4.2 Моделирование дифференцирующей rc – цепи

Для моделирования дифференцирующей RC – цепи можно воспользоваться уже готовым файлом схемы интегрирующей цепи, описанной в пункте 4.2. Для этого необходимо загрузить в среду Electronics Workbench этот файл, воспользовавшись командой меню File/Open и выбрав соответствующий каталог и файл, и поменять расположение в схеме резистора и конденсатора. При этом будет удобно пользоваться командой Rotate, которая доступна при нажатии правой кнопкой мыши на соответствующем элементе и передвижением элементов и проводов путем выбора и переноса контактов при нажатой левой клавише мыши. Если же файл схемы, описанной в пункте 4.1, отсутствует на накопителях, то можно повторить операции подготовки схемы к работе, описанные в пункте 4.1. Вид созданной схемы приведен на рисунке 11.

Рис. 11 – Дифференцирующая RC - цепь

С дифференцирующей RC – цепью можно проделать те же виды анализа, что были описаны в пункте 4.1. На рисунке 12 показан сигнал на выходе цепи, а на рисунке 13. - АЧХ и ФЧХ схемы.

Рис.12 – Сигнал на выходе дифференцирующей RC - цепи

После внесения изменений или окончания работ схему можно сохранить, воспользовавшись командой меню File/Save, если нужно сохранить в том же файле, либо File/Save As, если нужно сохранить схему под другим именем или в другом каталоге.

Рис.13 – АЧХ и ФЧХ дифференцирующей RC - цепи

Задание:

1. Произведите пробное моделирование интегрирующей и дифференцирующей RC-цепей, руководствуясь п.4.1 и п.4.2.

2. Ответить на контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Что такое система схемотехнического моделирования?

2. Что такое подсхема и как ее открыть?

3. Какими командами можно изменить параметры компонента, например (конденсатора переменной емкости)?

4. Каким образом можно открыть библиотеку моделей компонентов, из которых собираются схемы?

5. Какой командой задаются заданные параметры контрольно-измерительных приборов?

6. Как найти в библиотеках нужный компонент? В какой библиотеке находятся резисторы; конденсаторы, индуктивные катушки?

7. Где находятся индикаторные, приборы?

8. Где находятся измерительные приборы?

9. Как разместить изображения элементов и приборов на рабочем поле?

10. Как произвести перемещение изображения элементов по рабочему полю, их поворот на 90°, удаление?

11. Как установить параметры вольтметра и амперметра?

12. Как соединить элементы схемы между собой проводниками?

13. Как производится запуск модели?

14. Как остановить процесс моделирования?

Лабораторная работа № 2

«Исследование полупроводниковых диодов»

Цель работы:

1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении р-п перехода.

2. Построение и исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) для полупроводникового диода.

3. Исследование сопротивления диода при прямом и обратном смещении по вольтамперной характеристике.

4. Анализ сопротивления диода (прямое и обратное смещение) на переменном и постоянном токе.

Приборы и элементы	Условное обозначение
Функциональный генератор
Мультиметр
Осциллограф
Источник постоянного напряжения
Диод 1N4001
Резисторы

Краткие теоретические сведения

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая — дырочную.

Полупроводниковый прибор с одним р-n-переходом, имеющий два омических вывода, называют полупроводниковым диодом. Одна из областей р-n-структуры (р+), называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ -2) полупроводникового диода изображена на рис.1. Здесь же пунктиром показана теоретическая ВАХ (1) электронно-дырочного перехода, определяемая соотношением

Iпр = Iо [еU/(mjт)-1], (1)

Iоб = Io[mjт/(eU) - 1] (2)

где Iо — обратный ток насыщения (ток экстракции, обусловленный неосновными носителями заряда; значение его очень мало);

U — напряжение на p-n-переходе;

jт = kT/e — температурный потенциал (k — постоянная Больцмана, Т — температура, е — заряд электрона);

m — поправочный коэффициент: m = 1 для германиевых р-n-переходов и m = 2 для кремниевых p-n-переходов при малом токе).

Рисунок 1. Отличие реальной вольтамперной характеристики p-n перехода

от теоретической.

Кремниевые диоды имеют существенно меньшее значение обратного тока по сравнению с германиевыми, вследствие более низкой концентрации неосновных носителей заряда. Обратная ветвь ВАХ у кремниевых диодов при данном масштабе практически сливается с осью абсцисс. Прямая ветвь ВАХ у кремниевых диодов расположена значительно правее, чем у германиевых.

Если через германиевый диод протекает постоянный ток, при изменении температуры падение напряжения на диоде изменяется приблизительно на 2,5 мВ/°С:

dU/dT= -2,5 В/°С. (3)

Для диодов в интегральном исполнении dU/dT составляет от —1,5 мВ/°С в нормальном режиме до —2 мВ/°С в режиме микротоков.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру диода, которая составляет 80 – 100 °С для германиевых диодов и 150 – 200 °С для кремниевых. Минимально допустимая температура диода лежит в пределах -(60 – 70)°С.

Дифференциальным сопротивлением диода называют отношение приращения напряжения на диоде к вызванному им приращению тока:

r = dU/dI (4)

Отсюда следует, что для p-n-перехода r = jт/I.

Пробой диода. При обратном напряжении диода свыше определенного критического значения наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 1). Это явление называют пробоем диода. Пробой диода возникает либо в результате воздействия сильного электрического поля в р-п-переходе (рис.1, кривая 5 и 4). Такой пробой называется электрическим. Он может быть туннельным – кривая 4 или лавинным – кривая 5. Либо пробой возникает в результате разогрева p-n-перехода при протекании тока большого значения и при недостаточном теплоотводе, необеспечивающем устойчивость теплового режима перехода (рис. 1, кривая 3). Такой пробой называется тепловым пробоем. Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода, и при снижении обратного напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой является необратимым.

Порядок выполнения работы

1. Запустить Electronics Workbench.

2. Подготовьте новый файл для работы.

3. Перенесите необходимые элементы из заданной преподавателем схемы на рабочую область Electronics Workbench. Для этого необходимо выбрать раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в котором находится нужный вам элемент, затем перенести его на рабочую область.

4. В соответствии с вариантом выбрать из табл. 1.1 тип исследуемого выпрямительного диода.

Таблица 1.1

№ п/п	Диод	Температура, 0С	№ п/п	Диод	Температура, 0С
1	2	3	4	5	6
1	1N3491	-50	21	1N3903	-25
2	1N3492	-30	22	1N3909	-15
3	1N3493	-10	23	1N3910	-10
4	1N3494	50	24	1N3911	-5
5	1N3495	70	25	1N3912	55
6	1N3495-1	90	26	1N3913	65
7	1N3879	110	27	1N4001	75
8	1N3880	-55	28	1N4001GP	85
9	1N3881	-45	29	1N4002	95
10	1N3882	-35	30	1N4002GP	105
11	1N3883	-55	31	1N4003	100
12	1N3889	-50	32	1N4003GP	95
13	1N3890	-54	33	1N4004	80
14	1N3891	75	34	1N4004GP	75
15	1N3892	80	35	1N4005	70
16	1N3893	85	36	1N4005GP	65
17	1N3899	90	37	1N4006	60
18	1N3900	95	38	1N4006GP	-60
19	1N3901	100	39	1N4007	-65
20	1N3902	105	40	1N4007GP	-55

5. Соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы. Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов основной кнопкой мыши и, не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Нажатием на элементе правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к простейшим операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste).

6. Проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу. Для этого нужно дважды щелкнуть мышью на элементе.

7. Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение.

При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе 1 Ом, Ошибка из-за этого будет мала, так как падение напряжения на резисторе будет значительно меньше, чем напряжение на диоде. Из-за нелинейности диода его нельзя характеризовать величиной сопротивления, как линейный резистор. Отношение напряжения на диоде к току через него U/I, называемое статическим сопротивлением, зависит от величины тока. Величина динамического сопротивления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабочую точку на характеристике.

8. Ответить на контрольные вопросы

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Соберите схему (рис.2) и включите ее. Мультиметр покажет напряжение на диоде Unp при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь мультиметр покажет напряжение на диоде Uоб при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов". Вычислите ток диода при прямом Iпр и обратном Iоб смещении согласно формулам (1) и (2).

Эксперимент 2. Измерение тока. Соберите схему (рис. 3) и включите ее. Мультиметр покажет ток диода Iпр при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Теперь Мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении. Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода. Измерьте сопротивление диода в прямом и обратном подключении, используя Мультиметр в режиме омметра. Малые значения сопротивления соответствуют прямому подключению. Показания прямого сопротивления различны для разных шкал омметра. Почему?

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода.

а). Прямая ветвь ВАХ.

Соберите схему (рис. 4). Включите схему. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, 0 В запишите значения напряжения Unp и тока Iпр диода в таблицу а) раздела "Результаты экспериментов".

б). Обратная ветвь ВАХ.

Переверните диод. Последовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 0 В, 5 В,

10 В, 15 В запишите значения тока Iоб и напряжения Uоб в таблицу б) раздела "Результаты экспериментов".

в). По полученным данным постройте графики Iпр (Unp) и Iоб (Uoб). г). Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при Iпр = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для Iпр = 0.4 мА и Iпр =0.2 мА. Ответы запишите в раздел "Результаты экспериментов".

д). Аналогично пункту г) оцените дифференциальное сопротивление диода при обратном напряжении 5 В и запишите экспериментальные данные в раздел "Результаты экспериментов". е). Вычислите сопротивление диода на постоянном токе Iпр = 4 мА по формуле Rcr= Unp/Inp и занесите результат в раздел "Результаты экспериментов".

ж). Определите напряжение изгиба. Результаты занесите в раздел "Результаты экспериментов". Напряжение изгиба определяется из вольтамперной характеристики диода, смещенного в прямом направлении, для точки, где характеристика претерпевает резкий излом.

Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа. Соберите схему (рис. 5). Включите схему. На ВАХ, появившейся на экране осциллографа, по горизонтальной оси считывается напряжение на диоде в милливольтах (канал А), а по вертикальной - ток в миллиамперах (канал В, 1 мВ соответствует 1 мА). Обратите внимание на изгиб ВАХ. Измерьте и запишите в раздел "Результаты экспериментов" величину напряжения изгиба.

Рис.5

Результаты экспериментов:

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод. Измерьте и запишите напряжения на диоде:

Эксперимент 2. Измерение тока. Измерьте и запишите ток при прямом и обратном смещении

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода.

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода. Вычислите и запишите токи и напряжения.

а). Прямая ветвь ВАХ.

Е,В	Unp, мВ	Iпр мА
5
4
3
2
1
0.5
0

б). Обратная ветвь ВАХ.

Е,В	Uоб. мВ	Iоб, мА
0
5
10
15

г). Дифференциальное сопротивление диода при прямом смещении, вычисленное по ВАХ.

д). Дифференциальное сопротивление диода при обратном смещении, вычисленное по ВАХ.

Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа. Напряжение изгиба, определенное из ВАХ, полученной при помощи осциллографа.

Контрольные вопросы

Вопросы для предварительного опроса:

1. Как обозначается в схеме выпрямительный диод?

3. Нарисовать электрическую схему для снятия прямых ВАХ диодов.

4. Нарисовать электрическую схему для снятия обратных ветвей ВАХ диодов.

5. Нарисовать ВАХ выпрямительного диода.

7. Маркировка полупроводниковых выпрямительных и диодов.(старая и новая)

Вопросы к защите:

1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

2. Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении с вычисленными значениями? Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями?

3. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны?

4. Что такое ток насыщения диода?

5. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивления диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода?

6. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе?

7. Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?

8. Что такое собственная, электронная и дырочная проводимость полупроводников?

9. Как работает P-N-переход в равновесном состоянии, при прямом и обратном подключении?

10. Что такое потенциальный барьер, от чего зависит его величина?

11. Вольтамперная характеристика P-N-перехода.

12. Каково аналитическое выражение ВАХ диода?

13. Как влияет температура на ВАХ?

14. Назовите основные виды пробоя P-N-перехода.

15. Что такое барьерная и диффузионная ёмкости перехода и как они зависят от величины обратного напряжения?

16. Почему обратный ток диода не зависит от величины обратного напряжения?

17. Что такое обратное допустимое напряжение полупроводникового диода?

18. Какова величина прямого и обратного сопротивления диода?

19. Назовите основные параметры точечных и плоскостных диодов.

Лабораторная работа № 3

«Снятие и исследование характеристик тиристора».

Цель работы:

1. Изучение принципа работы тиристоров

2. Ознакомление с основными параметрами и характеристиками тиристоров

3. Экспериментальное получение характеристик тиристора.

Приборы и элементы	Условное обозначение
Вольтметр
Амперметр
Переменный резистор
Источник постоянного напряжения
Диод 1N4001
Резисторы

Краткие теоретические сведения

Тиристором называется четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и n – типов проводимости.

Первый вид тиристоров – это динисторы.

• Динисторы – это диодные тиристоры, или неуправляемые переключательные диоды.

• Тринисторы – это управляемые переключательные диоды.

• Симисторы – это симметричные тиристоры, т. е. тиристоры с симметричной ВАХ.

Устройство и принцип действия динисторов. Наружная p-область и вывод от неё называется анодом (Рис. 1)

Рис. 1

Наружная n-область и вывод от неё называется катодом. Внутренние p- и n-области называются базами динистора. Крайние p-n переходы называются эмиттерным, а средний p-n переход называется коллекторным. Подадим на анод «-», а на катод «+». При этом эмиттерные переходы будут закрыты, коллекторный открыт. Основные носители зарядов из анода и катода не смогут перейти в базу, поэтому через динистор будет протекать только маленький обратный ток, вызванный не основными носителями заряда.

Если на анод подать «+», а на катод «-», эмиттерные переходы открываются, а коллекторный закрывается. Динисторы

применяются в виде бесконтактных переключательных устройств, управляемых напряжением.

Принцип действия.

Основные носители зарядов переходят из анода в базу 1, а из катода – в базу 2, где они становятся не основными и в базах происходит интенсивная рекомбинация зарядов, в результате которой количество свободных носителей зарядов уменьшается. Эти носители заряда подходят к коллекторному переходу, поле которых для них будет ускоряющим, затем проходят базу и переходят через открытый эмиттерный переход, т. к. в базах они опять становятся основными.

Пройдя эмиттерные переходы, электроны переходят в анод, а дырки – в катод, где они вторично становятся не основными и вторично происходит интенсивная рекомбинация. В результате количество зарядов, прошедших через динистор, будет очень мало, и прямой ток также будет очень мал. При увеличении напряжения прямой ток незначительно возрастает, т. к. увеличивается скорость движения носителей, а интенсивность рекомбинации уменьшается. При увеличении напряжения до определённой величины происходит электрический пробой коллекторного перехода. Сопротивление динистора резко уменьшается, ток через него сильно увеличивается и падение напряжения на нём значительно уменьшается. Считается, что динистор перешёл из выключенного состояния во включённое.

Основные параметры тиристоров (рис.2).

1. - Напряжение включения (Uвкл) – это напряжение, при котором ток через динистор начинает сильно возрастать.

2. - Ток включения (Iвкл) – это ток, соответствующий напряжению включения.

3. - Ток выключения(Iвыкл) – это минимальный ток через тиристор, при котором он

остаётся ещё во включённом состоянии.

4. - Остаточное напряжение (Uост) – это минимальное напряжение на тиристоре во включённом состоянии.

Рис.2

5. - Ток утечки (Io) – это ток через тиристор в выключенном состоянии при заданном

напряжении на аноде.

6. - Максимально допустимое обратное напряжение (Uобр.max).

7. - Максимально допустимое прямое напряжение (Uпр.max).

8. - Время включения (tвкл) – это время, за которое напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 напряжения включения.

9. - Время включения (tвыкл) – это время, за которое тиристор переходит из включённого в выключенное состояние.

Порядок выполнения работы:

1. Запустить Electronics Workbench.

2. Подготовьте новый файл для работы.

3. Перенесите необходимые элементы из заданной преподавателем схемы на рабочую область Electronics Workbench. Для этого необходимо выбрать раздел на панели инструментов (Sources, Basic, Diodes, Analog Ics, Mixed Ics, Digital Ics, Digital, Indicators, Controls, Miscellaneous, Instruments), в котором находится нужный вам элемент, затем перенести его на рабочую область.

4. Соедините контакты элементов и расположите элементы в рабочей области для получения необходимой вам схемы (рис.3). Для соединения двух контактов необходимо щелкнуть по одному из контактов основной кнопкой мыши и, не отпуская клавишу, довести курсор до второго контакта. В случае необходимости можно добавить дополнительные узлы (разветвления). Нажатием на элементе правой кнопкой мыши можно получить быстрый доступ к простейшим операциям над положением элемента, таким как вращение (rotate), разворот (flip), копирование/вырезание (copy/cut), вставка (paste).

5. Проставьте необходимые номиналы и свойства каждому элементу. Для этого нужно дважды щелкнуть мышью на элементе.

6. Когда схема собрана и готова к запуску, нажмите кнопку включения питания на панели инструментов. В случае серьезной ошибки в схеме (замыкание элемента питания накоротко, отсутствие нулевого потенциала в схеме) будет выдано предупреждение.

Рис.3

7. Изменяя переменным резистором (при нажатии клавиши <R> сопротивление уменьшается, при нажатии комбинаций клавиш <shift>-<R> сопротивление увеличивается) напряжение питания, снимите вольтамперную характеристику триодного тиристора Iпр=f(Uпр) при токах в управляющем электроде 5, 10, 15 мА, управляющий ток устанавливается с помощью переменного резистора (табл.1).

Таблица 1

№ опыта	= 5 mA		= 10 mA		= 15 mA
1	0		0		0
2	2		2		2
3	5		5		5
4	10		10		10
5	15		15		15
6	20		20		20
7	25		25		25
8	30		30		30

8. По данным измерений построить вольтамперные характеристики триодного тиристора.

9. По ВАХ тиристора определить основные параметры.

10. Снять пусковую характеристику тиристора U_пр=f(I_у)

Таблица 2

	0	5	10	15	20	25	30

11. Ответить на контрольные вопросы

Контрольные вопросы

Вопросы для предварительного опроса:

1. Как обозначается в схеме триодный тиристор?

2. Нарисовать электрическую схему для снятия ВАХ тиристора.

3. Для чего в цепь анода тиристора включен резистор R?

4. Нарисовать прямую ВАХ тиристора.

5. Как маркируются маломощные и мощные тиристоры?

Вопросы к защите:

1. Тиристоры: устройство и принцип работы

2. Типы тиристоров, их особенности.

3. Основные параметры тиристора.

4. Что называется тиристором?

5. Назовите основное свойство тиристора;

6. Сформулируйте принцип включения тиристора;

7. Как определить I а. уд.? Что он показывает?

8. Что такое U откр.? Что при этом напряжении происходит в тиристоре?

9. Почему тиристор называют управляемым вентилем?

10. Покажите на ВАХ участки соответствующие открытому и закрытому состоянию тиристора?

11. Какие составляющие токов протекают в управляемом тиристоре?

12. Какими способами можно включить тиристор?

13. Какими способами можно выключить тиристор?

14. Как меняется вольтамперная характеристика триодного тиристора при изменении тока на управляющем электроде?

15. Нарисовать электрическую схему для снятия ВАХ тиристора.

16. Для чего в цепь анода тиристора включен резистор R?

17. Принцип работы триодного тиристора.

18. Что такое остаточное напряжение тиристора?

19. Способы выключения тиристора.

20. Нарисовать пусковую характеристику тиристора.

21. Области применения тиристоров.

22. Особенности эксплуатации мощных тиристоров.