лаб4_рэ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

«Челябинский государственный университет»

(ФГБОУ ВПО «ЧелГУ»)

Физический факультет

Кафедра радиофизики и электроники

ОТЧЕТ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ТЕМА: Полупроводниковый диод. Выпрямители тока.

ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ
Агеев А.А.
Академическая группа	ФФ-204	Курс	2
(подпись) « » 2024г.
ПРОВЕРИЛ
Зотов И.С.
ОЦЕНКА:
(подпись) « » 2024г.

Челябинск

2024

Лабораторная работа №4.

Полупроводниковый диод. Выпрямители тока.

Цель работы: На практике апробировать математический аппарат, описывающий цепи постоянного тока.

Оборудование: лабораторный блок питании, вольт метр, амперметр, набор резисторов Е24 (либо 3 шт переменных резистора 50К), набор светодиодов.

Краткая теория:

В данной работе рассматриваются свойства и характеристики полупроводниковых диодов, а также схемы их применения в цепях переменного тока в качестве выпрямительных приборов.

1.Полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод - это двух электродный полупроводниковый прибор, принцип работы которого основан на физических свойствах p-n перехода, обладающий односторонней проводимостью и часто использующейся в схемах выпрямления переменного тока (рис.1).

Рис.1.

Главные параметры хорошо иллюстрирует вольтамперная характеристика полупроводникового диода (рис.1), которая обладает типовыми особенностями характерными для многих полупроводниковых приборов на основе p-n перехода.

Рис.2. Типичная вольтамперная характеристика полупроводникового диода.

Одним из главных параметров диода является максимально допустимый ток, протекающий в прямом направлении, этот ток определяет мощность подключаемых к выпрямителю потребителей. У выпрямительных диодов общего применения он в основном варьируется в диапазоне 100мА – 10А. Выше величины в 10А идут сверхмощные выпрямительные диоды требующие наличие дополнительных систем пассивного и активного охлаждения. Следующим важным параметром является напряжение открытия диода (напряжение порога проводимости) – это напряжение, при котором через диод начинает протекать ток существенной величины (1% от Imax). Величина напряжения открытия диода различна и зависит от конкретного типа полупроводникового прибора, например у кремневых диодов, это значение лежит в пределах 700-800мВ. Принято считать, что полупроводниковый диод не проводит ток в обратном направлении, в первом приближении это действительно так, однако надо помнить, что всегда существует обратный ток (ток утечки), он имеет крайне малые значения, в среднем 1 -10мкА, которыми можно пренебречь в большинстве случаев. Последним важнейшим параметром является напряжение пробоя – это максимально возможное обратное напряжение, которое может выдержать полупроводниковый прибор. В подавляющем большинстве случаев превышение этого напряжения приводит к неконтролируемому росту обратного тока и выходу полупроводникового прибора из строя.

2. Однополупериодный выпрямитель.

Простейшим выпрямителем переменного тока является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис.3). Он представляет собой простой делитель напряжения, состоящий из соединенных последовательно диода и нагрузочного сопротивления.

Рис.3.

Принцип работы схемы становиться понятен из анализа осциллограмм входного и выходного напряжений (рис.4) и вольтамперной характеристики полупроводникового диода (рис.2). При отрицательном полупериоде входного напряжения Uin ток через диод Io практически не течет, при этом сопротивление диода велико, много больше сопротивления нагрузки (Rд>>Rн). Следовательно, как следует из формулы (см.лаб.1) для расчета делителя напряжения, на диоде упадет практически все отрицательное напряжение, при этом на нагрузки будет действовать отрицательное напряжение Uout близкое к нулю.

Рис.4.

При положительном полупериоде входного напряжения Uin диод открывается в прямом направлении и через него течет ток достаточный для питания нагрузки, при этом сопротивление диода имеет небольшое значение (Rд<<Rн) и почти все положительное напряжение, падает на нагрузке, при этом: Uout = Uin - ∆U.

3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Более эффективным выпрямителем переменного тока является мостовая схема (рис.5), состоящая из четырех полупроводниковых диодов.

Рис.5

Положительный полупериод входного тока проходит через одну пару диодов, отрицательный полупериод через другую, в результате чего эффективность преобразования напряжение существенно возрастает (рис.6).

Рис.6.

Здесь надо отметить, что хоть выходное напряжение и перестало быть отрицательным, но для большинства потребителей такое питающее напряжение Uout является непригодным к использованию вследствие слишком сильных пульсаций. По этой причине в схемах выпрямителей переменного тока на выходе обязательно должны быть сглаживающий конденсатор C либо LC фильтр нижних частот, предназначенные для сглаживания пульсаций выходного напряжения (рис. 7).

Рис.7.

При росте входного напряжения конденсатор практически мгновенно заряжается через диод, имеющий низкое сопротивление, при уменьшении входного напряжение конденсатор отдает накопленную энергию и относительно медленно разряжается на выходное нагрузочное сопротивление (т.к. Rд<<Rн).

Рис.8.

Экспериментально величину небольших пульсаций выходного напряжения можно приближенно оценить по соотношению: 100%*∆U/Umax. Для оценки пульсаций напряжения величиной более 10% необходимо использовать усредненное значение пульсирующего напряжения: 100%*∆U/Uсред. Более точное определение пульсаций возможно только с применением инструментов и методов спектрального анализа сигналов. На уровень пульсаций выпрямленного входного напряжения напрямую влияют параметры конденсатора и сопротивление нагрузки. Чем мощнее нагрузка, тем большей ёмкости конденсатор необходим для сглаживания пульсаций выходного сигнала.

Задание

Определит теоретически и практически ∆U и Uоткр

Построить график зависимости ∆U от Rн=0,1Ом-100К рассчитать Imax. для реального диода (пояснить )

Построить график зависимости пульсаций (∆Uout/Umax out *100%) выходного напряжения от C и R

Ход работы:

1.Полупроводниковый диод.

1.1.Изучите схему, изображенную на рис..

Рис..

1.2. BA158GP

1.4. Соберите схему, изображенную на рис..??? и проведите измерения вольтамперной характеристики полупроводникового диода и постройте график зависимости Iд=f(Uд).

Uin, В	Iд, А	Uд, В
0	0	0
0,1	0,0000001	0,1
0,3	0,000000301	0,3
0,4	0,000000452	0,4
0,5	0,000002987	0,5
0,6	0,0001194	0,6
0.65	0,0008217	0,65
0,7	0,005647	0,7
0,755	0,0475	0,755
0,8	0,2683	0,7997
0,81	0,393	0,8095
0,85	1,751	0,8482
0.9	9,106	0,8909
1	60,24	0,9398

2. Однополупериодный выпрямитель.

2.1.Изучите схему, изображенную на рис..

Рис..

2.2. Соберите схему, изображенную на рис..??? и проведите измерения указанные далее, номинал резистора R=1КОм

2.3.

∆U=Uin-Uout=14.0567-13.3339=0.7228В

Uоткр=0.748В

2.4.

𝐼=∆U/𝑅=0,7228 mA

3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

3.1.Изучите схему, изображенную на рис..

Рис..

3.2. Соберите схему, изображенную на рис..???, номинал резистора R=1КОм и зарисуйте осциллограмму выходного напряжения.

3.3. Изучите схему, изображенную на рис..

3.4. Соберите схему, изображенную на рис..??? и проведите измерения указанные далее.

3.5. При фиксированном значение конденсатора С=100мкФ, построить график зависимости ∆U=f(Rн) Rн=0,1Ом-100КОм.

Rн, Ом	U, В	Umax, В	∆U,В	(∆Uout/Umax out *100%
0,1	0,932	12,1256	11,1936	92,31
1	1,0795	12,2568	11,1773	91,16
10	1,4959	12,4536	10,9577	87,99
100	7,8058	13,0141	5,2083	40
1000	12,1918	12,9781	0,7863	6,06
10000	12,6662	12,7453	0,0791	0,62
100000	12,8282	12,8282	0	0

3.6. Построить графики зависимости пульсаций (∆U/Umax *100%) выходного напряжения от C и R