Отчет о работе
9. Построить графики зависимости I=f(U) для селенового и германиевого диодов. При построении графиков обратить внимание на выбор масштаба.
10. Имея вольт-амперные характеристики селенового и германиевого выпрямителей, определить для них коэффициент выпрямления как отношение прямого тока к обратному при одинаковом напряжении по формуле (9.1). Для селенового выпрямителя определяют , например, при Uпр=Uоб = 8 B, для германиевого – например, при Uпр =Uоб = 0,4 В.
Контрольные вопросы
1. Какие вещества относятся к классу полупроводников? Чем они отличаются от диэлектриков и проводников?
2. Чем обусловливается проводимость полупроводников? Как она обеспечивается?
3. Какой валентности элемент надо добавить к германию как примесь, чтобы получить полупроводник с электронной проводимостью, с дырочной проводимостью?
4. Как зависит концентрация носителей заряда от температуры в полупроводниках с n и р-типом проводимости?
5. Как влияет потенциальный барьер, возникающий на границе раздела р- и n-типов полупроводников на дальнейший переход электронов и ''дырок'' через эту границу?
Библиографический список
1. Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособ. для втузов. – М.: Высш. шк., 2004 (1998). С. 148-149, 445-451, 458-463.
2. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособ. для втузов. – М.: Высш. шк., 2000. С. 611-612; 616-618; 623-626.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10
Выпрямители на полупроводниковых диодах
Приборы и принадлежности: трансформатор, полупроводниковые диоды, нагрузочное сопротивление, дроссель, конденсаторы, электронный осциллограф, соединительные провода.
Цель работы – изучение физических основ работы выпрямителей разнообразных типов и исследование их нагрузочных характеристик.
Краткая теория
Устройство выпрямителей. Выпрямители предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. В общем случае выпрямительное устройство содержит три основных элемента (рис. 10.1): трансформатор 1, электрический вентиль 2, фильтр 3 (все элементы схемы между двумя пунктирными линиями).
Рис. 10.1
Трансформатор изменяет величину переменного напряжения, получаемого от источника питания, приводя ее в соответствие с требуемой величиной выпрямленного напряжения.
Вентиль преобразует переменный ток в постоянный. В качестве вентилей чаще всего используются полупроводниковые диоды.
Ток, полученный на выходе выпрямителя, называется пульсирующим. Он имеет постоянное направление, но меняется по величине от 0 до imax, т.е. содержит постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая является причиной неприятного гудения радиоприемников (фона).
Фильтр служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока (напряжения), т.е. для уменьшения амплитуды переменной составляющей тока (напряжения).
Основные виды выпрямителей. Выпрямители можно разделить на два типа:
1. Однополупериодные, в которых ток может проходить через вентиль в течение одной половины периода подаваемого переменного напряжения (рис. 10.2).
Рис. 10.2 Рис. 10.3
2. Двухполупериодные, в которых ток проходит через вентили в течение обоих полупериодов (рис. 10.3). К таким выпрямителям относится также мостовой выпрямитель (рис. 10.4, а).
а б
Рис. 10.4
Однофазный1 однополупериодный выпрямитель является простейшим и имеет схему, изображенную на рис. 10.2. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения. Этот выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Его недостатками являются импульсный выпрямленный ток и протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если такой выпрямитель питается через трансформатор (рис. 10.5), то наличие указанной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.
Рис. 10.5
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (рис. 10.3) представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки. Диоды этой схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода.
Двухполупериодный выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Однако при одинаковом числе витков во вторичной обмотке трансформатора величина выпрямленного напряжения у двухполупериодного выпрямителя в два раза меньше, чем в случае однополупериодного и мостового выпрямителей, так как в каждом полупериоде используется только половина вторичной обмотки. Чтобы увеличить выходное напряжение, нужно увеличивать число витков вторичной обмотки (так, как это показано на рис. 10.3) и, соответственно, увеличивать расход медной проволоки, что в настоящее время дороже, чем увеличение числа диодов (как в мостовом выпрямителе – см. ниже).
Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 10.4, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора. Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара – это диоды D1 и D3, а другая – D2 и D4. Таким образом, к примеру, диоды D2 и D4 или оба включены и проводят ток, или оба выключены.
Однофазный мостовой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус. Условное обозначение мостового выпрямителя показано на рис. 10.4 б.
По сравнению с двухполупериодным выпрямителем мостовой выпрямитель обладает тем преимуществом, что, во-первых, не нужен трансформатор со средней точкой, во-вторых, при том же числе витков вторичной обмотки трансформатора, величина выпрямленного напряжения в два раза больше, чем в случае двухполупериодного выпрямителя, так как в каждом полупериоде используется вся обмотка трансформатора. Если же нет необходимости понижать напряжение, то мостовой выпрямитель можно использовать вообще без трансформатора.
Фильтры. Для уяснения действия фильтра рассмотрим простейший случай, когда фильтр состоит из одного конденсатора (С-фильтр), шунтирующего нагрузочное сопротивление Rн (рис. 10.12). В течение того времени, когда пульсирующий ток растет от 0 до imax, конденсатор быстро заряжается через сравнительно небольшое сопротивление выпрямителя. В остальное время конденсатор разряжается через нагрузку Rн, причем напряжение на нем убывает по экспоненциальному закону:
.
Если сопротивление Rн велико, то разряд конденсатора происходит сравнительно медленно, и напряжение снижается незначительно. В результате этого напряжение, снимаемое с нагрузочного сопротивления, имеет меньшую пульсацию при наличии конденсатора, чем без него. С-фильтр широко используется в маломощных выпрямителях.
В качестве фильтра можно использовать и индуктивность (L-фильтр). Индуктивный фильтр включают последовательно с нагрузкой (рис. 10.13). В качестве такого фильтра в работе используется катушка сердечником, набранным из стальных пластин (дроссель). Часто используют катушку индуктивности на магнитном сердечнике с зазором. Эффект сглаживания пульсаций тока с помощью L-фильтра объясняется тем, что в течение того времени, когда пульсирующий ток растет от 0 до imax, энергия запасается в магнитном поле катушки, а затем, при уменьшении тока, эта энергия отдается в цепь нагрузки вследствие возникновения ЭДС самоиндукции.
Как иллюстрацию здесь можно привести простой случай, когда электрическая цепь, состоящая из катушки, имеющей активное сопротивление R1 и индуктивность L, и резистора с сопротивлением R2, резко отключается от источника питания (рис. 10.6).
Рис. 10.6
В этом случае, вследствие возникновения ЭДС самоиндукции, сила тока в цепи уменьшается по экспоненциальному закону
,
где E – ЭДС источника питания. Напряжение на зажимах катушки тоже будет изменяться по экспоненте:
.
L-фильтр широко используется в выпрямителях, особенно мощных.
Существует множество различных типов фильтров, которые получаются путем комбинаций конденсаторов, катушек и резисторов. В данной работе, кроме С- и L-фильтров, экспериментально изучается сглаживающее действие П-образного LC-фильтра (рис. 10.14).