TX7Eh4KK48

Лабораторная работа 2. ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ ДИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

2.1. Исследование диодного выпрямителя

Простейшим примером использования выпрямительных свойств диодов служит схема, представленная на рис. 2.1. Преобразование переменного тока в постоянный по направлению ток осуществляется с помощью диода.

При действии положительного полу-

напряжение практически равно нулю.

Величина Rобр оценивается ориентировочно отношением Vобр к току насыщения Iобр. Для диода 1N4148 обратный ток составляет Iобр ≈ 7 · 10–9 А. При Vобр = 5 В сопротивление диода в обратном направлении равно

Rобр = 5/(7 · 10–9 ) ≈ 700 · 106 Ом.

При построении схемы (рис. 2.1) источник синусоидального сигнала V1

вводится из меню Component > Analog Primitives > Waveform Sources > Voltage Sources. После фиксации источника V1 на схеме открывается диалоговое окно задания параметров. В строке VALUE для источника задается сигнал sin(0 50V 50H), где первая цифра в скобках – постоянная составляющая, 50V (50 В) – амплитуда сигнала, 50H (50 Гц) – частота сигнала.

Построение графиков переходных характеристик выполняется при выборе меню Analysis > Transient. Параметры моделирования задаются в открывшемся диалоговом окне согласно данным, приведенным в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Встроке Time Range указывается длительность временного интервала по оси X. Обычно этот интервал времени выбирается равным двум периодам входного сигнала (40 мс).

Встолбце X Expression отмечается переменная T, а в столбце X Range указывается максимальное время по оси X, обычно равное значению Time Range. В ячейках столбца Y Expression отмечаются выводимые на график функции:

V(V1) – напряжение источника сигнала; V(R1) – напряжение на выходе схемы; V(D1) – падение напряжения на диоде.

Вграфе Y Range устанавливаются границы отображения этих функций, определяемые по максимальному и минимальному значениям.

Результат моделирования переходного процесса на каждом элементе схемы приведен на рис. 2.2. Необходимо определить, какая из характеристик на графике соответствует каждому элементу схемы.

12

напряжения на диоде V(D1), напряжение на резисторе V(R1) и рассчитать ток в цепи Im = V (R1)/R1.

Координаты соответствующих точек на графике отмечаются в режиме активной пиктограммы .

После исследования характеристик схемы, представленной на рис. 2.1, следует по аналогичной методике провести анализ схемы диодного моста (рис. 2.3) и сравнить результаты, полученные для указанных схем. В схеме рис. 2.3 для всех диодов следует задать модель 1N4148, элементы схемы V1 и R1 задаются аналогично схеме рис. 2.1.

2.2.Исследование характеристик стабилитрона

ивыпрямителя на его основе

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, использующие особенность обратной ветви вольтамперной характеристики на участке пробоя изменяться в широком диапазоне изменения токов при сравнительно небольшом отклонении напряжения (см. рис. 1.1). Это свойство используется при создании специальных устройств – стабилизаторов напряжения.

Вольтамперные характеристики стабилитрона исследуются для схемы рис. 2.4 по методике, изложенной в 1.2. В качестве модели диода следует выбрать 1N3879, R1 = 16 Ом, напряжение источника постоянного напряжения V1 = 100 В. Необходимо построить обратную ветвь ВАХ и определить значение напряжения стабилизации.

Далее необходимо исследовать влияние стабилитрона на характеристики диодного выпрямителя. Для этого необходимо построить схему, изображен-

R1

V1

D1

13

ную на рис. 2.5 и промоделировать переходные процессы в ней (Analysis >

Transient).

Схему рис. 2.5 необходимо исследовать для нескольких значений амплитуды напряжения на источнике синусоидального напряжения (60…120 В с шагом 10 В). Для этого в меню задания параметров моделирования переходных процессов следует нажать кнопку Stepping. На экране появится меню (рис. 2.6), в котором в строке Step what следует указать имя варьируемого параметра – амплитуду синусоидального сигнала sin.va. На следующих строках отмечаются пределы его изменения: From (от) 60 В, To (до) 120 В, Step (шаг) 10 В. В графе Step it следует подтвердить выбор варьируемой переменной выделением Yes. Ввод значений варьируемого параметра заканчивается нажатием кнопки ОК.

Рис. 2.6

Записать амплитудные значения напряжения на каждом из элементов схемы для каждого значения амплитуды напряжения на синусоидальном источнике. Сравнить результаты с результатами, полученными в 2.1. По результатам сравнения необходимо сделать выводы.

Лабораторная работа 3.

ВХОДНАЯ И ПЕРЕДАТОЧНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Биполярный транзистор (БТ) – это полупроводниковый прибор с тремя областями чередующихся типов проводимости и двумя p− n-переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы. Для n− p− n-транзисторов сред-

14

няя р-область – базовая (Б, b – в англоязычных обозначениях) имеет проводимость, противоположную крайним n-областям: эмиттерной (Э, e – в англоязычных обозначениях) и коллекторной (К, c – в англоязычных обозначени-

ях) (рис. 3.1, а).

При использовании транзистора в режиме усиления управляющий переход база– эмиттер (БЭ) смещен в прямом направлении, т. е. открыт, а управляемый переход база– коллектор (БК) – в обратном, т. е. закрыт. Электроны из эмиттера через открытый переход инжектируются в область базы. При достаточно малой ширине базы небольшое количество инжектируемых электронов рекомбинирует с дырками в базе, создавая базовый ток Ib.

Основная часть инжектируемых электронов не успевает рекомбинировать с носителями в области базы и достигает коллекторного перехода. Происходит перенос электрических зарядов через базу из эмиттерной области в коллекторную.

Рис. 3.1

Эмиттерный ток Ie равен сумме базового Ib (входной) и коллекторного Iс (выходной) токов:

Ie = Ib + Ic .

Токи Ie, Ib, Ic связаны соотношениями:

Ic = αIe ,

где коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор α = 0.95...0.99, и

Ic = βIb ,

где β – основной усилительный параметр транзистора, показывающий, во сколько раз ток Ic больше тока Ib:

Ie = Ic + Ib = βIb + Ib = (1 + β)Ib .

15

3.1. Исследование характеристик n−p−n -транзистора

Схема включения транзистора, по которой проводится измерение его входной и передаточной характеристик, представлена на рис. 3.1, б.

Для обеспечения рабочего режима транзистора по постоянному току к его базе через токоограничивающий резистор R1 номиналом 100 кОм подключается источник постоянного напряжения V1 номиналом 20 В, открывающий переход БЭ, а к коллектору – источник напряжения V2 номиналом 10 В, запирающий переход БК.

Транзистор заданного преподавателем типа, например 2N3904, выбирается из библиотеки: Component > Analog Primitives > Active Devices > NPN.

Входная характеристика отражает зависимость базового (входного) тока транзистора Ib от входного напряжения, равного напряжению на переходе БЭ (V1 = Vbe): Ib = f(V1), передаточная – зависимость коллекторного (выходного) тока Ic от входного напряжения: Ic = f(V2).

Для построения графиков входной и передаточной характеристик в схеме (см. рис. 3.1, б) варьируется напряжение БЭ перехода транзистора через определенный интервал при нескольких значениях напряжения V2.

Переход в режим построения характеристик осуществляется по команде

Analysis > DC.

Воткрывшемся диалоговом окне задания на расчет (см. рис. 3.2) в строке Variable 1 в ячейке Name указывается имя варьируемой переменной V1, а

вячейке Range – диапазон ее изменения: максимальное значение напряжения, минимальное его значение и шаг.

Внижней части окна указываются имена переменных, откладываемых по горизонтальной (X Expression) и вертикальной (Y Expression) осям графика. Для графика входной характеристики это, соответственно, напряжение между базой и эмиттером Vbe и ток базы Ib. Для графика передаточной функции это – напряжение Vbe и ток коллектора Ic. Границы диапазона из-

менения напряжения Vbe (X Range) составляют 0.5…0.9 В, базового тока Ib (Y Range) транзистора Q1 – 0…200 мкА, коллекторного тока Ic (X Range) транзистора Q1 – 0…50 мА.

На каждом из построенных графиков (рис. 3.2) по заданному преподавателем значению входного напряжения Vbe1 транзистора и приращению напряжения ∆Vbe отмечаются координаты двух точек при использовании режима элек-

тронного курсора (нажатием клавиши F8 или выбором пиктограммы ).

16

Ib, Ic

В нижней части каждого графика указываются следующие значения:

−координаты маркеров (Left – для левого и Right – для правого);

−разности координат (Delta), т. е. приращения токов ∆I и напряжений ∆V;

−отношение приращений (под заголовком Slope – наклон). Измеренные значения координат заносятся в табл. 3.1. Данные значения

впоследствии будут использованы для расчета параметров транзистора.

3.2. Исследование характеристик p–n–p -транзистора

Аналогично методике, изложенной в 3.1, необходимо исследовать вход-

17

области, что следует учитывать при задании диапазонов значений параметров, выводимых на графики.

3.3.Задание

Спомощью полученных данных по приведенным далее формулам рассчитать:

– статическое rbe и динамическое rbe~ входные сопротивления транзи-

стора:

rbe = Vbe ,

Ib

rbe~ = Vbe ;

Ib

– коэффициенты передачи тока из эмиттера в коллектор α, статический и динамический коэффициенты усиления тока Β и β:

Β= Iс ,

Ib

– крутизну S передаточной характеристики в области выбранной рабочей точки (измеряется в сименсах):

S = βΔIb .

Vbe

Если воспользоваться понятием крутизны входной характеристики транзистора:

Sвх = βΔIb = 1 ,

Vbe rbe~

то можно сказать, что крутизна передаточной характеристики равна крутизне входной характеристики, помноженной на коэффициент усиления тока.

18

На графике выходной характеристики при заданном токе Ib для заданно-

го напряжения Vce с помощью активной пиктограммы наносятся значе-

ния координат первой выбранной точки. На графике другой выходной характеристики при токе (Ib + ∆Ib) для того же заданного напряжения Vce наносятся значения координат второй выбранной точки. Величины Ib, ∆Ib, Vce задаются преподавателем.

По полученным при измерении данным определяются статический и динамический коэффициенты усиления транзистора.

Значения параметров транзистора B и β, рассчитанные по выходным характеристикам, сравниваются с аналогичными, полученными по входной и передаточной характеристикам.

Ic, мА

Vce, Ic, Ib

Vce, В

Рис. 4.2

Каждая выходная характеристика из семейства имеет две характерные области: пологую и крутую. В пологой области коллекторный ток Ic практически не зависит от коллекторного напряжения Vce и определяется соотношением

Ic = βIb.

4.2. Исследование транзистора в ключевых режимах

На рис. 4.3 представлена схема, в которой транзистор выполняет функции электронного ключа. При нулевом уровне входного управляющего сигнала V2 транзистор закрыт и напряжение на выходе схемы равно V1, ключ разомкнут. При входном напряжении V2 ≈ 5 В транзистор открыт и находится в области насыщения, ключ замкнут. При этом уровень выходного сигнала близок к нулевому.

20