Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский технологический институт "ВТУ"

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Диоды в источниках питания.doc

Скачиваний:

Добавлен:

01.04.2025

Размер:

504.32 Кб

Скачать

☆

1 / 21 2 > Следующая >>>

Московский Государственный Технический Университет

имени Н.Э.Баумана

C . Р . Иванов

В. В. Радюкевич

Диоды в источниках питания

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по курсу « Микроэлектроника »

Москва 2006

Лабораторная работа №1. «Диоды в источниках питания» Цель работы.

Исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторов напряжения.

Теоретическая часть.

Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямитель сетевого напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. I).

сеть =U U~

Рис.1 Структурная схема вторичного источника питания

В состав выпрямителя обычно входят:

силовой трансформатор, предназначен для получения необходимых величин переменного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической развязки с сетью;

вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока;

емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения.

Если к выходному напряжению предъявляются высокие требования по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения

а) б

Рис.2. Схемы выпрямителей: а- однополупериодного , б– двухполупериодного (мостового)

. На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V. Как известно, вольтамперная характеристика (BAX) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя .участками прямых АВ и ВС , причем АВ идет по оси абсцисс, а наклон ВС определяется средним, прямым сопротивлением диода

эквивалентная схема диода

Рис.3. Вольт-амперная характеристика диода

а-реальная , б-идеальная .

. С целью дальнейшего упрощения иногда принимают U_gH  0 и тогда точка В смещается в начало координат. Как следует из такой аппроксимация ВАX, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке ВА стремится к бесконечности, а на участке ВС сравнительно мало.

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе,

работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t₂ – t₁, соответствующем изменению фазового угла t₂ – t₁, диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С . Постоянная времени заряда _зар = С(R_H ||R_пот), где сопротивление потерь

R_пот= Rпр.ср.+Rтр (Rтр - активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда R_пот R_H и _зар  С(R_H ||R_пот. В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается _разр  С(R_H ||R_обр+R_тр)).

П оскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление R_обрR_тр+R_H, постоянная времени разряда _разр  СR_H и _разр<<_зар -т.е. процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения U_c , на диоде обратное напряжение .может достигать величины U_обр=2U₂_m. Поэтому диод выбирают с U_{обр.макс}>2U₂_m. Фазовый угол, в течение которого диод открыт, обозначается 2=t₂-t₁, где  - угол отсечки. Чем меньше  . тем больше U₀ и меньше пульсации. Поэтому  желательно уменьшать.

В установившемся режиме площади под кривыми тока заряда конденсатора I_сз и тока разряда I_c_родинаковы. Основные расчетные параметры выпрямителя являются функциями коэффициента , где m=1 для однополупериодного и m = 2 для двухполупериодного выпрямителей.

С помощью этого параметра определяют необходимые значения:

I_m - максимального импульса тока через диод;

I₂ - действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;

E₂ - действующего значения ЭДС вторичной обмотки.

С помощью коэффициента A() при расчетах определяют и коэффициент пульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U₀'

Выходное сопротивление , где U₀ и I₀, находят по нагрузочной характеристике источника U₀=f(I₀); U₀ и I₀ - напряжение и ток нагрузки.

На рис. 26 приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диода V2 и V3 (пунктирные стрелки), в другом – через диоды V1 и V4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в две раза U_{обр.макс}>2U₂_m по сравнению с однополупериодной схемой. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе

Например, простой LC -фильтр, представляющий собой последовательно о нагрузкой включенный дроссель и параллельно c нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U₀ сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора - к бесконечности, для пульсирующей - наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а пульсирующая существенно уменьшается.

Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить к_п, R_вых, а также зависимость U₀от колебаний напряжения сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузки

где U_вых - приращение U₀ при изменении U_вх на величину U_вх ;

U_вх.ном ; U_{вых.ном} - номинальные значения напряжений.

Рис. 5. вольт-амперная характеристика стабилитрона

Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления R_би стабилитрона. Он устанавливается в источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схеме используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных избиениях протекающего через него тока (рис. 56, обратная ветвь ВАХ стабилитрона в области U_ст). При отклонении U_вх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на R_б , а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки I₂ (U_вх – const) перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется Icт ) почти без изменения общего тока I₁ . Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле

где r_g - динамическое сопротивление стабилитрона.

Выходное сопротивление стабилизатора R_вых=R_б||r_gr_gтак как r_g<<R_б.

Описание макета

Риc.6. Схема макета лабораторной работы №1

Макет, схема которого представлена на рис. 6, включает:

- выпрямитель, который в зависимости от положения переключателя BI может работать по однополупериодной или мостовой схеме;

- LC –фильтр /L1,C2/;

- параметрический стабилизатор /R2,V6/;'

- контрольно-измерительные приборы (I1, V2);

- дискретно изменяющуюся нагрузку (R3,R4,R5,R6);

- емкостную нагрузку (CI).

Моделирование источников питания на компьютере в EWB 5-12pro,

или в MULTISIM (EWB6.0).

При cоздании любой принципиальной схемы нужно выбрать необходимый квадрат меню, в нем выбирают- подменю, (щелкнув два раза по элементу ) редактируют параметры, в соответствии с паспортными данными на данный элемент.Для исследования

диодов в источниках питания необходимы следующие элементы: Выпрямительный мост (тип).

Тиристор или динистор (тип).

Стабилитрон (тип).

Полупроводниковый диод (тип).

Трансформатор с возможностью редактирования

Катушка (индуктивность).

Резистор (сопротивление).

Конденсатор (емкость).

При создании схемы удобно использовать

Когда схема создана и к ней подключены приборы : мультиметр (тестер)-

позволяет снимать значение сопротивления,тока и напряжения; генератор

синусоидального напряжения(прямоугольных импульсов,пилообразного напряжения), двухканальный осциллограф, с помощью которого наблюдают форму сигнала, амперметр для измерения постоянного или переменного тока

(АС-по переменному току ,DC- по постоянному току), Вольтметр для измерения постоянного или переменного тока).источники сигналов -источник сину-

соидального напряжения, - синусоидального тока - постоянного напряжения, постоянного тока, -корпус ,на схему подают питании .

При снятии осциллограмм : -кнопки растягивают изображение по оси Х,

- растягивают изображение по оси Y, -опускает/поднимает изображение,

щелкнув два раза по проводу, который подключен к осциллографу-меняют цвет луча

-увеличивает экран(слева и справа на экране маркеры-для точности измерения),чтобы остановить изображение надо нажать -

С помощью кнопки -можно получить полную осциллограмму.

В работе ,при исследовании, схем можно значительно сократить время ,если пронумеровать узлы схемы, далее можно проводить анализы работы схемы.

При снятии осциллограмм одновременно во всех

нужных точках удобно использовать анализ

Transient,задав время начала и окончания анализа,

а также необходимо адресовать в правое окошко

узлы ,в которых проводить анализ и нажать Simulate.

Если мышкой щелкнуть по по изображению,

то показания в окошке будут соответствовать

выбранной контрольной точке.

Чтобы подробно рассмотреть участок осциллограммы,удерживая нажатой левую кнопку мыши,выделяют участок изображения .

При определении коэффициента пульсаций можно воспользоваться анализом Fourier,при этом надо выбрать номер узла, задать частоту сети и число гармоник.

. К чему приведет изменение

любого параметра любой

детали схемы- можно

исследовать с помощью

анализа-Parametr Sweep,в нем

задаются диапозон анализа,шаг,

номер узла, выбранный анализ

и, при нажатии на кнопку set , время анализа.

При снятии осциллограмм формы тока используют косвенный метод- для

э того в разрыв цепи включают -источник напряжения, управляемый током. К источнику подключают вспомогательный резистор 1к и один из узлов заземляют. Ток потечет по пути наименьшего сопротивления ,т.е. через внутреннее сопротивление источника-1 Ом.

При этом настройки осциллографа переводят в mV.

Модели диодов и стабилитронов

V ZT — напряжение стабилизации

EG — ширина запрещенной зоны, эВ; (для германия — 0,72 эв, для кремния —1,1 эв);

RS-дифференциальное сопротивление

IIS-допустимый ток N — коэффициент инжекции;

BV — напряжение пробоя (положительная величина, в EWB 4.1 она принята отрицательной),

KF — коэффициент фликкер-шума;

AF — показатель степени в формуле для фликкер-шума;

XTI — температурный коэффициент тока насыщения;

Задание

1. Исследовать работу однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямителя для случаев:

активной нагрузки;

емкостной нагрузки;

зарисовать форму выходного напряжения, а также форму тока, протекающего через диод

Определить действующее Uд и среднее Uo значение выпрямленного напряжения

Провести эксперимент с заменой диода следующими схемами:

2. Определить с помощью осциллографа угол отсечки  и коэффициент пульсаций к_п для одно- и двухполупериодной схем.

3. Исследовать сглаживающее действие фильтра LC при одно- и двухполупериодном выпрямлении. Определить коэффициенты сглаживания.

4. Отснять нагрузочные характеристики выпрямителя и определить его выходное сопротивление.

5. Подключить к выпрямителю параметрический стабилизатор, снять нагрузочную характеристику стабилизатора и определить по ней его выходное сопротивление, определить коэффициент стабилизации (схема выпрямителя мостовая, фильтр LC отключен).

6 Используя анализ АС frecunsi ,определить полосу пропускания Г и П –образных RC и LC фильтров

7 Исследовать схемы умножения

добиться умноже-

ния Uвых. в 5 раз.

В этих схемах на вход подать 220V 50Hz на выходе получить заданное выходное напряжение и снять осциллограммы для тока и напряжения , для этого надо подобрать С Ниже приведена схема зарядного устройства,подбором емкости добиться заданного тока( входное напряжение согласно варианту)