Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы микроэлектроники. Практикум
.pdf
лограммы входного и выходного сигналов для частот, составляющих 0,3 F
Фурье этих сигналов, ограниченные первыми тремя лепестками.
Содержание отчёта по работе:
1. Название работы.
2. Номер варианта и результаты расчёта величин F и k.
3. Принципиальные схемы, подлежащие исследованию.
4. Результаты измерений в табличной форме и кратко сформулированные выводы.
5. Полученные в ходе выполнения работы осциллограммы и
спектрограммы сигналов.
6. Результаты измерений и расчётов по каждому из заданий с
обязательной записью формул и хода вычислений.
7. АЧХ и ФЧХ цепи, изображённой на рис. 5.
Контрольные вопросы и задания:
1. Почему при выполнении задания 4 сгорает именно резистор R2 (либо одновременно оба резистора), но не выходит из
строя один только R1 (а R2 остается целым)?
2. Опишите устройство и изложите принцип работы электронного осциллографа.
3. Поясните принцип работы измерителя АЧХ.
4. Что называется коэффициентом передачи цепи?
5. Поясните смысл выражения «спектральный состав сигнала».
6. Какими параметрами характеризуется синусоидальный
сигнал?
7. Перечислите известные вам характеристики периодического импульсного сигнала прямоугольной формы.
и 3 Fср. Получите и скопируйте для отчёта спектры
ср
1
11
2
Лабораторная работа № 2
Однофазные выпрямители
Цель работы: исследование работы одно- и двухполупериод-
ного выпрямителя переменного тока, работающего на активную
нагрузку при отсутствии фильтрации выпрямленного напряжения и с применением простейших пассивных фильтров.
Теоретическая часть:
Выпрямителем называют устройство, предназначенное для
преобразования переменного тока в постоянный или пульсирующий ток одного направления. В подавляющем большинстве
случаев речь идёт о выпрямлении синусоидального напряжения
промышленной частоты, поступающего потребителю по проводам сети (в нашей стране параметры сети 220 В и 50 Гц).
С точки зрения электротехники выпрямители следует отнести
ко вторичным источникам электропитания инверторного типа.
Однако для получения напряжения нужной величины и гальванической развязки от сети применяют трансформаторы (конверторы). Простейший трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток – первичной и вторичной (рис. 1).
Рис. 1. Устройство (а) и условное графическое обозначение (б)
Первичная обмотка подключается к источнику переменного
напряжения U
переменный ток I
12
трансформатора
. Действие трансформатора основано на том, что
1
, пропускаемый по первичной обмотке, вызы-
1
вает изменение магнитного потока в сердечнике, которое приво-
mm
дит к возникновению во вторичной обмотке ЭДС индукции. При
подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки эта ЭДС
будет создавать в ней ток I
цепи будет передаваться в цепь вторичной обмотки.
Основным элементом выпрямителя является вентиль – нелинейный элемент, обладающий практически односторонней проводимостью. Именно вентиль преобразует переменный ток в
пульсирующий ток одного направления, в котором присутствует
«полезная» постоянная составляющая (которой не было на входе
выпрямителя) и «вредная» переменная составляющая (пульсации).
В качестве вентилей обычно применяют полупроводниковые приборы – диоды (неуправляемые вентили) либо тиристоры
(управляемые вентили). Включение вторичной обмотки трансформатора, а также вентилей и нагрузки определяется схемой выпрямителя.
, благодаря чему энергия из первичной
2
2
Рис. 2. Однополупериодный выпрямитель: принципиальная схема,
идеализированные временные диаграммы токов и напряжений
Схема простейшего однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку, приведена на рис. 2. Из приведённых на рисунке идеализированных временных диаграмм можно
сделать вывод, что через нагрузку течёт ток, пульсирующий с
частотой сети. При этом выпрямленный ток и напряжение сравнительно невелики. Так, среднее значение тока в цепи нагрузки
TT
22
11
= ⋅= ⋅= ≈
I i dt I t dt I
∫∫
TT
00
sin 0,32
ω
I
m
.
π
13
2
дm
UIRU
д д н m
Действующее значение тока через нагрузку
T
2
1
Iidt I
2
T
0
ляющей напряжения на нагрузке
Существенно повысить эффективность выпрямителя позволяет двухполупериодная схема, приведённая на рис. 3. Здесь ток
через нагрузку течёт на протяжении всего периода, в результате
чего среднее значение тока вдвое выше, а действующие значения тока и напряжения на нагрузке достигают уровня 0,7 амплитудного.
Как правило, в дальнейшем выходное напряжение выпрямителя сглаживается с помощью фильтра, в результате чего
пульсации на нагрузке уменьшаются до приемлемого уровня.
Наиболее часто применяемые схемы сглаживающих фильтров
приведены на рис. 4.
Сглаживающий фильтр включается между системой вентилей и нагрузкой и оказывает существенное влияние и на режим
работы вентилей, и на параметры выходного напряжения. Легко
понять, что если подключить параллельно нагрузке конденсатор
достаточно большой ёмкости С (при условии τ=CR
будет заряжаться через вентиль практически до амплитудного
значения напряжения, но не будет успевать разряжаться через
нагрузку до начала следующего полупериода.
. Действующее значение постоянной состав-
0, 5
0, 5
.
>>T), то он
н
Рис. 3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель: принципиальная
схема, временные диаграммы токов и напряжений
14
В результате напряжение на нагрузке существенно возрастёт, а
пульсации уменьшатся.
Рис. 4. Сглаживающие фильтры: ёмкостный (а), Г-образный LC-фильтр
(б), Г-образный RC-фильтр (в), П-образный RC-фильтр (г)
При этом ток через вентили Iв будет протекать только в те промежутки времени, когда мгновенное значение напряжения будет
превышать напряжение на конденсаторе, что значительно облегчит тепловой режим вентилей. Описанный механизм демонстрирует приведённый ниже рис. 5.
2
Рис. 5. Временные диаграммы токов через вентили и напряжения на
нагрузке двухполупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром
Качество фильтра можно характеризовать величиной коэффициента сглаживания К
пульсаций на входе к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра. Практически К
можно рассчитать по формуле
сгл
, равного отношению коэффициента
сгл
15
2
KUU
~
0~
сгл
KUU
K
n
n
вых
выхвх
н
,
где U
(без фильтра),
– постоянное напряжение на выходе выпрямителя (без
U
0
фильтра),
U
н=
U
н~
Ход работы:
1. Соберите схему однополупериодного выпрямителя на диоде
типа 1ВН62, представленную на рис. 6, и установите параметры
V1 и R1 в соответствии с вашим номером варианта (см. табл. 1).
– переменное напряжение на выходе выпрямителя
вых~
– постоянное напряжение на нагрузке,
– переменное напряжение на нагрузке.
Варианты заданий
Вариант V1, В R1, Ом
1 6 750
2 24 1000
3 36 1200
4 12 920
5 9 680
6 8 1100
7 10 1800
8 15 820
9 20 750
10 18 1100
Таблица1
16
Мощность резистора R1 выберите такой величины, чтобы при
работе схемы не возникало перегрузки.
Рис. 6. Схема исследования однополупериодного выпрямителя
2. Для сопротивления нагрузки R1 посредством мультиметра,
используемого в режиме измерения постоянного и переменного
тока, а также осциллографа выполните измерения, необходимые
для заполнения таблицы 2.
Указание: в таблице 2 использованы следующие обозначения
регистрируемых параметров:
– переменное напряжение на входе выпрямителя;
U
вх~
– переменное напряжение на выходе выпрямителя (с под-
U
вых~
ключенной нагрузкой R1, но без фильтра);
– постоянное напряжение на выходе выпрямителя (с под-
U
0
ключенной нагрузкой R1, но без фильтра);
– постоянное напряжение на нагрузке;
U
н=
– переменное напряжение на нагрузке;
U
н~
– максимальное напряжение на нагрузке;
U
max
– минимальное напряжение на нагрузке;
U
min
– размах пульсаций напряжения на нагрузке;
U
п
– коэффициент сглаживания пульсаций.
K
сгл
Режим
работы
Без
фильтра
C1
C2
C1=С2;
C2
R2;
Параметры однополупериодного выпрямителя
Регистрируемые параметры
U
вх~Uвых~
U0Uн=Uн~U
maxUmin
Таблица2
UпK
-
сгл
Указание:подключение элементов фильтра, указанных в таблице 2, производите с помощью соответствующих ключей; размах
пульсаций напряжения на нагрузке (это разность между максимальным U
и минимальным U
max
значениями напряжения) опре-
min
деляется с помощью осциллографа; перед заполнением последней
строки таблицы предварительно установите С1=С2=30 мкФ.
3. Для каждого режима работы выпрямителя скопируйте с
экрана осциллограммы напряжения на нагрузке.
4. Уменьшите вдвое сопротивление нагрузки и повторите
действия, указанные в пунктах 2 и 3. По результатам эксперимента заполните новую таблицу, аналогичную таблице 2.
2
17
2
5. Соберите схему исследования двухполупериодного выпрямителя согласно приведённому ниже рис. 7.
6. Повторите действия, указанные в пунктах 2, 3, и заполните
новую таблицу, аналогичную таблице 2.
Рис. 7. Схема исследования двухполупериодного выпрямителя
Содержание отчёта по работе:
Отчёт должен содержать название и цель работы, все принципиальные схемы, необходимые формулы, результаты измерений
(4 варианта таблицы 2) и расчётов, а также все необходимые осциллограммы.
В заключении необходимо сформулировать обоснованные выводы по результатам работы, отражающие влияние типа выпрямителя, величины нагрузки и параметров исследованных фильтров на величину выходного напряжения и амплитуду пульсаций.
Контрольные вопросы и задания:
1. В чём заключаются основные преимущества двухполупе-
риодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным?
2. Какие схемы двухполупериодного выпрямления перемен-
ного тока, кроме приведённой в данной работе, вы знаете?
3. Проведите качественный сравнительный анализ схем
простого ёмкостного сглаживающего фильтра и Г-образного
RC-фильтра.
4. Какое условие должно быть выполнено для того, чтобы подавление пульсаций ёмкостным сглаживающим фильтром стало
достаточно эффективным?
18
Лабораторная работа № 3
( )
1
2
зз
τ ττ
Исследование основных логических элементов
и комбинационных устройств
Цель работы: изучение работы ключевого каскада на компле-
ментарных полевых транзисторах, составление таблиц истинности комбинационных устройств и построение комбинационных
схем в базисах Пирса и Шеффера.
Справочные данные для выполнения работы:
В силу бинарного характера сигналов естественным базовым
элементом цифровой электроники является ключ – устройство с
двумя возможными состояниями, символизирующими логические
«0» и «1». Схемная реализация ключевого каскада осуществляется,
как правило, на биполярных либо униполярных (полевых) транзисторах. Один из вариантов реализации инвертирующего ключа на
комплементарных полевых транзисторах приведён на рис. 2.
Передача сигнала не может быть мгновенной и характеризуется определённым временем задержки распространения τ
цип измерения которого поясняется рис. 1.
, прин-
з
3
Рис. 1. Характеристики быстродействия инвертирующего ключевого
каскада
=⋅ +
з
0,1 1, 0
19
3
Любая логическая функция может быть реализована с использованием трёх основных логических элементов: «И», «ИЛИ»,
«НЕ», каждый из которых может быть описан своей таблицей
истинности. На практике широкое распространение получила реализация логических функций на элементах Пирса (2ИЛИ-НЕ) и
Шеффера (2И-НЕ).
Ниже приведены УГО и таблицы истинности некоторых логических элементов:
1. Элемент «2И-НЕ»
X
1
0
0
1
1
X
2
0
1
0
1
Y
1
1
1
0
2. Элемент «2ИЛИ-НЕ»
X
1
0
0
1
1
X
2
0
1
0
1
Y
1
0
0
0
4. Элемент «исключающее ИЛИ»
X
1
0
0
1
1
X
2
0
1
0
1
Y
0
1
1
0
Ход работы:
1. Соберите схему, приведённую на рис. 2 (приведённые на
схеме модели транзисторов IRF9131 и 2N6757 можно найти соответственно в разделах MOS_3TEP и MOS_3TEN).
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]