Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника. Учебное пособие
.pdf
61
ный рост тока . Это приводит к увеличению тока
через балласт-
ный резистор
, а значит, и к возрастанию падения напряжения на
этом резисторе (
).
Таким образом, дополнительная часть входного напряжения
компенсируется на балластном сопротивлении, и выходное напряжение остается практически неизменным, что и обеспечивает эффект
стабилизации.
В случае, когда входное напряжение остается постоянным, а ток
нагрузки изменяется, например от Iн до минимального значения
, ток, протекающий через стабилитрон, увеличивается на вели-
чину разности
. При этом напряжение на нагрузке Uн оста-
ется практически стабильным, что является ключевой характеристикой параметрического стабилизатора.
Для обеспечения устойчивой и надежной работы стабилизатора
необходимо, чтобы ток через стабилитрон находился в пределах до-
пустимого диапазона от
до
. Это позволяет поддерживать
стабильное выходное напряжение и предотвращать выход из строя
полупроводникового элемента вследствие чрезмерного тока.
Исходя из этого, балластное сопротивление Rб выбирается таким
образом, чтобы обеспечить оптимальный режим работы стабилитрона. Его значение рассчитывается по формуле:
где I
стном
представляет собой номинальный ток стабилизации, опреде-
ляемый как половина разности между максимальным и минимальным
допустимыми токами стабилитрона:
при условии,что
62
Такой подход к расчету балластного сопротивления обеспечивает устойчивую работу стабилизатора при изменяющихся нагрузочных
условиях и гарантирует его эффективное функционирование в заданном режиме.
Принцип действия светоизлучающих диодов (LED) основан на
явлении излучательной рекомбинации носителей заряда в области p-n
перехода. При подаче прямого напряжения через переход происходит
инжекция неосновных носителей — электронов и дыр, которые рекомбинируют с выделением энергии в виде фотонов. В результате такого процесса формируется излучение, которое может находиться как
в видимой, так и в инфракрасной части спектра.
Для преобразования невидимого инфракрасного излучения в видимый свет на поверхность полупроводника наносится люминофор — специальный материал, поглощающий инфракрасное излучение и переизлучающий его в определенном цветовом диапазоне. Цвет
свечения зависит от состава люминофора и может быть, например,
зеленым, красным, синим или голубым.
К числу важных преимуществ светоизлучающих диодов относятся:
– низкое энергопотребление;
– высокая насыщенность и чистота цвета;
– устойчивость цветовых характеристик к изменению температуры и времени наработки.
Диод Шотки представляет собой полупроводниковый прибор,
созданный на основе контакта между металлом и полупроводником.
На границе этих материалов формируется запирающий переход, об-
ладающий свойством односторонней проводимости. Разность потенциалов на этом контакте получила название барьера Шотки.
Особенностью такого перехода является его малая емкость, обусловленная узкой зоной объемного заряда и малой площадью контакта — обычно она не превышает 1 пФ. Кроме того, в отличие от обычных p-n переходов, в диоде Шотки отсутствует процесс инжекции неосновных носителей, а значит, исключены эффекты их накопления и
рассасывания в базе.
63
Это обеспечивает очень высокую скорость переключения, которая определяется лишь временем перезарядки барьерной емкости и составляет доли наносекунды. Благодаря этому диоды Шотки находят
широкое применение в высокочастотных и импульсных устройствах,
где важна минимальная задержка реакции и стабильность работы.
Порядок выполнения работы
6.1. Экспериментальное исследование выпрямительного диода.
6.1.1. Для проведения экспериментального анализа выпрямитель-
ного диода VD1 на постоянном токе соберите необходимую электрическую схему. Соедините гнезда Х2 и Х6 перемычкой, чтобы замкнуть
соответствующую цепь. Для измерения анодного тока подключите
миллиамперметр между гнездами X1 и X10, установив предел измерения прибора на значение 100 мА (коэффициент шкалы × 1 000).
Напряжение на диоде измеряйте с помощью мультиметра, подключенного между гнездами Х3 и Х14, переведя его в режим измерения
постоянного напряжения. После завершения сборки схемы включите
электропитание лабораторного стенда и установите переключатель SA1 в положение «+», чтобы подать положительное напряжение
на исследуемый элемент.
6.1.2. Проведите снятие вольт-амперной характеристики выпря-
мительного диода VD1 на постоянном токе. Сначала исследуйте прямую ветвь характеристики, установив переключатель SA1 в положение «+», а затем — обратную ветвь, переключив SA1 в положение
«–». При каждом положении переключателя постепенно увеличивайте входное напряжение с помощью потенциометра RP1, начиная с
нулевого значения. Одновременно фиксируйте показания тока и
напряжения на диоде. Результаты измерений заносите в табл. 1.6.4
(прямая ветвь) и 1.6.5 (обратная ветвь). После завершения измерений
отключите питание стенда и установите потенциометр RP1 в начальное (нулевое) положение.
64
Таблица 1.6.4
Проводимые испытания для построения ВАХ
выпрямительного диода в прямой последовательности
1 2 3 4 5 6 7 8
9
, В
, мА
Таблица 1.6.5
Проводимые испытания для построения ВАХ
выпрямительного диода в обратной последовательности
1 2 3 4 5 6 7 8
9
, В
, мА
6.2. Экспериментальное исследование однополупериодного вы-
прямителя на полупроводниковом диоде.
6.2.1. Для получения осциллограмм анодного тока i и напряже-
ния на диоде u подключите один из входов осциллографа к шунту
X12, а второй вход — к гнезду Х3. Установите режим синхронизации
осциллографа по сети переменного тока. Включите электропитание
стенда и переведите переключатель SA1 в положение «~», соответствующее режиму переменного тока. Потенциометр RP1 установите в
крайнее правое положение, чтобы обеспечить максимальное входное
напряжение.
6.2.2. С помощью осциллографа зарисуйте формы кривых анод-
ного тока iа и напряжения на диоде Ua, предварительно определив
масштабы изображения по времени, току и напряжению. При этом
учтите, что сопротивление шунта Rш равно 10 Ом, что позволяет
определить ток по измеренному напряжению на шунте с использова-
65
нием закона Ома. Также определите значение максимального обратного напряжения, возникающего на диоде в течение периода работы.
6.2.3. Для получения осциллограммы напряжения на нагрузке
Uн подключите один измерительный щуп осциллографа к гнезду Х3, а
второй к гнезду X10. Зарегистрируйте форму кривой напряжения на
нагрузке, указав масштабы по времени и напряжению. По окончании
измерений отключите питание модуля и лабораторного стенда.
6.3. Экспериментальное исследование диода Шотки.
6.3.1. Собрать схему для исследования диода Шотки (VD2) на
постоянном токе. Выполнить пункты 6.1.1 и 6.1.2 для диода Шотки.
Результаты занести в табл. 1.6.6–1.6.7.
6.3.2. Сравнить вольтамперные характеристики обычного вы-
прямительного диода и диода Шотки.
Таблица 1.6.6
Проводимые испытания для построения
ВАХ диода Шотки в прямой последовательности
1 2 3 4 5 6 7 8
9
, В
, мА
Таблица 1.6.7
Проводимые испытания для построения
ВАХ диода Шотки обратной последовательности
1 2 3 4 5 6 7 8
9
, В
, мА
66
6.4. Экспериментальное исследование стабилитрона.
6.4.1. Собрать схему для исследования стабилитрона на посто-
янном токе аналогично пункту 6.3.1. Построить график зависимости
выходного напряжения от тока
. Результаты занести в
табл. 1.6.8.
Таблица 1.6.8
Проводимые испытания для построения
ВАХ стабилитрона
1 2 3 4 5 6 7 8
9
, В
, мА
6.4.2. На основании построенной вольт-амперной характеристи-
ки стабилитрона определите значение напряжения стабилизации Uст,
соответствующее рабочему участку характеристики, а также величину дифференциального сопротивления rд, которое рассчитывается как
отношение приращения напряжения к приращению тока на этом
участке.
6.4.3. Для исследования работы параметрического стабилизато-
ра напряжения соберите соответствующую схему. Установите перемычки между гнездами Х10–Х1 и Х5–Х9. Подключите мультиметры к
гнездам Х10–Х11 и Х4–Х15 для измерения тока и напряжения в цепи.
Переключатель SA1 модуля переведите в положение «–», соответствующее режиму стабилизации отрицательного напряжения.
6.4.4. Постепенно изменяя входное напряжение с помощью по-
тенциометра RP1, измерьте зависимость выходного напряжения стабилизатора от входного напряжения в диапазоне его изменения. По-
лученные данные представьте в виде функции
и занесите в табл. 1.6.9. Эта зависимость позволяет оценить степень стабилизации и эффективность работы схемы при колебаниях.
67
Таблица 1.6.9
Проводимые испытания для построения
кривой стабилизации
1 2 3 4 5 6 7 8
9
, В
, мА
6.4.5. Определить коэффициент стабилизации стабилизатора
на участке стабилизации:
6.5. Исследование влияния величины напряжения на светоизлу-
чающем диоде на световую эмиссию.
6.5.1. Для проведения эксперимента соберите электрическую
схему для исследования светоизлучающего диода VD3 на постоянном
токе. Методика сборки аналогична той, которая использовалась при
исследовании выпрямительного диода в пункте 6.3.1. После завершения подключений включите модуль диодов, установив переключатель SA1 в положение «+», и постепенно увеличивайте входное
напряжение от нуля с помощью потенциометра RP1.
6.5.2. В процессе изменения напряжения измеряйте значения
тока, протекающего через светодиод, и напряжение на его выводах.
Одновременно фиксируйте визуально ощущаемую интенсивность
свечения, характеризуя ее как отсутствующую, слабую, среднюю или
ярко выраженную. Полученные данные занесите в табл. 1.6.10 для
последующего анализа вольт-амперной характеристики и оценки порога включения светодиода.
68
Таблица 1.6.10
Светоизлучение светодиода
Светоизлучение
Контрольные вопросы
1. Раскройте различия между полупроводниками р-типа и
n-типа, обусловленные характером преобладающих носителей заряда
и технологией легирования исходного материала.
2. Объясните форму вольт-амперной характеристики р-n перехо-
да, указав, какие физические процессы происходят в переходе при
прямом и обратном включении, и почему наблюдается нелинейная
зависимость тока от напряжения.
3. Опишите особенности вольт-амперной характеристики стаби-
литрона и объясните, в чем заключается его отличие от обычного диода. Укажите полярность напряжения, при которой стабилитрон работает в штатном режиме стабилизации.
4. Дайте сравнительную оценку вольт-амперных характеристик
выпрямительного диода и диода Шотки, выделив ключевые различия,
обусловленные особенностями конструкции и физикой процессов в
переходе.
5. Охарактеризуйте принцип действия неуправляемого выпрями-
теля, объяснив, каким образом происходит преобразование переменного напряжения в пульсирующее постоянное, и какие элементы схемы обеспечивают данный процесс.
6. Объясните, с какой целью строятся временные диаграммы то-
ков и напряжений в схеме выпрямительного устройства, и каким об-
69
разом они отражают фазовые соотношения и форму сигнала на различных участках цепи.
7. Перечислите и поясните основные параметры, характеризую-
щие работу стабилитрона, включая напряжение стабилизации, дифференциальное сопротивление и допустимые значения тока.
8. Определите минимальное значение входного напряжения, при
котором еще возможно эффективное функционирование параметрического стабилизатора напряжения, и объясните, что происходит при
снижении напряжения ниже этого порога.
9. Дайте определение коэффициента стабилизации и раскройте
его физический смысл как меры устойчивости выходного напряжения
стабилизатора к колебаниям входного напряжения или нагрузки.
10. Объясните, от каких факторов зависит интенсивность свече-
ния светоизлучающего диода, и каким образом электрические параметры цепи влияют на его световые характеристики.
70
II. ПРАКТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ
Успешное выполнение практических зада в отведенное по расписанию время возможно лишь при условии тщательной и систематической предварительной подготовки. Эффективность практической
работы напрямую зависит от степени теоретической и организационной готовности студента.
Перед каждым занятием необходимо ознакомиться с графиком
проведения практических работ и определить свою очередность.
Важно внимательно изучить методическое описание предстоящей работы, выявив ее основную цель и конкретные задачи, подлежащие
экспериментальному решению.
Теоретическая подготовка включает повторение соответствующего материала лекционного курса, а также работу с рекомендованной литературой, позволяющую глубже понять физическую сущность
изучаемых явлений и процессов. На этой основе студент должен подготовить в своей рабочей тетради все необходимые элементы: электрические схемы, таблицы для записи наблюдений, расчетные формулы и пояснения к ним.
Завершающим этапом подготовки является предварительное
формулирование ответов на контрольные вопросы, представленные в методических указаниях. Это способствует закреплению
теоретических знаний и обеспечивает более осознанное выполнение эксперимента.
Студенты, не прошедшие указанную подготовку, к выполнению
практической работы не допускаются.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]