Задание к лабораторной работе

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора (рисунок 2.2) U₂=30 В, частота f=50 Гц. Для заданного в таблице 7.1 управляемого выпрямителя и угла управления :

1) рассчитать U_2m и построить в масштабе временную диаграмму напряжения на нагрузке (не менее 2 периодов);

2) рассчитать среднее напряжение на нагрузке и указать его на построенной временной диаграмме;

3) рассчитать и построить в масштабе характеристику управления U_{н ср}(), полагая трансформатор и вентили идеальными;

4) определить, на какие напряжения U_{обр max} и U_{вкл max} должны быть выбраны вентили для заданного выпрямителя, работающего на активную нагрузку.

Результаты расчетов записать в таблицу 7.2.

Таблица 7.1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
Выпрямитель	однополупериодный				мостовой
, 	30	60	90	120	30	60	90	120

Таблица7.2

	, 	U2, В	U2m, В	Uн ср, В	Uобр max, В	Uвкл max, В
Вычислено	из табл. 2.1
Измерено

Порядок выполнения работы

1. Рассчитать параметры и выбрать элементы схемы управляемого выпрямителя напряжения (рисунок 7.2).

2. Для построения вольт-амперной характеристики тиристора (ВАХ) в программе Multisim собрать схему, указанную на рисунке 7.4. Осуществить моделирование её работы изменяя ЭДС источника питания и ток от источника тока, подключенного к управляемому входу тиристора.

Рисунок 7.4 – Схема для снятия ВАХ в среде Multisim

Тиристор выбирается из библиотеки элементов согласно заданию и подключается к источнику постоянного напряжения. Для ограничения тока через тиристор последовательно с ним включается резистор R1. ВАХ тиристора нельзя получить с помощью характериографа XIV1, поэтому необходимо провести ряд измерений, заполнить таблицу 7.3 и по точкам построить ВАХ для трех значений управляющего тока (I_упр=0; 1,5; 3,0 мА).

Таблица 7.3

N	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
U1(В)	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	6,5
I1
U2	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	6,5
I2
U3	0	0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0	4,5	5,0	6,5
I3

3. Для экспериментального получения ВАХ стабилитрона на макетной плате из полученного набора элементов собрать схему, приведенную на рисунке 7.5.

Постоянное напряжение на вход схемы подаётся от генератора ГН1 блока управления К32 и снимается каналом AI2 устройства сбора данных NI USB-6009. Напряжение тиристора U_т поступает на канал AI1. Для определения тока I_т необходимо применить закон Ома

Управляющий сигнал поступает с генератора ГН2 через резистор R3. ВАХ отображается в виде, представленном на рисунке 7.5.

Рисунок 7.5 – Виртуальный прибор для экспериментального исследования параметров тиристора в среде LabVIEW.

4. По полученным ВАХ тиристора определить: U_вкл,. Сравнить результаты моделирования, экспериментальные результаты со справочными данными.

5. Осуществить моделирование работы управляемого выпрямителя, схема которого показана на рисунке 7.6.

Входное напряжение формируется функциональным генератором, блок управления реализован на генераторе сигналов XLV 1. Осциллограмму напряжения на нагрузке можно получить с помощью осциллографа XSC 1. Промоделировать работу выпрямителя для нескольких значений сдвига фаз, полученные осциллограммы зарисовать в отчете.

6. Осуществить сборку управляемого выпрямителя напряжения на макетной плате согласно схеме на рисунке 7.5. На вход схемы XS8 подавать синусоидальное напряжение с генератора ГС1.

7. Снять осциллограммы выходного напряжения для нескольких значений сдвига фаз в блоке управления. Сравните результаты моделирования и измерения.

8. Сделать выводы по результатам работы.

Рисунок 7.6 – Схема для исследования схемы управляемого выпрямителя напряжения в среде Multisim.

Содержание отчёта

Отчёт по работе должен содержать: цель работы, задание к работе с расчётом и выбором элементов управляемого выпрямителя, схемы для моделирования работы устройств в среде Multisim, блок-диаграмма виртуального прибора для экспериментального исследования и диалоговое окно, статические характеристики тиристора по результатам моделирования и экспериментальные, основные параметры тиристора, осциллограммы напряжения на нагрузке при моделировании и экспериментальном исследовании, выводы по работе.

Лабораторная работа №8. Исследование работы стабилитрона и схемы параметрического стабилизатора напряжения

Цель работы: изучение принципа функционирования, характеристик и параметров стабилитрона; исследование схемы параметрического стабилизатора напряжения.

Общие сведения

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, на вольт-амперной характеристике которых имеется участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока. Напряжение на таком диоде U_сm остаётся практически постоянным при изменении тока в широких пределах от I_{сm min} до I_{сm max} (рисунок 8.1, а). Рабочий участок вольт-амперной характеристики стабилитрона выбирают в режиме электрического пробоя p-n перехода, то есть пробой является нормальным режимом работы стабилитрона.

В настоящее время стабилитроны изготавливаются из кремния n-типа, обеспечивающего значительную крутизну характеристики в рабочей области, небольшой ток в предпробойной области, а также высокую допустимую температуру p-n перехода.

Iпр Uпр - + Iсmmin Iсm Iсmmax Uсm a) б) Iст Uсm Uобр Uсmmax Uсmmin

Рисунок 8.1 - Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а) и его условное обозначение (б).

Большим преимуществом полупроводниковых стабилитронов перед другими стабилизаторами напряжения является то, что они могут быть изготовлены на малые напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных устройств. Прецизионные стабилитроны используют в качестве опорных элементов в различных схемах, где необходима высокая точность стабилизации уровня напряжения. Поэтому полупроводниковые стабилитроны называют также опорными диодами.

Возможности стабилитрона характеризуют следующие электрические параметры:

1. U_cm – напряжение стабилизации, являющееся напряжением пробоя, обычно определяется для некоторого среднего значения тока в диапазоне от I_{сm min} до I_{сm max} и может несколько меняться в этих пределах. Напряжение пробоя стабилитрона, а значит напряжение стабилизации зависит от ширины p-n перехода или от концентрации примесей в базе диода. Поэтому различные стабилитроны имеют напряжение стабилизации от 3 до 400 В.

Низковольтные стабилитроны изготавливают на основе сильнолегированного кремния, p-n переход у них узкий. В связи с этим в низковольтных стабилитронах развивается туннельный пробой, их рабочее напряжение U_сm не превышает 3 – 4 В.

Высоковольтные стабилитроны должны иметь большую ширину p-n перехода, поэтому их делают на основе слаболегированного кремния. Принцип их работы связан с лавинным пробоем, а напряжение стабилизации у них более 7 В. При U_cm от 3 до 7 В работают оба механизма пробоя.

2. I_{cm min} – минимальный ток стабилизации, определяет точку на ВАХ, где пробой приобретает устойчивый характер (обычно доли – единицы мА);

3. I_{cm max} – максимальный ток стабилизации, определяется допустимой для данного прибора мощностью рассеяния, зависит от толщины p-n перехода и от конструкции прибора (несколько мА – несколько А).

4. R_диф – дифференциальное сопротивление стабилитрона, характеризует качество стабилитрона, то есть его способность стабилизировать напряжение при изменении проходящего тока. Дифференциальное сопротивление определяется отношением приращения напряжения к вызвавшему его приращению тока на рабочем участке (рисунок 6.1, а).

Так как для лучшей стабилизации максимальным изменениям тока должны соответствовать минимальные изменения напряжения, то качество стабилитрона тем выше, чем меньше его дифференциальное сопротивление.

Для различных стабилитронов R_диф лежит в пределах от десятых долей Ома (низковольтные) до 100 – 200 Ом (высоковольтные).

5. ТКН - температурный коэффициент напряжения стабилизации, исключительно важный параметр опорного диода. ТКН характеризует температурные изменения напряжения стабилизации и численно равен относительному изменению напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 С.

Значения этого параметра у разных стабилитронов различны. ТКН имеет положительные значения для относительно высоковольтных стабилитронов и отрицательные для низковольтных.

Н еизменным напряжение на нагрузке можно получить путем его стабилизации с помощью стабилитрона. Схема подключения стабилитрона и нагрузки к источнику ЭДС, показана на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 – Схема параметрического стабилизатора напряжения

Параметрический стабилизатор обеспечивает поддержание выходного напряжения за счет собственной нелинейности используемого полупроводникового элемента – стабилитрона

Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменяется незначительно. Входное напряжение распределяется между балластным (ограничивающим) резистором R_огр и стабилитроном

Е = U_Rогр + U_ст,

где U_Rогр = (I_ст + I_Н)R_огр .

Так как напряжение на стабилитроне U_ст в соответствии с вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка от I_{ст min} до I_{ст max}, то приращение входного напряжения U_вх равно приращению напряжения U_Rогр. Если ток нагрузки I_н = U_н / R_н = U_ст / R_н остается при этом неизменным, то

U_вх = U_Rогр =  I_ст R_огр,

т.е. при изменении входного напряжения на значение U_вх ток стабилитрона изменяется на значение U_вх / R_б.

При изменении тока нагрузки изменяется и ток стабилитрона в противоположном направлении, т.к. при неизменном входном напряжении сохраняется постоянство входного тока I_вх = I_ст + I_Н = const.

Сопротивление ограничивающего резистора рассчитается по формуле:

.

где Е_ср и I_{ст ср} – средние значения ЭДС входного источника напряжения и тока стабилизации соответственно.

Мощность, рассеиваемую на этом резисторе, рассчитывают для случая, когда через него будет протекать наибольший ток (при Е = Е_max):

Для получения заданного напряжения на нагрузке Uн последовательно с Rн включается резистор R2 (рисунок 8.3), сопротивление которого рассчитывается по формуле:

I

Рисунок 8.3 – Устройство, обеспечивающее заданный режим работы нагрузки

Мощность, рассеиваемую на резисторе R2, рассчитывают по формуле:

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются:

коэффициент стабилизации

,

коэффициент полезного действия

.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона R_D на рабочем участке вольтамперной характеристики:

.