Министерство образования и науки РФ
Московский государственный технический университет «МАМИ»
Кафедра «Автоматика и процессы управления»
Лабораторная работа №4
«Диоды в источниках питания».
Преподаватель. Ефимов М.И.
Студент. Сандуляк Д.А.
Группа. 7МТ-2
Москва 2011г.
Цель работы: Изучение и экспериментальное исследование схем на полупроводниковых диодах.
Описание лабораторного стенда ЛОЭ2.
Стенд ЛОЭ2 (лабораторное оборудование по электронике, 2 модель) предназначен специально для изучения электронных схем и их исследования студентами высших учебных заведений. Рис. 1
вход
Контрольные точки
LCфильтр
напряжение
сеть
1
2
кт
21
10
11,3
Место для установки
сменных блоков
12,6
8,9
2
22
13,9
7,6
Контрольные точки
9
-
+
Измерение I,U
I2,V2
V2
Встроенный
прибор
1
3
5
7
10
11
12
13
14
15
18
12
19
17
1
Источники питания
16
20
I1
2
4
6
8
Рис. 1 Внешний вид стенда.
Стенд снабжен разъемом для установки сменных блоков с различными схемами. Диоды в источниках питания - первый блок
Внешние измерительные приборы подключаются к стенду через стандартный измерительный кабель, два штекера которого необходимо вставить в гнезда «КТ». При подключении необходимо внимательно следить, чтобы заземленный конец кабеля был подключен к нижнему заземленному гнезду со знаком . Нарушение этого правила может привести к серьезным нарушениям работы исследуемой схемы и категорически запрещается.
Наиболее часто к гнездам «КТ» подключается электронный осциллограф или ламповый милливольтметр. Сначала необходимо включить вышеназванные измерительные приборы в сеть и только после того как они прогреются (в течение двух минут) произвести подключение.
Предварительно необходимо проверить, какой штекер измерительного кабеля сигнальный, а какой соединен с корпусом и заземлен. Для этого включают диапазон 1 Вольт и попеременно дотрагиваются сначала до одного штекера, а затем до другого. Прикосновение к заземленному штекеру не вызывает появления помех на экране осциллографа или отклонения стрелки милливольтметра. Прикосновение к сигнальному штекеру вызывает появление помех на экране осциллографа или отклонение стрелки милливольтметра.
Для облегчения измерения величин сигналов в различных точках исследуемой схемы установлен электронный коммутатор, который подключает выбранную контрольную точку «КТ?» к гнездам «КТ» при нажатии на соответствующую клавишу коммутатора. Так, например, если необходимо измерить сигнал в первой контрольной точке схемы «КТ1» внешним измерительным прибором, то необходимо нажать на первую клавишу электронного коммутатора. Для подключения к исследуемой схеме сигналов от внешних приборов, например, от генератора, служат гнезда Вход 1 и Вход 2.
Переключение режимов работы исследуемой схемы производится пятью тумблерами и несколькими многодиапазонными переключателями поворотного типа. Четыре тумблера расположены в левом нижнем углу стенда, а несколько правее, - три многодиапазонных переключателя поворотного типа. Положения переключателей обозначены цифрами от 1 до 22. Первый тумблер может быть установлен или в положение 1 или в положение 2, второй тумблер - 3 или 4, третий тумблер - 5 или 6, четвертый тумблер – 7 или 8. Следующие многодиапазонные переключатели могут быть установлены в положения 9 - 10 –11; 12 - 13 – 14 – 15; 16 - 17 – 18 – 19 – 20. Пятый тумблер установлен в верхней части стенда и может быть установлен в положения 21 или 22.
Для ориентировочного определения режимов работы схемы на стенде имеется также встроенный стрелочный прибор, который может работать как вольтметр или как микроамперметр. Его режим измерения устанавливается поворотным переключателем “I1 – I2V2 –V1” и тумблером “+ -“. Поскольку встроенный прибор не откалиброван, то его показания можно использовать только для качественной оценки, а не количественной.
Так, например, для того чтобы определить в первой лабораторной работе какой из резисторов имеет меньшее сопротивление и, таким образом, обеспечивает больший ток нагрузки необходимо на коммутаторе нажать 5 кнопку для подключения встроенного прибора к 5 контрольной точке «КТ5», переключатель поставить в положение I1, а тумблер “+ -“ надо поставить в такое положение, чтобы стрелка отклонялась вправо от нулевого деления. Дале поворачивая переключатель 17 – 18 – 19 – 20, определить в каком положении ток нагрузки больше, а в каком меньше.
Для того, чтобы оценить как изменяется напряжение на выходе блока питания в первой лабораторной работе при различных токах нагрузки необходимо нажать 5 кнопку коммутатора, поворотный переключатель поставить в положение V2. Затем поставить переключатель 17 – 18 – 19 – 20 в то положение, которое соответствует минимальному току нагрузки, оценить величину напряжения по встроенному вольтметру в делениях. Увеличивая ток нагрузки переключателем 17 – 18 – 19 – 20, оценить насколько делений изменилась величина напряжения.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.
Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянной величины. Иногда для этой цели используют гальванические батареи или аккумуляторы, но в большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью блоков питания, которые называют иногда вторичными источниками питания. Такое название происходит оттого, что первичная энергия поступает из электросети, выработанной электростанцией, которая является первичным источником электроэнергии.
Сетевой блок питания содержит плавкий предохранитель, трансформатор (чаще понижающий), выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения. Принципиальная схема исследуемого блока питания приведена на рис. 2, на которой также изображен трансформатор с переключателем напряжения.
Рис. 1. Схема электрическая принципиальная сменного блока «Диоды в источниках питания» и трансформатора с переключателем напряжения.
Блок питания подключается к электросети через плавкий предохранитель FU, который размыкает сетевое напряжение в том случае, если ток превысит номинальную величину. После предохранителя ток поступает в первичную обмотку понижающего трансформатора Т. Вторичная обмотка трансформатора помимо начала и конца еще содержит дополнительные отводы, позволяющие снимать различные величины напряжений. Трансформатор необходим также для гальванической развязки с сетью. Передача энергии от первичной обмотки к вторичной осуществляется посредством переменного магнитного поля в сердечнике трансформатора, поэтому фазное напряжение электросети не попадает в цепи, которые питает этот блок. Это необходимо из соображений электробезопасности.
В качестве переключателя напряжения служит шестипозиционный переключатель SA1. С переключателя можно снять следующие величины переменного напряжения: 7,6; 8,9; 10; 11,3; 12,6; 13,9 вольт.
Выпрямитель
Выпрямление переменного напряжения осуществляется выпрямительным диодом VD1 или четырьмя выпрямительными диодами VD2 – VD5. На выходе выпрямителя получаем пульсирующее напряжение одного знака, которое изменяется от нуля до максимума. Один диод VD1 пропускает через себя только один полупериод синусоиды, поэтому называется однополупериодным выпрямителем. Его недостаток в том, что вторая половина периода ”исчезает”.
Вентильная группа из четырех полупроводниковых диодов VD2 – VD5, соединенных в кольцо, как показано на схеме, называется выпрямительным мостом. Такой выпрямитель называется двухполупериодным, так как пропускает через себя два полупериода синусоиды.
Выпрямительные диоды пропускают через себя электрический ток только, когда p - n переход смещается в прямом направлении, т.е. когда к ”p“ области подключен плюс, а к “n” области – минус. Согласно вольт-амперной характеристике диода на прямой ветви происходит незначительное падение напряжения, которое для кремниевых диодов может доходить до 1 вольта (0,6 вольта точка перегиба прямой ветви ВАХ).
В однополупериодном выпрямителе ток проходит через один диод, поэтому пиковое значение выпрямленного напряжения уменьшается на 0,6 – 1 вольта. В двухполупериодном выпрямителе ток проходит попеременно через два диода, поэтому в этом случае пиковое значение выпрямленного напряжения уменьшается на 1,2 – 2 вольта.
Величину пульсаций на выходе выпрямителя оценивают коэффициентом пульсаций – Кп, который определяется отношением амплитуды первой гармоники к средней величине выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя Кп=1,57; для двухполупериодного выпрямителя Кп=0,67, поэтому двухполупериодный выпрямитель предпочтительнее.
Сглаживающий фильтр
Для сглаживания пульсаций выходного напряжения применяются фильтры. В качестве простейшего фильтра можно использовать конденсатор C1 большой емкости, включенный параллельно выпрямителю. Простейший фильтр применяется, если сила тока небольшая - доли ампера. Для больших токов применяют фильтры, состоящие из катушек индуктивности L, включенных последовательно, и конденсаторов C1, C2, включенных параллельно. Фильтр с одной катушкой индуктивности L, включенной последовательно, и двумя конденсаторами C1, C2, включенными параллельно, называется П-образным.
Как уже отмечалось, для нормальной работы электронного устройства напряжения питания должно быть постоянным, поэтому пульсации напряжения являются очень вредным явлением и с ними надо бороться. Качество фильтра определяется коэффициентом сглаживания пульсаций Ксгп.
Ксгп= Кпвх/Кпвых , где Кпвх коэффициент пульсаций до фильтра, а Кпвых - коэффициент пульсаций после фильтра. Чем больше коэффициент сглаживания пульсаций фильтра, тем меньше величина пульсаций после фильтра и тем лучше спроектирован фильтр.
Далее рассмотрим более подробно временные диаграммы напряжений в однополупериодном выпрямителе, после которого установлен конденсатор в качестве простейшего фильтра. Диаграммы приведены на рис 2. В интервале времени t2 – t1 диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С. Постоянная времени заряда зар = С (Rн Rпот ), где сопротивление потерь Rпот=Rпр.ср + Rтр (Rтр – активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда Rпот<Rн и зар С Rпот . В остальную часть периода t3 – t2 диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается разр С (Rн (Rобр Rпот )
Рис. 2 Сигнал после однополупериодного выпрямителя (тонкая линия) и после простейшего фильтра – конденсатора (толстая линия).
Поскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление Rобр Rтр + Rн , постоянная времени разряда разр С Rн и зар разр т.е., процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения на диоде Uс = Umax - U, обратное напряжение может достигать величины Uобр = 2Umax. Поэтому диод выбирают с Uобр.макс 2Umax.
Особенности двухполупериодного мостового выпрямителя заключаются в том,что за период через диоды VD2 - VD5 протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диоды VD2 и VD5 , в другом – через диоды VD3 и VD4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в два раза по сравнению с однополупериодной схемой Uобр.макс > Umах . Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в двух полупериодах протекает в противоположных направлениях.