ЗМІСТ

Вступ....................................................................................................	4
Загальні методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт в середовищі Electronics Workbench ……….	5
Лабораторна робота 1. Дослідження характеристик напівпровідникових діодів.................................................................	13
Лабораторна робота 2. Дослідження параметрів і характеристик біполярних транзисторів……….………………….	20
Лабораторна робота 3. Дослідження польових транзисторів .…..	28
Лабораторна робота 4. Дослідження характеристик тиристорів ………………………………………………………..….	35
Лабораторна робота 5. Моделювання роботи випрямлячів і згладжувальних фільтрів……………………………………….…..	41
Лабораторна робота 6. Дослідження стабілізаторів постійної напруги…………………………………………………...	53
Лабораторна робота 7. Дослідження підсилювачів змінного струму……………………………………………………..	60
Лабораторна робота 8. Моделювання роботи електронних схем на базі операційних підсилювачів….……………………….	69
Список рекомендованої літератури..................................................	76

ВСТУП

Лабораторні роботи підготовлено згідно з робочою навчальною програмою дисципліни «Промислова електроніка» для студентів спеціальності 6.090600 «Електротехнічні системи електроспоживання».

Мета лабораторних робіт полягає в закріпленні здобутих на лекційних заняттях теоретичних знань та здобуття практичних навичок дослідження електронних компонент енергетичної та інформаційної електроніки, призначених для перетворення одного виду електричної енергії в інший, а також системам і обладнання передачі та обробки інформації. Ці знання дозволять майбутньому фахівцю організовувати та проводити технічне обслуговування систем перетворення електроенергії, приладів для обробки, передачі й відображення інформації, займатися розробкою та проектуванням таких систем, а також організовувати роботу технічного складу по їх обслуговуванню.

Лабораторні роботи виконуються методом математичного моделювання електромагнітних процесів на ЕОМ за допомогою пакета моделювання електронних схем Electronics Workbench. Теми лабораторних робіт присвячені дослідженню параметрів і характеристик напівпровідникових діодів, біполярних і польових транзисторів, тиристорів, однофазних випрямлячів, згладжувальних фільтрів, параметричних і компенсаційних стабілізаторів напруги, підсилювачів змінного струму та моделюванню електронних схем на базі операційних підсилювачів. Роботи виконуються в три етапи.

На першому етапі: який передує роботі в лабораторії, студент повинен ознайомитися з метою роботи, відповісти на питання, підготувати протокол лабораторної роботи.

На другому етапі, безпосередньо в лабораторії слід провести необхідні дослідження, занотувати отримані результати, та проаналізувати їх.

На завершальному етапі роботи необхідно накреслити отримані графіки, зробити висновки стосовно досліджуваних процесів, занотувати їх у звіт роботи. Дати відповідь на контрольні питання і захистити роботу. До лабораторної роботи допускаються студенти, які виконали перший етап запланованої роботи і мають повністю оформлену попередньо роботу.

Загальні методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт в середовищі electronics workbench

Запустіть пакет Electronics Workbench, при цьому на екрані з’являється зображення монтажного столу (рис.1) і ознайомитися з його вмістом:

Рис.1. Зображення монтажного столу Electronics Workbench

1. – робоче поле – велика центральна частина екрану, на якій розміщуються компоненти схеми і вимірювальні прилади;

2. – панелі інструментів, що включає такі розділи: Sources, Basic, Diodes, Transistors, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Logic Gates, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments, а також панель інструментів Favorites, яка налаштовується;

– клавіші ввімкнення і паузи, розташовані в правому верхньому кутку екрану, за допомогою яких запускається або тимчасово призупиняється процес моделювання. Для зупинки процесу моделювання або припинення паузи необхідно повторно натиснути відповідну клавішу.

Опції розділів Горизонтального меню. File – організація роботи з файлами (відкриття, створення, роздрук файлів і т.п.). Edit – опції розділу дозволяють вирізати та копіювати, виділений фрагмент схеми, переміщати елементи або блоки схеми. Опція Copy as Bitmap дозволяє копіювати виділений фрагмент схеми в буфер обміну, звідки його можна вставити в іншу програму, наприклад в Word, при складанні звіту про лабораторну роботу.

Circuit – розділ, що дозволяє обертати, змінювати властивості, наближати та віддаляти елементи схеми. Крім того можлива настройка візуальних параметрів схеми (розташування і орієнтація елементів схеми, настройка кольорів і шрифту, пошук та інші стандартні функції). Analysis – розділ дозволяє запускати, припиняти і завершувати аналіз схеми, а також встановлювати різні опції аналізу. Window – розділ призначений для екранних настройок при роботі з документами. Help – розділ служить для доступу до довідкової системи Electronics Workbench.

Для створення нового документу (формат *.ewb), необхідно виконати такі операції з меню: File/New, а потім зберегти його на диску File/Save as… і вказавши ім’я файлу і папку, в якій зберігатиметься схема.

Складання електричної схеми. Послідовно вибрати відповідний розділ на панелі інструментів і перенести необхідні елементи на робоче поле, клацнувши мишею на потрібному елементі і, не відпускаючи кнопки, перенести його в потрібне місце схеми. Повернути елементи схеми, якщо їх розташування за умовчанням вас не влаштовує. З’єднати контакти елементів для отримання необхідної вам схеми, клацнувши по одному з контактів першого елементу лівою кнопкою миші так, щоб з’явилася чорна точка контакту і, не відпускаючи клавішу, довести курсор до необхідного контакту другого елементу. При появі точки контакту біля виведення іншого елементу відпустити кнопку миші. Переконайтеся, що провідник з’явився.

У разі потреби можна додати додаткові вузли (розгалуження). Для цього треба просто перетягнути елемент з панелі на місце провідника, де треба отримати розгалуження. З’єднувачі можуть з’являтися і автоматично у випадку наведення другого кінця провідника на вже існуючий провідник. При цьому необхідно пам’ятати, що кожен з’єднувач має лише чотири точки підключення –праворуч, зверху, зліва і знизу. Якщо приєднати провідник до вже зайнятої точки з’єднувача та відпустити праву клавішу миші, то існуючий провідник зникне. Провідники можна виконати лініями різного кольору. Для цього необхідно двічі клацнути лівою клавішею миші на зображенні провідника таі вибрати потрібний колір з палітри. Якщо даним провідником до контрольної точки підключається вхід віртуального осцилографа, то цим же кольором буде забарвлена відповідна осцилограма на екрані приладу.

Якщо необхідно видалити провідник, то слід вказати виведення компоненту, куди підключений цей провідник, так, щоб цей вивід виділився, і, натиснувши ліву клавішу миші, перенести провідник від виводу, а потім відпустити клавішу. Крім того, для того, щоб прибрати провідник, елемент або прилад з робочого поля треба виділити його і натиснути на клавішу Del на клавіатурі. У цьому випадку разом з вибраним об’єктом пропадуть й всі лінії зв'язку, підключені до цього об'єкту. Лінія зв'язку може вийти нерівною через неточне взаємне розташування елементів і приладів по горизонталі та вертикалі. Для її вирівнювання можна виділити об’єкт і перемістити за допомогою миші методом перетягання або за допомогою клавіш управління курсором.

Для встановлення необхідних номіналів і властивостей елементу необхідно двічі клацнути по ньому мишею. В результаті появиться вікно властивостей елементу (рис. 2), в розділі Value якого необхідно встановити необхідне значення параметра елементу, а в розділі Label можна задавати позиційні позначення елементу.

Рис.2. Вікно властивостей резистора (розділ Value)

Щоб підключити до схеми амперметр і вольтметр, необхідно вибрати їх з панелі інструментів Indicators. За потреби їх можна повернути як і інші елементи. За умовчанням вони вставляються в схему в режимі вимірювання на постійному струмі. Для вибору необхідних настройок амперметра і вольтметра, необхідно двічі клацнути по ньому мишею й у вікні властивостей встановити необхідний режим вимірювання Mode (DC – постійний струм і AC – змінний струм).

У разі додавання в схему осцилографа (рис.3) з панелі приладів необхідно пам’ятати, що кожний з приладів на панелі Instruments наявний в єдиному екземплярі, тому при перетяганні його на робоче поле місце на панелі залишається вільним. Підключити вхідні затискачі каналу А і В осцилографа до контрольних точок схеми аналогічно решті з’єднань в схемі. Для зручності можна позначити червоним кольором одним з провідників, підключених до його входу. Клему заземлення (GROUND) осцилографа необхідно з’єднати з шиною нульового потенціалу, а вхідний затиск запуску розгортки (TRIGGER) осцилографа використовується для приєднання джерела зовнішньої синхронізації генератора розгортки.

Рис.3. Екран віртуального осцилографа

Запуск процесу моделювання здійснюється шляхом натиснення на кнопку ввімкнення живлення на панелі інструментів. Через декілька секунд процес моделювання можна зупинити. Якщо в схемі допущена серйозна помилка (замикання елементу живлення, відсутність нульового потенціалу в схемі), то буде видане відповідне попередження. Розвернення зображення елементу осцилографа здійснюється подвійним натисненням клавіші миші по ньому. Подивитися результати моделювання на екрані осцилографа (рис.3) можна заздалегідь виконавши його настройку.

Клацанням лівої клавіші миші можна вибрати режим роботи осцилографа: Y/T при якому по осі Х відкладається час, а по осі Y – напруги сигналів А і В. У режимах роботи B/A і A/B по осі X відкладаються напруги сигналів А і В відповідно, а по осі Y – напруги сигналів В і А. Підбір відповідної розгортки осцилографа (масштаб по осі Х) за допомогою лічильника збоку від поля поточного масштабу Time base. Швидкість розгортки можна змінювати від 0,1 нс до 1 с на одну поділку шкали. Масштаб по осі Y підбирається для кожного каналу окремо за допомогою лічильника збоку від поля поточного масштабу, який може мінятися від 10 мкВ до 5 кВ на поділку.

Початкову точки розгортки по осях X і Y можна зміщувати, при цьому зсув по осі Х визначається смугою прокрутки X position для обох каналів одночасно. Якщо X position встановлено на 0.00, то розгортка починається від початку екрану осцилографа, позитивне ненульове значення X POS зсовує початок розгортки вправо, а негативне – вліво. Зміщення сигналів по осі Y задається органами Y position обох каналів в межах від -3 до 3 поділок і використовується для того, щоб розсунути по вертикалі зображення сигналів А і В. У режимах В/А і А/В шкала по осі Х визначається встановленим масштабом по каналу А і В відповідно.

Зображення осцилографа можна скопіювати в буфер обміну за допомогою команди Edit/Copy as Bitmap, а потім вставити його в звіт про виконання роботи. Зверніть увагу, що дана осцилограма отримана при подачі вхідних сигналів через відкриті канали А і В для постійної складової входи в режимі DC (Direct Current – постійний струм). Тобто, на екрані осцилографа показаний сигнал з урахуванням його постійної складової.

У разі подачі вхідних сигналів в канали А і В через закриті для постійної складової входи в режимі АС (Alternating Current – змінний струм). Даний режим еквівалентний подачі сигналу на вхід каналу через конденсатор великої ємності. Слід мати на увазі, що схемне підключення розділового конденсатора між контрольною точкою і входом осцилографа є некоректним, оскільки конденсатор сприймається програмою як компонент із непідключеним виводом.

Для встановлення одного з каналів осцилографа в режим роботи 0 (нуль) треба заземлити вхід каналу. Цей режим використовується для корекції положення променя на екрані осцилографа за відсутності вхідного сигналу. Положення ручок у блоці Trigger встановлює режим горизонтальної розгортки для осцилографа. У віртуальному осцилографі передбачено чотири режими горизонтальної розгортки: Auto – автоматичний запуск; A, B – запуск від вхідних сигналів А і B відповідно; Ext – запуск від зовнішнього сигналу, що подається на затиск Trigger. Кнопки Edge (фронт) встановлюють запуск розгортки відповідно по фронту та спаду запускаючого сигналу. Смуга прокрутки Level (рівень) визначає порогову напругу, перевищення якої призводить до запуску розгортки.

Натисніть на кнопку Expand осцилографа. При цьому появиться його розгорнене зображення з додатковими інструментами (рис. 4). За допомогою повзунка можна вибрати потрібну ділянку осцилограми.

Рис. 4. Розгорнене зображення віртуального осцилографа

За допомогою лівої клавіші миші можна переміщувати червону та синю риски до відповідних точок осцилограм і визначати миттєві значення його вхідних сигналів за допомогою цифрових індикаторів. Натиснення на клавішу Reduce осцилографа повертає зображення осцилографа з розгорненого до звичайного (рис.3).

Розгортка зображення вимірювача амплітудно-частотної (АЧХ) і фазочастотної (ФЧХ) виконується подвійним натисненням клавіші миші по його зображенню Bode Plotter (побудовник діаграм Боде). Bode plotter генерує гармонічну напругу з частотою, що лінійно змінюється, на своїх затискачах IN і вимірює відношення напруг на підключених до схеми затискачах OUT (Вихід) і IN (Вхід) режимі Magnitude (рис. 5, а), або різницю їх фаз в режимі Phase (рис. 5, б).

а

б

Рис. 5. Розгортка зображення АЧХ (а) і ФЧХ (б) блоку Bode Plotter

Частоти всіх джерел змінного струму в досліджуваній схемі в процесі розрахунку ігноруються, однак схема повинна включати хоч би один таке джерело. Існує можливість встановлення логарифмічного масштабу по горизонталі (Horizontal) і вертикалі (Vertical), а також необхідного діапазону досліджуваних частот і параметрів вихідних величин. Шкали осей задаються початковими (I) і кінцевими (F) значеннями величин. По осі Х завжди відкладається частота в Гц в десятковому або логарифмічному масштабах, а по осі Y відкладається безрозмірна величина (LIN) або децибели (LOG) для відношення напруг і градуси для різниці фаз.

Для точного відліку результату вимірювань можна використовувати візирну лінію, позиція якої управляється за допомогою кнопок із зображеннями горизонтальних стрілок «<», «>» в нижній частині лицьової панелі Bode Plotter. Візирну лінію можна також переміщати за допомогою миші, для чого візир (у вигляді хрестика в лівому нижньому кутку екрану приладу) слід перетягнути в потрібну точку на графіку АЧХ або ФЧХ. Відлік вимірюваної величини з’являється на цифровому табло в нижній правій частині приладу.

Функціональний генератор (рис. 6) є джерелом напруги спеціальної форми. Генератор здатний виробляти напругу синусоїдальної, прямокутної та трикутної форми. Форма сигналу задається клавішами верхнього ряду.

Рис. 6. Зовнішній вигляд і вікно налаштувань функціонального генератора

Частота сигналів Frequency, коефіцієнт заповнення Duty cycle, амплітуда Amplitude і зсув Offset базової лінії (постійної складової напруги) встановлюються або безпосереднім введенням з клавіатури у відповідне вікно або за допомогою відповідної лічильника. При цьому частота вихідних сигналів генератора може встановлюватися в межах від 0,1 Гц (Hz) до 999 МГц. Коефіцієнт заповнення задає для прямокутного сигналу відношення в % тривалості імпульсу з високим робочим рівнем до періоду, а для трикутного сигналу – відношення тривалості позитивного лінійно наростаючого фронту до періоду. Коефіцієнт заповнення 50% відповідає симетричній формі сигналу. Форма синусоїдального сигналу не змінюється із зміною даного коефіцієнта. Амплітуда задає максимальне значення вихідної напруги, яка відраховуються від базової лінії (в припущенні, що вихідний сигнал знімається між затискачами COM (загальний) і «+» (або COM і «–»). Якщо вихідний сигнал знімається із затисків «+» і «–», то амплітуда подвоюється Амплітуда задається в діапазоні від 1 μВ до 999 кВ.

Зсув задає величину постійного зсуву вихідного сигналу в межах від -999 кВ до +999 кВ. Режим джерела напруги, який реалізується функціональним генератором, передбачає, що генерований сигнал вільний від спотворень, шумів і пульсацій, властивих реальним генераторам з реальним навантаженням. Параметри генерованого сигналу в режимі джерела напруги не залежать від величини ввімкненого навантаження. Один з вихідних затискачів генератора заземлюється.

Лабораторна робота 1

ДОСЛІДЖЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК

НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ

Мета роботи

1. Ознайомитись з основними параметрами та характеристиками напівпровідникових діодів.

2. Закріплення на практиці теоретичних положень щодо властивостей випрямних діодів і стабілітронів.

3. За допомогою програмного середовища Electronics Workbench дослідити вольт-амперні характеристики (ВАХ) випрямних діодів і стабілітронів, марки яких задані викладачем.

Завдання

1. За рекомендованою літературою ознайомитися з основними теоретичними положеннями щодо властивостей випрямних діодів і стабілітронів та побудови схем в середовищі Electronics Workbench для дослідження їх характеристик.

2. За паспортними даними заданих діодів визначити межі досліджуваних параметрів – прямого струму (табл. 1.1) та зворотної напруги (табл. 1.2) і узгодити їх з викладачем.

3. Для заданих меж зміни прямого струму змоделювати роботу схем, зняти та накреслити прямі вітки ВАХ діодів.

4. За визначеними межами зміни зворотної напруги змоделювати роботу схем, зняти та накреслити зворотні вітки ВАХ діодів.

5. Скласти схему для дослідження ВАХ заданого стабілітрона, визначити межі зміни напруги на стабілітроні та узгодити їх з викладачем.

6. Змоделювати роботу стабілітрона, зняти та побудувати ВАХ стабілітрона, визначити диференціальний опір для трьох характерних ділянок ВАХ – прямої вітки та зворотної з двома зонами: непровідного стану переходу та електричного пробою.

7. Оформити протокол лабораторної роботи, зробити письмові висновки за результатами досліджень.