводниковые выпрямители
Цель работы  экспериментальное определение вольт-амперных характеристик полупроводниковых диодов и стабилитронов, а также исследование
схем одно- и двухполупериодных выпрямителей при различных нагрузках.
Рабочее задание
1. Исследование вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода.
1.1 Собрать на рабочем поле монтажного стола
электрическую схему в соответствии с рис.1 для
снятия прямой ветви ВАХ диода VD в соответствии с вариантом задания табл. 1. Вольтметр V
включить в режиме измерения постоянного
напряжения. Установить внутреннее сопротивление вольтметра равным 1000 мОм.
Таблица 1
№
варианта
Тип
диода
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
КД521Д
КД512А
Д18
Д310
Д311
КД509А
Д220
D219А
D312А
КД521А
Uпр.,
Iпр.max,
В
1
1
1
0,6
0,4
1,1
1,5
1
0,5
1
мА
50
20
16
500
40
100
50
500
500
500
Iобр.max при
Uобр.max,
Uобр.max,
мкА
В
12
1
15
5
20
50
20
20
30
100
50
5
50
1
70
1
75
100
75
1
tвос,
Сд,
нс
4
1
100
300
50
4
500
500
500
4
пФ
10
1
0.5
15
1.5
4
15
15
3
10
1.2 Установить тип диода VD, щелкнув два раза на его изображении и
выбрать в появившемся окне Diode Models в разделе Library библиотеку
1n4xxx, а затем выбрать в разделе Model тип диода 1N4454, который является зарубежным аналогом российского диода типа КД512А. Нажать клавишей указания мыши кнопку Copy и выбрать бибилиотеку default. Нажать
клавишей указания мыши кнопку Paste, записать в появившемся окне тип
1
диода в соответствии с вариантом задания латинскими буквами и нажать
кнопку OK. В результате в разделе Model добавится тип диода КД512А. Для
корректировки значений его параметров нажать кнопку Edit и установить в
соответствующих строках значения следующих параметров из таблицы 1:
 Reverse Bias Breakdown Voltage [Vbr] (напряжение пробоя Uобр. max);
 Zero-bias junction capacitance [Сj] (общая емкость диода Сд) ;
 Transit time [] (время восстановления обратного сопротивления tвос).
Значения других параметров оставить без изменения. Нажать на кнопку
Accept для возвращения в окно Diode Models, где еще раз нажать кнопку
Accept.
1.3 Последовательно установить по три значения тока на выходе источника тока J для интервалов: от Iпр.max до 0,2 Iпр.max и от 0,1 Iпр.max до 0. Снять
соответствующие показания вольтметра и занести значения тока и
напряжения в табл. 2.
Таблица 2
Iпр, мА
Uпр, В
1.4 Собрать схему рис. 2 для снятия обратной ветви ВАХ диода. Амперметр А включить в режиме измерения постоянного тока. Установить внутреннее сопротивление вольтметра равным 1000 мОм, а амперметра 
0,001 Ом. Cопротивлению R присвоить значение 1 кОм.
1.5 Последовательно установить значения напряжения
на выходе E, равными Uобр.max ,
0,1Uобр.max
и
0.
Снять
соответствующие показания А
и V, занести полученные
значения в табл. 3.
Таблица 3
Uобр., В
Iобр., мА
1.6 Построить ВАХ диода по данным табл. 2, 3.
2. Исследование обратной ветви ВАХ стабилитрона.
2.1 Собрать схему рис. 3 для снятия обратной ветви ВАХ стабилитрона.
Присвоить выходному напряжению источника э.д.с. значение 15 В.
2.2 Установить тип стабилитрона VD в соответствии с вариантом задания
табл. 4. Для этого щелкнуть два раза на изображении стабилитрона и вы-
2
брать в появившемся окне Diode Models в разделе Library библиотеку
1n4xxx, а затем выбрать в разделе Model тип стабилитрона 1N4734, который
является зарубежным аналогом российского стабилитрона типа КС456А.
Нажать клавишей указания мыши
кнопку Copy и выбрать библиотеку
default. Выбрать клавишей указания мыши кнопку Paste, записать в
появившемся окне тип стабилитрона в соответствии с вариантом
задания латинскими буквами и
нажать кнопку OK. При этом в
разделе Model добавится тип вновь создаваемого стабилитрона. Нажать
кнопку Edit и установить в появившемся окне значения параметров, в соответствии с таблицей 4:
 Zero-bias junction capacitance [Сj] (общая емкость диода Сд) ;
 Transit time [] (время восстановления обратного сопротивления tвос);
 Zener test voltage at Izt [Vzt] (напряжение стабилизации Uст);
 Zener test current [Izt] (ток стабилизации Iст)/
Значения других параметров оставить без изменения.
Таблица 4
Тип
№
стабилитварианта
рона
КС133А
1
КС139А
2
КС447А
3
КС156А
4
КС168А
5
КС168В
6
КС170А
7
КС175А
8
КС182А
9
КС191А
10
КС196А
11
Uст.,
Uст.,
Iст.,
Pmax,
Rст.,
В
3,3
3,9
4,7
5,6
6,8
6,8
7
7,5
8,2
9,1
9,6
В
10
10
10
10
10
0,5
0,35
0,5
0,6
0,6
5
мА
10
10
30
10
10
10
10
5
5
5
10
вт
300
300
1000
300
300
150
150
150
150
150
200
Ом
180
180
180
160
120
120
70
70
30
30
70
2.3 Определить значение максимального тока через стабилитрон из выражения Iст.max = Pmax / Uст. а также значение сопротивления R при Iст.max из
выражения R = (E-Uст.)/Iст.max . Установить рассчитанное значение R и занести показания приборов, в табл. 5.
3
2.4 Рассчитать значение сопротивления R при номинальном значении
тока стабилизации Iст. из выражения R = (E-Uст.)/Iст.. Установить расcчитанное значение R и занести показания приборов, в таблицу 5.
2.5 Последовательно установить три значения R равные 100 кОм,
10 МОм и 1000 МОм. Занести соответствующие показания приборов в
табл. 5.
R, Ом
Iобр., мА
Uпр, В
100 кОМ
Таблица 5
1000 МОм
10 МОм
2.6 Построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона по данным таблицы 5.
3 Исследование однополупериодного выпрямителя.
3.1 Собрать схему однополупериодного выпрямителя (рис. 4). В качестве
нагрузки подключить резистор R. Подать на вход выпрямителя напряжение
от источника синусоидальной э.д.с. E (значения резистора R, напряжения Е
и частоты f установить в соответствии с вариантом задания табл. 6 ). Установить произвольно тип диода.
а
б
Рис. 4
Таблица 6
№ варианта
R, кОм
E, В
f, Гц
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0,1
20
45
0,2
21
46
0,3
22
47
0,4
23
48
0,5
24
49
0,6
25
50
0,7
26
51
0,8
27
52
0,9
28
53
1
29
54
1,1
30
55
3.2 С помощью вольтметра измерить действующие значения напряжений U1
и U2. С помощью вольтметра постоянного тока измерить среднее значение
выпрямленного напряжения на нагрузке U20. Настроить осциллограф для
получения временных диаграмм рис. 4,б и измерить по нему амплитуды
Um1 и Um2 . Результаты измерений занести в табл. 7. Распечатать
осциллограммы.
4
С,
мкф
R,
Ом
f,
Гц
Таблица 7
Вычисленные величины
U0 ,
U2,
кп
ксгл
В
В
Измеренные величины
U1 ,
U2 ,
U0 ,
Um1 , Um2 ,
В
В
В
В
В

3.3 Подключить параллельно нагрузке R конденсатор С (рис. 5,а). Подобрать значение конденсатора так, чтобы амплитуда пульсаций Uп не превышала 25% от U1. Измерить все величины, указанные в табл. 7. Распечатать
осциллограммы работы выпрямителя с фильтром.
а
б
Рис. 5
3.4 Повторить п. 3.3 для значения конденсатора большего на порядок.
3.5 Рассчитать значения постоянной составляющей выпрямленного
напряжения на нагрузке U0 через измеренное амплитудное значение и действующее значение гармонической составляющей напряжения на нагрузке
U2. Определить коэффициенты пульсации кп и сглаживания ксгл. Занести полученные значения в табл. 7.
4 Исследование двухполупериодного выпрямителя.
4.1 Собрать схему двухполупериодного выпрямителя (рис. 6). В качестве
нагрузки подключить резистор R. Подать на вход выпрямителя напряжение
от и сточника синусоидальной э.д.с. E (значения резистора R, напряжения Е
и частоты f установить в соответствии с вариантом задания табл. 6 ).
Исследовать двухполупериодный выпрямитель по программе п. 3. Результаты занести в таблицу, аналогичную табл. 7.
5
а
б
Рис.6
5 Исследовать влияние величины сопротивления нагрузки R на работу
фильтра в схеме двухполупериодного выпрямителя. Для этого задать последовательно три значения резистора, равные 0,1R, R и 10R и зарисовать соответствующие осциллограммы.
6 Исследовать частотные свойства двухполупериодного выпрямителя с
фильтром. Для этого задать последовательно 3 значения частоты f, равные
0,1f, и 10f и зарисовать соответствующие осциллограммы.
7 Проанализировать результаты эксперимента. Сделать выводы. Оформить отчет, куда включить все исследуемые схемы, заполненные таблицы с
результатами экспериментов и расчетов, а также распечатанные и нарисованные осциллограммы и ВАХ исследуемых элементов.
Методические указания
Диодами называются полупроводниковые приборы, пропускающие ток в
одном направлении. На рис. 7, а показан вид ВАХ диода. Диод работает на
прямой ветви ВАХ. Прямой ток резко возрастает при малых положительных
напряжениях, однако он не должен превышать допустимого значения, т.к.
иначе произойдет перегрев и диод выйдет из строя.
.
Iпр
Iпр
Uобр
Uпр
Uобр
Uпр
Iобр
Iобр
а
б
Рис. 7
Стабилитрон включается в обратном напрявлении. Его ВАХ показана на
рис. 7,б. Обратная ветвь характеристики стабилитрона имеет крутой излом,
соответствующий напряжению стабилизации
Выпрямители преобразуют переменные напряжения и токи в постоянные. Основными элементами выпрямителя являются вентили, фильтры и
6
нагрузка. Электрический вентиль служит для выпрямления переменного
напряжения в пульсирующее с частотой пульсаций, зависящей от схемы
выпрямления.
Однополупериодная схема выпрямителя (рис. 1) реализована на одном
полупроводниковом диоде. На диод подается синусоидальное напряжение
u=Umsin t. Ток через нагрузкуR проходит только в течении полупериода,
когда на аноде диода положительный потенциал, а на катоде положительный. Выпрямленное напряжение U2 пульсирующее (рис. 1,б). Оно может
быть представлено рядом Фурье как периодическая функция времени
u2 
Um Um
2U m
2U m

sin t 
cos 2t 
cos 4t  ... ,

2
1 3  
35 
а ток в нагрузке
u
i н  1  I0  I(1)m sin t  I(2)m cos 2t  I(3)m cos 4t  ... ,
R
где I0 = Im/= 0,318Im  постоянная составляющая выпрямленного тока; I(i)m 
амплитудное значение i-ой гармоники тока нагрузки.
Прямое сопротивление диода Rд<<R, поэтому падением напряжения на
диоде можно пренебречь и считать Um1  Um2.
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения на нагрузке определяется выражением
U0=I0R=Um/.
Действующее значение выпрямленного напряжения
(3)
U н  U 02  U (21)  U (22)  U (24)  ... .
(4)
Гораздо шире на практике используется двухполупериодная (мостовая)
схема выпрямителя. В схеме применяются четыре диода. К одной диагонали
мости подается переменное напряжение U13, а в другую включается сопротивление нагрузки R. Ток в нагрузке
u
4
4
2

(5)
iн  2  I m  
cos 2t 
cos 4t  ...  .
R
35 
  1 3  

Из выражения (5) видно, что ток iн не содержит нечетных гармоник, что
облегчает задачу фильтрации выпрямленного напряжения.
Пульсации выпрямленного напряжения оцениваются коэффициентом
пульсации кп(1)= U(1)m/U0. Для уменьшения кп(1) применяются сглаживающие
фильтры. Эффективность работы фильтра оценивается коэфициентом
7
сглаживания ксгл, который представляет собой отношение коэффициентов
пульсации на входе и выходе фильтра
ксгл=кпвх/кпвых.
Простейшим сглаживающим фильтром является емкостной, состоящий
из конденсатора С, подключенного параллельно нагрузке R. Коэффициент
сглаживания тем выше, чем больше емкость конденсатора. При большой
емкости конденсатора, когда выполняется условие =RC>>2/, амплитуда
пульсаций Uл и кп могут быть определены по как:
U п 
U (1) m 2
кп 
н 
U п
2
.

U (1) m 
Контрольные вопросы
1. Какие ВАХ имеют полупроводниковые диоды и стабилитроны?
2. Какие ограничения накладываются на токи и напряжения в диодах и
стабилитронах?
3. Какие существуют схемы выпрямителей?
4. Пояснить работу сглаживающего фильтра в вентиле.
5. Как определяются коэффициенты пульсации и сглаживания в выпрямителях?
8