отчет лаба 1 схемота-1
.docx
ФЕДЕРАЛЬНОЕ
АГЕНСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА
(РОСАВИАЦИЯ)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ» (МГТУ ГА)
Кафедра вычислительных машин, комплексов, сетей и систем.
Лабораторная работа защищена с оценкой ____________________
____________________
(подпись преподавателя, дата)
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
по дисциплине «Схемотехническое моделирование».
Тема: «Исследование схем на полупроводниковых диодах.»
Выполнила студентка группы ИС3-1
Магальник Екатерина Борисовна
Руководитель: Затучный Дмитрий Александрович
МОСКВА – 2024
Теоретическая часть.
Источник переменного напряжения (AC) — это устройство или система, генерирующие электрический ток, который периодически меняет направление и величину. AC источники широко используются в электрических сетях из-за их способности легко передавать энергию на большие расстояния.
Основные характеристики:
Частота: определяет, как часто ток меняет направление в секунду. В большинстве стран это 50 или 60 Гц.
Амплитуда: пиковое значение напряжения.
Форма волны: обычно синусоидальная, но может быть треугольной или прямоугольной.
Типы источников:
Генераторы: используются в электростанциях для производства переменного напряжения.
Инверторы: преобразуют постоянное напряжение в переменное.
Трансформаторы: изменяют уровень напряжения, сохраняя его переменным.
Применение:
Домашняя электрическая сеть.
Промышленные предприятия.
Электронные устройства.
Диод - полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, обладающий вентильным свойством (ток в одном из направлений проводиться значительно лучше, чем в другом).
p-n переход возникает в небольшой зоне соединения полупроводника р-типа и полупроводника n-типа, в которой происходит диффузия электронов из n-области в р-область. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на границе р-n перехода в обе стороны не возникает область, свободная от основных носителей (свободных дырок или электронов примеси), которая называться обеднённой. Кроме того, на подложке присутствуют ещё и неосновные носители зарядов, возникающие в результате тепловых процессов. В обеднённой зоне возникает внутренняя ЭДС, которая называется потенциальным барьером, препятствующая дальнейшему движению электронов через р-n переход при достижении равновесия. Для того, чтобы преодолеть барьер, необходимо подключить внешний источник ЭДС.
Вольт-амперная характеристика диода (зависимость тока, протекающего через диод от приложенного к нему напряжения) описывается выражением:
,
где:
IS - значение тока насыщения, теплового или обратного тока.
UД - напряжение на р-n переходе (на диоде).
t = k*T/q - тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе p-n перехода при отсутствии внешнего напряжения (при нормальной температуре t = 0.025B).
k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, q - заряд электрона.
Рисунок 1 – ВАХ диода.
Полупроводниковый диод характеризуется статическим и дифференциальным (динамическим) сопротивлениями, легко определяемыми по ВАХ. Дифференциальное сопротивление (RД) численно равно отношению бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока в заданном режиме работы диода и может быть определено графически как котангенс угла А на ВАХ.
Стабилитрон – полупроводниковый прибор, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя так называемом лавинном пробое (для кремниевого стабилитрона пробой наступает при Uобр=5В). В указанном режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение изменяется незначительно (стабилизируется).
К основным параметрам стабилитрона относятся:
Uст - номинальное напряжение стабилизации при заданном токе;
Rд - дифференциальное сопротивление при заданном токе;
Іст - ток стабилизации;
Рст - рассеиваемая мощность;
Іст = (E-Uст)/R;
Рст=Іст*Uст;
Диодный мост — это схема, состоящая из четырёх диодов, соединённых так, чтобы преобразовать переменное напряжение (AC) в постоянное (DC). Электрическая схема диодного моста чаще всего используется для выпрямления переменного тока.
Основные характеристики:
Выпрямление тока: Преобразование переменного тока в постоянный.
Состав: Четыре диода, соединённых в виде моста.
Применение: В блоках питания, зарядных устройствах и других электронных устройствах.
Принцип работы:
Переменное напряжение подается на входы моста.
В течение положительного полупериода два диода пропускают ток, создавая путь для положительного тока.
В течение отрицательного полупериода другие два диода пропускают ток, создавая путь для отрицательного тока, перевернутого в положительный.
Диодный мост позволяет получить непрерывное выпрямленное напряжение, что необходимо для питания большинства электронных компонентов.
Резистор — это пассивный электронный компонент, который ограничивает поток электрического тока в цепи.
Основные характеристики:
Сопротивление: измеряется в омах (Ω) и указывает на способность резистора ограничивать ток.
Мощность: Максимальная мощность, которую резистор может рассеивать без повреждений, измеряется в ваттах (Вт).
Допуск: указывает, насколько сопротивление резистора может отклоняться от номинального значения, выражается в процентах.
Типы резисторов:
Постоянные: имеют фиксированное сопротивление.
Переменные (потенциометры, реостаты): сопротивление можно изменять вручную.
Составные (параллельные и последовательные соединения): используются для получения нужного сопротивления или распределения мощности.
Применение:
Ограничение тока в электрических цепях.
Делители напряжения.
Защита компонентов от перегрузки.
В цепях фильтрации и согласования сигналов.
Трансформатор — это электрическое устройство, предназначенное для изменения уровня напряжения переменного тока (AC) при неизменной частоте.
Основные характеристики:
Первичная обмотка: подключается к источнику напряжения.
Вторичная обмотка: подключается к нагрузке.
Коэффициент трансформации: Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток, определяющее изменение напряжения.
Мощность: измеряется в вольт-амперах (ВА), показывает максимальную мощность, которую трансформатор может передать без перегрева.
Типы трансформаторов:
Силовые: используются в энергосистемах для передачи и распределения электрической энергии.
Измерительные: применяются для измерения тока и напряжения.
Автотрансформаторы: имеют общую часть обмоток для экономии материалов и места.
Импульсные: используются в электронных устройствах для преобразования импульсов.
Применение:
Передача электроэнергии на большие расстояния.
Понижение/повышение напряжения в распределительных сетях.
Изоляция цепей для безопасности.
Стабилизация напряжения в различных устройствах.
Задание 1А. Бестрансформаторный однополупериодный выпрямитель. Соберите схему и запустите ее. Зарисуйте полученные графики.
Рисунок 2 – схема из задания 1А без конденсатора.
Рисунок 3 – окно настройки выходных графиков.
Рисунок 4 – графики, полученные при выполнении задания 1А.
Рисунок 5 – схема из задания 1А с добавлением конденсатора.
Рисунок 6 – графики, полученные при выполнении задания 1А.
Задание 1Б. Снятие ВАХ. Прямая ветвь ВАХ. Соберите схему и включите ее. Запишите напряжения Uпр и тока Iпр диода, устанавливая при этом значения источника от 5В до 0В.
Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод и последовательно устанавливая значения ЭДС источника равным 0В, 5В, 10В, 20В, 25В, 30В и запишите значения Iоб, Uоб. Результаты запишите в таблицы. По таблице постройте графики зависимости Iпр(Uпр) и Iоб(Uоб).
Рисунок 7 – схема для получения ВАХ.
Рисунок 8 – окно настройки выходных графиков.
Рисунок 9 – график, полученный при выполнении задания 1Б.
Рисунок 10 – обратное включение диода для отображения ВАХ.
Рисунок 11 – график, полученный при выполнении задания 1Б.
Задание 2А. Измерение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора. Соберите схему. Значение сопротивления резистора Rl, включённого параллельно стабилитрону, устанавливайте равным 50 Ом, 100 Ом, 200 Ом, 500 и 700 Ом. Значение ЭДС установите равным 30В. Рассчитайте ток Il, протекающий через резистор Rl, а также напряжение Uст на стабилитроне и ток Iст для каждого значения Rl. Этот эксперимент проведите при условии короткого замыкания. Результаты запишите в Таблицу 2А.
Rl, Ом |
Uст, В |
Il, А |
Iст, А |
50 |
12 |
0.24 |
0.36 |
100 |
12 |
0.12 |
0.18 |
200 |
12 |
0.06 |
0.09 |
500 |
12 |
0.024 |
0.036 |
700 |
12 |
0.017 |
0.026 |
Таблица 2А.
Рисунок 12 – схема из задания 2А.
Рисунок 13 – окно настройки выходных графиков.
Рисунок 14 – график, полученный при выполнении задания 2А.
Задание 3А. Исследование двухполупериодного выпрямителя. Соберите схему. Зарисуйте диаграммы входного и выходного напряжений. По диаграмме выходного напряжения определите период. Вычислите значение максимального обратного напряжения Umax на диоде и среднее значение выходного напряжения <Ud>.
Рисунок 15 – схема из задания 3А.
Рисунок 16 – окно настройки выходных графиков.
Рисунок 17 – графики, полученные при выполнении задания 3А.
Рисунок 18 – схема из задания 3А с фильтром.
Рисунок 19 – окно настройки выходных графиков.
Рисунок 20 – графики, полученные при выполнении задания 3А.
Период выходного напряжения (T): период становится вдвое меньше по сравнению с входным.
Задание 3Б. Исследование мостового выпрямителя. Соберите схему. Выполните пункт 3А только для мостового выпрямителя. Дополнительно вычислите коэффициент трансформации (отношение амплитуд напряжений на первичной и вторичной обмотке трансформатора в режиме, близком к холостому ходу).
Рисунок 21 – схема из задания 3Б.
Рисунок 21 – окно настройки выходных графиков.
Рисунок 22 – графики, полученные при выполнении задания 3Б.
Коэффициент трансформации будет равен отношению Uперв к Uвтор. При холостом ходе Uперв = 220В, а Uвтор = 20В. Таким образом получим k = Uперв/Uвтор = 220/20 = 11.
Вывод: В ходе выполненной лабораторной работы была достигнута цель, заключающаяся в изучении конструкции, принципов действия и классификации полупроводниковых диодов. Мы освоили методы моделирования основных типов схем с использованием полупроводниковых диодов в среде Micro-Cap Evaluation 9.
Мы исследовали различные характеристики и параметры диодов, включая их вольт-амперные характеристики (ВАХ). Построение ВАХ позволило нам лучше понять поведение диодов при различных значениях напряжения и тока на их контактах.
Работа продемонстрировала важность и применение полупроводниковых диодов в электронных схемах, а также закрепила навыки использования программы Micro-Cap для симуляции и анализа электронных компонентов.