Описание оборудования

Образовательная платформа NI ELVIS II (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II), служит для выполнения лабораторных работ, макетирования, разработки и анализа электротехнических и электронных схем. На рисунке 1 представлен внешний вид лицевой панели платформы ELVIS II и приведены основные её функциональные возможности.

Рис. 1

Панель управления рабочей станции содержит простые в обращении ручки управления источниками питания и функциональным генератором сигналов, а также предлагает удобное подключение и функционирование таких приборов, как функциональный генератор сигналов, осциллограф, цифровой мультиметр с разъемами BNC и разъемами штекерного типа. Схема расположения компонентов на панели управления рабочей станции приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Рабочая станция NI ELVIS II

1 – Макетная плата NI ELVIS II, 2 – Плавкий предохранитель мульти метра, 3 –Клеммы для подключения к мультиметру, 4 – Разъемы для подключения к осциллографу, 5 – Разъем выхода функционального генератора или входа цифрового запуска, 6 – Монтажное отверстие под винт на макетной плате, 7 – Разъем для подключения макетной платы, 8 – Выключатель питания макетной платы, 9 – Световые индикаторы статуса, 10 – Элементы управления регулируемыми блоками питания, 11 – Элементы управления функциональным генератором

NI ELVIS II подключается к ПК с помощью USB кабеля, а через блок питания, идущий в комплекте с устройством, к внешнему источнику питания 220 В. На задней панели NI ELVIS II переключатель необходимо перевести в положение «|». В этот момент на лицевой панели оранжевым цветом загорается индикатор Active. На рабочем столе появляется диалоговое окно New Data Acquisition Device, а на лицевой панели NI ELVIS II оранжевым цветом загорается индикатор Ready. Для работы с макетной платой необходимо перевести на лицевой панели NI ELVIS II переключатель Prototyping Board в положение «|», в этот момент индикатор Power загорается зелёным светом.

Лабораторная работа №1

Исследование характеристик биполярного транзистора

Цель работы:

– определение коэффициента передачи транзистора по постоянному току;

– получение входной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером;

– получение семейства выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером;

– установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером.

Теоретическое введение:

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих р-n-перехода, называется биполярным транзистором. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают р-n-р-транзисторы и n-p-n-транзисторы. Их условные обозначения и устройство приведены на рис. 1.1.

а) б)

Рис.1.1. Условные обозначения и устройство транзисторов р-n-р (а) и n-р-n (б) типов

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

В основном биполярные транзисторы применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десяти гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте (низкочастотные – не более 3 МГц; средней частоты – от 3 МГц до 30МГц; высокочастотные – от 30 МГц до 300 МГц; сверхвысокочастные – более 300 МГц) и по мощности (маломощные – не более 0,3 Вт; средней мощности - от 0,3 Вт до 1,5 Вт; большой мощности – более 1,5 Вт).

Разновидностью биполярных транзисторов являются лавинные транзисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона.

Другую разновидность биполярных транзисторов представляют двухэмиттерные модуляторные транзисторы, в которых конструктивно объединены две транзисторные структуры.

Широкое распространение в последние годы получили составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный (усилительный), насыщения, отсечки и инверсный.

В линейном режиме работы биполярного транзистора эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – оба перехода в обратном направлении. И, наконец, в инверсном режиме коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. Кроме рассмотренных режимов возможен еще один режим, который является не рабочим, а аварийным – это режим пробоя.

Принцип работы биполярного транзистора основан на возможности управления токами электродов путем изменения напряжений, приложенных к электронно-дырочным переходам. В линейном режиме, когда переход база-эмиттер открыт благодаря приложенному к нему напряжению U_бэ, через него протекает ток базы I_б. Протекание тока базы приводит к инжекции зарядов из области коллектора в область базы, причем ток коллектора определяется выражением:

I_к = β_DC ∙ I_б,

где β_DC – статический коэффициент передачи тока базы.

Прямое падение напряжения U_бэ на эмиттерном переходе связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:

,

где I_кб.0 – обратный ток коллекторного перехода, а (φ_т – температурный потенциал, который при температуре Т = 300 К составляет для кремния примерно 25 мВ.

Из выражения следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода и при условии U_бэ > φ_т ток коллектора возрастает с ростом напряжения U_бэ по экспоненциальному закону:

,

где U_бэ < ψ_к – контактная разность потенциалов.

Важнейшими характеристиками транзистора являются его входная и выходные вольтамперные характеристики. Типичные ВАХ биполярного транзистора приведены на рис.1.2.

Кроме ВАХ рассматривают статический коэффициент передачи тока, коэффициент передачи тока, дифференциальное входное сопротивление. Значения этих характеристик зависят от схемы включения транзистоpa. На рис.1.3 приведена схема включения биполярного транзистора с обратной проводимостью (n-p-n - типа) по схеме с общим эмиттером. Для такой схемы справедливо следующее соотношение между токами:

I_э = I_к + I_б,

где I_э, I_к, I_б сила тока в цепях эмиттера, базы и коллектора, соответственно.

Рис. 1.2. Входная (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора

Рис. 1.3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Рассмотрим основные характеристики биполярного транзистора.

Статический коэффициент передачи тока β_DC определяется как отношение тока коллектора I_к к току базы I_б :

.

Коэффициент передачи тока β_АС определяется приращением ΔI_к коллекторного тока к вызывающему его приращению ΔI_б базового тока:

Дифференциальное входное сопротивление r_i, транзистора в схеме с общим эмиттером определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению тока базы:

.

Используя полученные ранее параметры транзистора дифференциальное входное сопротивление r_вх можно определить по формуле:

r_i = r_б + β_AC ∙ r_э,

где r_б – распределенное сопротивление базовой области полупроводника, r_э – дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения: r_э – 25/I_э, а I_э – постоянный ток эмиттера в миллиамперах.

Первое слагаемое в выражении много меньше второго, поэтому им можно пренебречь. Тогда:

r_i ≈ β_AC ∙ r_э

Биполярные транзисторы чаще всего используются в усилительных каскадах. На рис.1.4 изображен типичный транзисторный каскад с общим эмиттером. Режим работы биполярного транзистора в таком каскаде определяется силой базового тока. Для того, чтобы базовый ток был стабилен, база соединяется с источником напряжения Е_б через высокоомное сопротивление R_б.

Рис. 1.4. Усилительный каскад с общим эмиттером

Для определения режима работы транзисторного каскада удобно построить линию нагрузки на выходной характеристике транзистора. Данный способ позволяет описать поведение транзистора во всех основных режимах работы, а именно: насыщения, усиления и отсечки.

Режим насыщения имеет место в случае, когда ток коллектора не управляется током базы. Эта ситуация возникает при условии β_DC I_б > I_кн, где I_кн – ток насыщения коллектора. Значение этого тока определяется сопротивлением R_к в цепи коллектора и напряжением источника питания Е_к.

.

Режим насыщения характеризуется низким падением напряжения коллектор-эмиттер (порядка 0,1 В). Для перевода транзистора в этот режим необходимо, чтобы через базу транзистора протекал ток, больший, чем ток насыщения базы I_бн:

.

Для того чтобы базовый ток стал равным току насыщения, сопротивление резистора R_б следует выбрать равным:

В режиме усиления ток коллектора меньше тока насыщения I_кн и для его вычисления можно воспользоваться уравнением линии нагрузки цепи коллектора:

Рабочая точка транзисторного каскада

Рабочая точка транзисторного каскада в статическом режиме задается током базы и напряжением на коллекторе.

Базовый ток транзистора в схеме (рис. 1.4) определяется как ток через сопротивление в цепи базы R_б:

Он может быть также определен как точка пересечения входной ВАХ транзистора и линии нагрузки цепи базы (точка 1 на рис.1.5а)

Ток коллектора определяется точкой пересечения линии нагрузки цепи коллектора и выходной характеристики транзистора (точка 1 на рис 1.5б.)

Значение тока коллектора можно вычислить по формуле:

I_к = β_DC ∙ I_б

а) б)

Рис.1.5. Определение рабочей точки транзистора по входной (а) и выходной (б) волътамперным характеристикам транзистора

Напряжение коллектор-эмиттер определяется из уравнения линии нагрузки цепи коллектора:

U_кэ = E_к – I_кR_к

В режиме отсечки ток коллектора равен нулю и не создает на резисторе R_б падения напряжения. Следовательно, напряжение U_кэ максимально и равно напряжению источника питания Е_к. Данный режим соответствует точке 2 на рис. 1.5б.

Работа транзисторного каскада в режиме малого сигнала

При работе транзисторного каскада в режиме малого сигнала обеспечивается наибольшее усиление входного сигнала при минимальных искажениях. Характерной особенностью данного режима является то, что при всех возможных значениях входного сигнала рабочая точка транзистора не выходит из линейной области.

Расчет режима малого сигнала состоит в нахождении постоянных и переменных составляющих токов и напряжений в транзисторном каскаде. Расчет постоянных составляющих позволяет найти параметры рабочей точки транзисторного каскада (статический режим). Расчет переменных составляющих - усилительные свойства каскада в этой точке.

Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением амплитуд выходного синусоидального напряжения к входному:

.

Величина этого параметра в схеме с общим эмиттером приближенно равна отношению сопротивления в цепи коллектора r_к к сопротивлению в цепи эмиттера r_э.

.

Сопротивление в цепи коллектора r_к определяется параллельным соединением сопротивления коллектора R_к и сопротивления нагрузки R_н, роль которого может играть, например, входное сопротивление следующего каскада:

Сопротивление в цепи эмиттера r_Э это сопротивление эмиттерного перехода, равное r_э = 25мB/I_э, причем в силу малости тока базы можно считать I_э ≈ I_к Если в цепи эмиттера включен резистор сопротивлением R_э, то коэффициент усиления следует рассчитывать по формуле:

Важными параметрами транзисторного каскада являются также входное и выходное сопротивления.

Входное сопротивление усилителя по переменному току определяется как отношение амплитуд синусоидального входного напряжения U_вхm и входного тока I_вхm

Входное сопротивление усилителя по переменному току вычисляется как параллельное соединение входного сопротивления транзистора r_i = β_ACr_э резисторов в цепи смещения базы. В схеме рис.4.4 используется один резистор R_б , поэтому входное сопротивление каскада равно:

Значение дифференциального выходного сопротивления схемы находится по напряжению U_ххm холостого хода на выходе усилителя и по напряжению U_выхm, измеренному для сопротивления нагрузки R_н , из следующего уравнения, решаемого относительно r_вых:

Выбор рабочей точки транзисторного каскада определяет особенности работы транзисторного каскада. Максимальная величина неискаженного переменного напряжения на выходе может быть получена при условии, когда в статическом режиме постоянное напряжение на коллекторе равно половине напряжения коллекторного источника питания U_к = E_к/2.

При неудачном выборе амплитуды входного сигнала и величины базового смещения возникают искажения: выходное напряжение принимает несинусоидальную форму. Для устранения искажений нужно скорректировать положение рабочей точки или уменьшить амплитуду входного сигнала.

Порядок выполнения:

Для изучения работы транзистора установите лабораторный модуль Lab4A на макетную плату лабораторной станции NI ELVIS II. Внешний вид модуля показан на рис. 1.6

Рис.1.6. Внешний вид модуля Lab4A для изучения работы триггеров

Запустить на компьютере программу transistor.vi

После ознакомления с целью работы нажмите кнопку «Начать работу». На экране появится ВП, необходимый для выполнения задания 1 (рис. 1.7)

Задание 1. Определение коэффициента передачи биполярного транзистора по постоянному току.

Рис. 1.7. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1

Задавая различные значения напряжения базы E_б и напряжения коллектора Е_к, определите значение статического коэффициента усиления транзистора β_DC . Заполните таблицу 1.1 Сделайте вывод о влиянии напряжения коллектор-эмиттер U_кэ на коэффициент усиления транзистора.

Таблица 1.1

Eб, В	Ек, В	Iк, мА	Iб, мкА	Uкэ, В	βDC
1,25	2,5
2,5	2,5
5	2,5
1,25	5
2,5	5
5	5

Задание 2. Получение входной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. (рис. 1.8)

Рис. 1.8. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2

Установите значение напряжения питания коллектора Е_к , равным 3 В. Нажмите на панели кнопку «Снять ВАХ». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости входного тока I_б транзистора от входного напряжения U_бэ. Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе на страницу отчета.

Вычислите дифференциальное входное сопротивление транзистора при изменении базового тока от 10 мкА до 40 мкА по формуле r_вх = ΔU_бэ/ΔI_б , для этого выставляя напряжение ЭДС базы E_б установите необходимый ток I_б и запишите соответственное ему значение U_бэ Полученное значение запишите в отчет.

Задание 3. Получение семейства выходных характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. (рис.1.9)

Рис. 1.9. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3

Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». Далее нажмите «Снять ВАХ»

На графическом индикаторе ВП появятся графики зависимостей коллекторного тока I_к от напряжения коллектор-эмиттер U_кэ, полученные при плавном изменении напряжения на коллекторе транзистора от 0 до 10 В и фиксированных значениях напряжения источника ЭДС базы Е_б = 0,6 В; 0,74 В; 0,88 В; 1,02 В; 1,16 В (напряжение меняется программно и подается на транзистор. После проведения всех измерений график выводится на индикатор). Установившиеся при этом значения тока базы I_б и напряжения база-эмиттер U_бэ отображаются на специальном поле.

Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе, на страницу отчета.

По ВАХ определите ток коллектора I_к при различных значениях тока базы I_б (при фиксированном U_кэ = 3 В). Для этого с помощью расположенного на панели ВП ползункового регулятора «X» установите вертикальную визирную линию напротив деления «3 В» горизонтальной оси графика выходных характеристик. Затем с помощью горизонтальной визирной линии, перемещаемой ползунковым регулятором «Y», получите значения коллекторного тока в точках пересечения выходных характеристик с вертикальным визиром. Полученные результаты запишите в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

Uб, В	Iб, мкА	Uкэ, В	Iк, мА
		3
		3
		3
		3
		3

Определите коэффициент передачи тока β_AC при изменении тока базы в диапазоне от 10 мкА до 40 мкА по формуле β_AC = ΔI_к / ΔI_б. Полученное значение запишите в отчет.

На выходных ВАХ построить нагрузочную характеристику по уравнению U_кэ = Е_к – R_кI_к. Характеристика строится по 2-м точкам. В режиме холостого хода I_к = 0, значит U_кэ = Е_к = 3 В. В режиме короткого замыкания U_кэ, отсюда I_к = E_к / R_к.

Оцените по выходным характеристикам и линии нагрузки значения тока коллектора I_к.п и тока базы I_б.п в рабочей точке, для которой U_к = Е_к / 2. Полученные значения запишите в отчет.

Задание 4. Установка рабочей точки транзисторного каскада с общим эмиттером (рис. 1.10)

Рис. 1.10. Лицевая панель ВП при выполнении задания 4

Установите с помощью органов управления ВП амплитуду напряжения источника входного гармонического напряжения u_вх.m = 0, и величину напряжения источника ЭДС коллектора Е_к = 3 В. Нажмите кнопку «Измерение».

На графике выходных характеристик транзистора появится изображение линии нагрузки. Сравните его с изображением полученным ранее.

Регулируя ЭДС источника смещения базы Е_б, установите значение тока базы I_б, равное I_б.п, полученному ранее. Измерьте и запишите в табл.1.3 параметры статического режима транзисторного усилителя с общим эмиттером.

Таблица 1.3

Iб, мкА	Uбэ, В	Iк, мА	Uкэ, В

Плавно увеличивая амплитуду входного сигнала u_вх.m, получите на графическом индикаторе ВП максимальный неискаженный выходной сигнал. Скопируйте изображение выходного сигнала в отчет. Сопоставьте осциллограммы и сделайте вывод о соотношении фаз входного и выходного сигналов транзисторного каскада с общим эмиттером.

Определите коэффициент усиления по напряжению. Для этого амплитуду выходного сигнала поделите на величину амплитуды входного сигнала. . Результат запишите в отчет.

Исследуйте, как влияет положение рабочей точки на работу транзисторного каскада с общим эмиттером. Для этого, регулируя напряжение ЭДС источника смещения базы Е_б, измените значение тока базы примерно на 30% от величины I_б.п, сначала в сторону увеличения, а затем в сторону уменьшения. Пронаблюдайте характер искажения выходного сигнала. Скопируйте в отчет изображение, полученное на графическом индикаторе ВП в обоих случаях. Объясните причину наблюдаемых искажений выходного сигнала.

По окончании работы нажмите «Завершение работы»

Контрольные вопросы

1.Устройство и назначение биполярного транзистора.

2. Чем отличаются транзисторы типа р-n-р от транзистора n-р-n типа?

3. Какие бывают схемы включения транзисторов?

4. Для чего применяются различные схемы включения транзисторов?

5. Какие зависимости характеризуют работу транзисторов для различных схем включения?

6. Каково назначение элементов усилительного каскада с общим эмиттером?

7. Что такое переходная характеристика усилителя ?

8. Как построить переходную характеристику усилителя?

9. Что такое линия нагрузки усилителя ?

10. Как построить линию нагрузки усилителя?

11. Почему рабочую точку выбирают в середине линейного участка переходной характеристики транзистора?

Лабораторная работа №2

Исследование характеристик тиристора и управляемого выпрямителя

Цель работы:

– исследование вольтамперной характеристики и определение параметров тиристора;

– получение семейства статических характеристик тиристора;

– исследование работы регулируемого однополупериодного выпрямителя;

Теоретическое введение.

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами (рис. 2.1) и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Рис. 2.1. Структура (а) и условное графическое обозначение (б) тиристора

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольтамперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления (рис. 2.2). По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Рис. 2.2. Вольтамперная характеристика тиристора

Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.

В точке 1 происходит включение тиристора. Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).

В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.

Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.

Участок между 4 и 5 – режим обратного пробоя.

Имеется большое многообразие различных типов тиристоров: динисторы и тринисторы, т.е. характеризуемые по количеству внешних выводов, однооперационные и двухоперационные (запираемые), т.е. отличающиеся по способности управляющего электрода как отпирать, так и запирать ток в силовой цепи, фототиристоры, т.е. управляемые световым излучением и т.д. (рис. 2.3). Среди них следует выделить:

– запираемые тиристоры (см. рис. 2.3, а);

– быстродействующие тиристоры для инверторов (с временем выключения менее 10 мкс);

– диодные тиристоры (динисторы), включаемые импульсом прямого напряжения (см. рис. 2.3, б);

– асимметричные тиристоры, в которых обычный тиристор интегрально объединен с встречновключенным силовым диодом, обеспечивающим протекание встречного для тиристора тока (см. рис. 2.3,в);

– объединенные конструктивно пары встречновключенных тиристоров (симисторы) (см. рис. 2.3, г);

– оптотиристоры, управляемые световым потоком (см. рис. 2.3,д).

Все они имеют свои области рационального применения.

а) б) в) г) д)

Рис. 2.3

Запираемые тиристоры. Неполная управляемость обычных (традиционных) тиристоров существенно снижает эффективность их применения. Для устранения этого недостатка созданы и продолжают разрабатываться тиристоры, запираемые сигналом, подаваемым на управляющий электрод. Среди них в настоящее время чаще всего выделяют три вида запираемых тиристоров:

– запираемый тиристор (GTO), переключаемый в открытое состояние и, наоборот, путем подачи на управляющий электрод сигналов соответствующей полярности;

– тиристор, коммутируемый по управляющему электроду (GCT), и его разновидность (IGCT), отличающийся наличием интегральной схемы управления;

– тиристор с полевым управлением (МСТ), который содержит два полевых транзистора, один из которых обеспечивает процесс включения, подавая импульс тока на управляющий электрод, а другой - аналогично - процесс выключения тиристора.

Благодаря возможности управления моментом включения тиристоры применяются в схемах управляемых выпрямителей.

Простейшая схема регулируемого выпрямителя на одном тиристоре приведена на рис. 2.4а.

Для включения тиристора необходимо выполнить два условия: напряжение на аноде тиристора должно быть положительным (но не превышающим напряжение U_пр.вкл) и к управляющему электроду должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее отпирающему току. Первое условие выполняется для положительных полуволн напряжения сети u_вх (рис. 2.4б), а для выполнения второго условия к управляющему электроду тиристора подводится отпирающий импульс u_у (рис. 2.4в). После включения тиристора управляющий электрод теряет управляющие свойства, поэтому его выключение произойдет, когда мгновенное напряжение на аноде станет равным нулю.

а)

Рис. 2.4. Схема регулируемого выпрямителя (а) и диаграммы напряжений на его входе (б), управляющем электроде тиристора (в) и выходе (г)

Форма импульсов напряжения u_н на резистивной нагрузке R_н без фильтра приведена на рис. 2.4г. Очевидно, что момент включения тиристора можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения сети, то есть 0 < α < π, где α – угол сдвига управляющего импульса относительно момента u_вх = 0, называемый углом включения. Таким образом, длительность включенного состояния тиристора определяется выражением:

,

где Т – период колебания входного напряжения и_вх. Тогда среднее напряжение на нагрузке будет равно:

.

При этом если тиристор включается при α = 0, то среднее выпрямленное напряжение на нагрузке U_н.ср. будет максимальным, а если α = π, то напряжение U_н.ср. = 0. Такой способ управления тиристором называется фазоимпульсным.

Порядок выполнения.

Для изучения работы тиристоров установите лабораторный модуль Lab2A на макетную плату лабораторной станции NI ELVIS II. Внешний вид модуля показан на рис. 2.4

Рис.2.5. Внешний вид модуля Lab2A для изучения работы триггеров

Запустить на компьютере программу tiristor.vi

После ознакомления с целью работы нажмите кнопку «Начать работу». На экране появится ВП, необходимый для выполнения задания 1 (рис. 2.6)

Рис. 2.6. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1

– Установите с помощью регулятора, находящегося на передней панели ВП, напряжение источника питания в цепи управляющего электрода Е_упр примерно равным 0,5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости анодного тока I_а тиристора от напряжения на аноде U_a. Линия красного цвета соответствует режиму монотонного увеличении анодного напряжения U_a от 0 В до 4 В, а линия синего цвета - режиму монотонного уменьшения анодного напряжения от 4 В до 0 В при неизменном напряжении управления Е_упр. Отрезки пунктирных линий соответствуют не поддающимся измерению с помощью данного ВП разрывам на ВАХ в моменты переключения тиристора.

– Постепенно уменьшая напряжение на управляющем электроде и каждый раз нажимая при этом кнопку «Измерение» для построения ВАХ, определите и запишите в отчет минимальное напряжение источника ЭДС управления E_ynр.min, при котором в условиях эксперимента происходит включение тиристора. Ориентируясь на показания цифровых индикаторов на передней панели ВП, определите и запишите в отчет результаты измерения тока управления I_упр, и напряжения на управляющем электроде U_ynp, соответствующих данному режиму работы тиристора.

Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе на страницу отчета.

– Определите величины анодного тока I_а и напряжения на аноде U_а в момент включения тиристора. Для этого, управляя с помощью ползункового регулятора Е_а, расположенного на передней панели ВП, положением курсора на графике ВАХ, установите курсор около точки включения. Запишите в отчет показания амперметра I_а.вкл и вольтметра U_а.вкл.

– Определите остаточное напряжение на тиристоре. Для этого с помощью регулятора Е_а установите курсор на крутом участке ВАХ в точке, соответствующей анодному току I_а= 5 мА. Запишите в отчет показания вольтметра U_a, соответствующие остаточному напряжению U_а.ост.

– Определите ток и напряжение выключения тиристора. Для этого с помощью регулятора Е_а установите курсор около точки выключения. Запишите в отчет показания амперметра I_а, соответствующие току выключения I_а.выкл и показания вольтметра U_а, соответствующие напряжению выключения U_а.выкл.

– Постепенно увеличивая напряжение на управляющем электроде и, нажимая при этом кнопку «Измерение» для построения ВАХ, определите и запишите в отчет напряжение на выходе источника ЭДС управления Е_упр.max , начиная с которого на ВАХ тиристора отсутствует пологий участок. Также определите и запишите в отчет соответствующие этому режиму ток управления I_упр, и напряжение на управляющем электроде U_yпp.

Задание 2. Получение семейства статических характеристик тиристора (рис.2.7)

Рис.2.7. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2

– С помощью цифровых элементов управления, расположенных на передней панели ВП, установите полученные при выполнении задания 1 минимальное E_упр.min и максимальное Е_упр.mах значения напряжения на выходе источника ЭДС управления. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится изображение семейства статических характеристик тиристора, представляющих собой зависимости анодного тока от напряжения на аноде при фиксированных значениях тока управляющего электрода I_упр. Установившиеся при этом значения I_упр и U_упр отображаются на поле ВП.

Скопируйте изображение семейства статических характеристик тиристора, полученное на графическом индикаторе, на страницу отчета. Для каждой кривой отметьте соответствующие значения напряжения управления U_упр.

– Для каждой полученной характеристики определите анодный ток I_а.вкл и напряжение на аноде U_а.вкл в момент включения тиристора. Для этого используйте горизонтальную и вертикальную визирные линии, перемещаемые с помощью соответствующих ползунковых регуляторов «Y» и «X», снабженных цифровыми индикаторами для считывания показаний. Полученные результаты запишите в отчет. Постройте график зависимости U_а.вкл = f (U_упр).

Задание 3. Исследование работы управляемого однополупериодного выпрямителя (рис.2.8)

Рис.2.8. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3

– При выполнении данного задания используется входной сигнал синусоидальной формы. С помощью элементов управления ВП установите следующие параметры входного сигнала: частота примерно 200 Гц, амплитуда примерно 3,0 В. С помощью ползункового регулятора схемы управления (схема управления реализована в LabVIEW программно) установите задержку импульсов управления относительно входного сигнала, соответствующую углу включения тиристора, равному примерно 60 градусов. На верхнем графическом индикаторе можно наблюдать изображение входного сигнала (синий цвет) и импульсов управления (красный цвет), на нижнем– выходное напряжение на нагрузке U_н (синий цвет) и средний уровень этого напряжения U_н.ср. (красный цвет).

Скопируйте изображения обоих графических индикаторов в отчет.

– Определите диапазон изменения угла включения тиристора (α_min, α_max), в котором средняя величина напряжения на нагрузке изменяется соответственно от максимального до минимального значения. Для этого с помощью ползункового регулятора схемы управления плавно изменяйте угол включения от 0 до 180 град., контролируя форму напряжения на нагрузке по графическому индикатору, а среднюю величину напряжения по цифровому индикатору U_н.ср. Полученные граничные значения угла включения и величины среднего напряжения на нагрузке запишите в отчет.

– Построите график зависимости U_н.ср = f(α)

– Вычислите разность между амплитудой входного сигнала и максимальным мгновенным напряжением на нагрузке ΔU = U_вх.m – U_н.max. Сравните полученное значение с величиной остаточного напряжения тиристора U_a.ocm, определенное ранее.

Контрольные вопросы

1. Что такое управляемый выпрямитель?

2. Для чего создаются управляемые выпрямители?

3. Какова область применения управляемого выпрямителя?

4. Каковы особенности работы управляемых вентилей в цепях переменного тока?

5. Каковы особенности работы управляемых вентилей при работе на активно-индуктивную нагрузку?

6. Принцип работы тиристора.

7. Вольтамперная характеристика тиристора.

Лабораторная работа №3