Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Исследование полупроводниковых выпрямителей и сглаживающих фильтров

В лабораторной работе изложена теория и исследуются схемы полупериодного и двухполупериодного выпрямления однофазного переменного тока и двухполупериодного выпрямления трехфазного переменного тока без фильтра и с набором различных сглаживающих фильтров. По результатам экспериментов рассчитываются коэффициенты пульсаций, сглаживания и снимаются внешние характеристики различных выпрямителей.

1. Цель работы

Изучить наиболее распространенные электрические схемы выпрямителей и сглаживающих фильтров однофазного и трехфазного переменного тока и экспериментально определить их основные характеристики.

2. Основные теоретические положения

2.1. Назначение и структурные схемы выпрямительных устройств

Выпрямителем принято называть устройство для преобразования переменного тока в постоянный, например, при помощи диодов. Выпрямители являются составной частью источников питания практически всех электронных устройств автоматики, радиотехники и связи. Большую роль играют выпрямители также и в технике сильных токов, где с их помощью осуществляется питание мощных промышленных установок постоянным напряжением (двигатели постоянного тока, контактные сети электрифицированного транспорта, сварочные устройства и т.д.).

В общем случае структурная схема неуправляемого выпрямительного устройства (рис.1) содержит трансформатор Т, выпрямитель В, сглаживающий фильтр Ф и стабилизатор выпрямленного напряжения Ст.

Рис.1. Структурная схема выпрямительного устройства

Трансформатор служит для изменения синусоидального напряжения сети С до необходимого уровня, которое затем выпрямляется. Сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на приемнике П нагрузки при изменении напряжения сети. Отдельные узлы (блоки) выпрямительного устройства могут отсутствовать, что зависит от условий работы.

2.2. Полупроводниковые диоды

Основные элементы неуправляемого выпрямителя - полупроводниковые диоды (рис. 2а) - двухэлектродные приборы, электрическое сопротивление которых зависит от полярности напряжения, приложенного к их переходу. Сопротивление диода весьма мало, если к его аноду (р - область) приложено напряжение положительной полярности. В этом случае диод открывается и пропускает значительный прямой ток. Если же к диоду приложить напряжение обратной полярности, то его сопротивление резко возрастает и ток через диод практически не идет.

Независимо от вида диода, его основные параметры следующие:

- средний ток при прямом включении диода Iпр. ср.;

- максимальное значение обратного напряжения Uo6p. макс.;

- величина внутреннего падения напряжения ∆Uпp, обусловленного прямым током.

Электрический диод тем совершенней, чем выше значения величин Uo6p. , Iпр. и чем меньше величина ∆Uпр.

Предельными эксплуатационными параметрами, характеризующими предельный режим использования диода, являются Uo6p. и Iпр., по которым и выбираются диоды. В таблице 1 даны технические данные наиболее применяемых диодов.

 Таблица 1

Тип диода

Iдоп, А (прямой ток)

Uобр, В

Тип диода

Iдоп, А (прямой ток)

Uобр, В

Д209

0,1

400

Д218

0,1

1000

Д214А

10,0

100

Д242

5,0

100

Д7Г

0,3

200

Д232

10,0

400

Д224

5,0

50

КД202А

3,0

50

Д226

0,3

400

КД202Н

1,0

500

2.3. Схемы выпрямления

Полупроводниковые диоды могут использоваться в различных схемах выпрямления. Существуют однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного однофазного или трехфазного напряжения. В настоящей работе используются однополупериодный и мостовой двухполупериод-ный выпрямители. Простейшей схемой является схема однополупериодного выпрямления переменного однофазного напряжения (рис. 2б).

Рис. 2. Полупроводниковый диод (а); электрическая схема (б) и временная диаграмма токов и напряжений (в) однополупериодного выпрямителя

В этом выпрямителе диод (вентиль) включен последовательно с нагрузочным резистором RH и вторичной обмоткой трансформатора Тр, Первичная обмотка трансформатора питается от сети.

Из временных диаграмм (рис. 2в) видно, что ток нагрузки iH имеет пульсирующий характер. В течение первого полупериода напряжения U2, когда потенциал точки a (φа), положительный по отношению к потенциалу точки b (φb), то есть φa > φb, диод открыт и в нагрузочном резисторе RH протекает ток IH. Во второй полупериод полярность напряжения U2 изменяется на противоположную, то есть φa < φb. При такой полярности диод закрывается, ток iH=0 и

к закрытому  диоду будет приложено максимальное напряжение

Заметим, что при изменении полярности включения диодов полярность выпрямленного напряжения на нагрузке изменится: выпрямленное напряжение станет отрицательным.

Более эффективна схема двухполупериодного выпрямления (мостовая) (рис. 3), так как среднее значение выпрямленного напряжения здесь вдвое больше, чем в схеме однополупериодного выпрямления.

Рис. 3. Электрическая схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б) мостового двухполупериодного выпрямителя.

Четыре диода Д1-Д4 соединены по мостовой схеме. В один из полупериодов напряжения сети, когда зажим а вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к зажиму b (φa > φb), диоды Д1 и Д3 открыты, а диоды Д2 и Д4 закрыты (рис. За). Ток в этот полупериод имеет направление: зажим а, диод Д1, резистор Rh, диод Д3 и зажим b. В другой полупериод (φa < φb) диоды Д1 и Д3 закрыты, а диоды Д2 и Д4 открыты. Ток

протекает от зажима b через Д4, резистор Rh, диод Д2 к зажиму а. При этом через нагрузочное сопротивление Rh протекает ток одного направления, то есть постоянный ток.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления (рис. 4а) совмещаются принципы однофазной схемы выпрямителя и многофазного выпрямителя.

Рис. 4. Электрическая схема (а) и временные диаграммы напряжений (б) трехфазного мостового выпрямителя

Выпрямитель подключается к трехфазному источнику переменного тока с напряжением ua, ub, uc (рис. 4б). Половина диодов выпрямителя (Д1, Д3, Д5) образуют группу, в которой соединены все катодные выводы, а у второй половины диодов (Д2, Д4, Д6) соединены все анодные выводы. Пульсации выпрямленного напряжения незначительные, а частота их равна удвоенному числу фаз выпрямителя, то есть при трехфазном питании - шести пульсациям за период (рис. 4б). Заметим, что максимальное значение выпрямленного напряжения в 1.73 раза больше амплитуды линейного напряжения трехфазного тока, тo ecть

Принципы построения управляемых однофазных и трехфазных выпрямителей такие же, как и неуправляемых выпрямителей, но диоды, то есть неуправляемые вентили, заменяются тиристорами, то есть управляемыми вентилями. Программа включения последних задается соответствующей последовательностью управляющих импульсов напряжения системы управления.

Лабораторная работа № 10

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И

ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Цель работы. Изучение принципа работы полевых транзисторов. Расчет и определение экспериментально малосигнальных параметров этих транзисторов.

Работа полевого транзистора основана на перемещении в его канале только одного типа носителей заряда, являющихся основными, или электронов, или дырок. Управление током в таких приборах осуществляется электрическим полем, что и определило название этих транзисторов как полевые. Исходя из конструктивных особенностей, различают транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы с изолированным затвором (структуры металл–диэлектрик–полупроводник, т. е. структуры МДП).

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Структура одной из разновидностей такого транзистора (с двойным затвором и каналом n-типа, а также его графическое изображение на принципиальных схемах представлены на рис. 10.1 а и 10.1 б соответственно. В приборе, изображенном на рис. 10.1 а между электродами истока И и стока С находится полупроводниковая область с проводимостью
n-типа. Поперечное сечение канала изменяется за счет изменения глубины обедненных слоев, создаваемых отрицательным напряжением на управляющих электродах (затворе). Области под затвором выполнены из материала р-типа и вместе с материалом канала n-типа образуют p-n-переходы, смещенные в обратном направлении. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно изменять поперечное сечение проводящего канала, а, следовательно, его сопротивление и величину тока стока.


Стоковые статические характеристики рассматриваемого полевого транзистора, изображены на рис. 10.2, имеют две резко выраженные области. Левая, почти линейная область, соответствует большому сечению канала. Правая, пологая область, соответствует насыщению и почти полному перекрытию проводящего канала или, другими словами, нулевому сечению канала. Эти области на рис. 10.2 отделены пара параболой (штриховая линия) порогового напряжения, при котором происходит перекрытие канала. Чаще всего в усилительном режиме работы транзистора используется правая часть статических характеристик, соответствующая области насыщения.


МДП-транзисторы. У транзисторов этого типа металлический затвор изолирован диэлектриком от подложки из полупроводника. Электроды истока и стока располагаются на поверхности подложки (рис. 10.3 а). Если между затвором и полупроводниковым проводящим каналом находится тонкий изолирующий слой окиси кремния, то такой транзистор называется полевым транзистором со структурой металл–окисел–полупроводник (МОП–транзистор). МДП-транзис-торы бывают двух типов: с обогащением и с обеднением. На рис. 10.3 представлены схематический разрез МДП-транзисторной структуры, а также графическое изображение на электрических схемах транзисторов с различными каналами.


Транзисторы с обогащением на электрических схемах имеют затвор, почти полностью перекрывающий проводящий канал. В частности, проводящий канал n-типа не создается специально, а образуется за счет притяжения электронов положительно заряженным затвором из материала подложки р-типа (рис. 10.3 в). Характерный вид стоковых статических характеристик транзистора с индуцированным каналом n-типа приведен на рис. 10.4.

В режиме насыщения оба перехода транзистора являются открытыми, сопротивление их мало и свойства транзистора в целом приближаются к короткому замыканию.

Управляющие характеристики (рис….) описываются формулой (1). В широком диапазоне токов эти характеристики линейны, однако при очень маленьких и очень больших токах наблюдаются отклонения от линейного закона, связанные с уменьшением величины α. Зависимость α от IЭ приведена на рис….. В обычно используемых режимах работы транзистора α≈const, однако при использовании нестандартных режимов с зависимостью α=f(IЭ) приходится считаться. При увеличении UКБ вследствие модуляции ширины базы ток IК, а значит, и наклон управляющей характеристики несколько увеличивается, однако это увеличение мало и им обычно пренебрегают.

Характеристики обратной связи (рис…..) описывают ту же функциональную зависимость UЭБ=f(IЭ, UКБ), что и входные характеристики, и отражают те же самые физические процессы. Поэтому для закрепления навыков анализа работы транзистора имеет смысл рассмотреть особенности этих характеристик самостоятельно. При этом следует обратить внимание на наклон этих характеристик к оси абсцисс и на неодинаковое расстояние между характеристиками обратной связи, снятыми при одинаковом приращении тока IЭ.

В схеме с ОЭ входным током является ток базы IБ, поэтому формула (1) неудобна для анализа и расчета электронных схем. Более удобной является формула, напрямую связывающая IК с IБ. Эту зависимость можно получить из формулы (1), если учесть, что IЭ= IК+ IБ. Тогда

откуда

Так как

то искомая формула принимает окончательный вид

 (5)

Особенности работы транзистора в схеме с ОЭ связаны с тем, что напряжение UКЭ приложено не к одному, а к двум p-n переходам, включенным последовательно (рис….).

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ, показаны на рис….. В активном усилительном режиме ток базы описывается формулой (2): IБ=(1-α)IЭ-IКБ0. Первое слагаемое этой формулы (1-α)IЭ описывает рекомбинационную компоненту тока базы (и пренебрежимо малый дырочный ток из базы в эмиттер), а вторая составляющая IКБ0 – ток обратно смещенного коллекторного перехода. Направления протекания этих токов в цепи базы являются противоположными, что легко увидеть на рис…., проследив направления движения электронов и дырок, составляющих эти токи.

При UБЭ=0 эмиттерный переход закрыт, IЭ=0 и IБ=-IКБ0. При увеличении UБЭ эмиттерный переход открывается и появляется противоположно направленная компонента базового тока, равная (1-α)IЭ. При UБЭ=UБЭ0 компоненты (1-α)IЭ и IКБ0 сравниваются и ток IБ становится равным нулю, что соответствует отключению базы от внешних цепей. Работа транзистора с отключенной базой (при IБ=0) связана с опасностью выхода транзистора из строя, поэтому технические условия для многих типов транзисторов запрещают работу транзистора в этом режиме. Более глубокий анализ физических процессов в транзисторе показывает допустимость работы с отключенной базой, но при условии уменьшения максимально допустимого напряжения UКЭ в несколько (до 4…6) раз. На практике такой режим работы оказывается типовым, например, для фототранзисторов.

При UБЭ>UБЭ0 ток IБ определяется рекомбинационной компонентой. Форма характеристики при этом оказывается экспоненциальной и подобной характеристике IЭ=f(UБЭ), так как множитель (1-α) не зависит от тока через эмиттерный переход. При больших токах базы начинает сказываться активное сопротивление базы для базового тока (r'Б) и входная характеристика становится практически линейной. (Этот эффект совершенно аналогичен влиянию сопротивления базы на характеристику полупроводникового диода). Величина r'Б является важным параметром транзистора, используемым при расчетах транзисторных устройств, особенно высокочастотных. При отсутствии сопротивления r'Б в справочнике его можно определить по входной характеристике транзистора в схеме с общим эмиттером, как показано на рис….. При этом существенно, что приращения ∆UБЭ и ∆IБ должны быть измерены на линейном участке входной характеристики. При изменении UКЭ на входную характеристику оказывает влияние модуляция ширины базы. С увеличением UКЭ коллекторный переход расширяется, база сужается, вероятность рекомбинации электронов снижается, и ток базы уменьшается. Соответствующая входная характеристика сдвигается вниз. Это изменение, однако, не очень велико (особенно у кремниевых транзисторов) и на практике им нередко пренебрегают.

При использовании кремниевых транзисторов следует учитывать их специфические особенности: пренебрежимо малый ток IКБ0 и заметное пороговое напряжение для тока IЭ. С учетом этих особенностей входная характеристика кремниевого транзистора в активном усилительном режиме имеет вид, показанный на рис…..

При UКЭ=0 работа транзистора коренным образом изменяется. В этом случае напряжение UБЭ оказывается подключенным в прямом направлении как к эмиттерному, так и к коллекторному переходу (рис….), оба перехода оказываются открытыми и транзистор переходит в режим глубокого насыщения. Прямой ток обоих переходов замыкается через цепь базы, так что самым большим током транзистора в этом режиме оказывается ток базы, а транзистор фактически превращается в два параллельно включенных прямо смещенных диода (рис….). По сравнению с активным усилительным режимом величина тока IБ при UКЭ=0 возрастает во много раз. В активном усилительном режиме ток базы составляет лишь небольшую часть тока эмиттера (величина (1-α) для большинства транзисторов лежит в пределах 0,05…0,005). При UКЭ=0 через базу проходит не часть, а весь ток эмиттера, к которому добавляется еще и прямой ток коллекторного перехода, величина которого еще больше, так как в реальном транзисторе площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного.

Выходные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при постоянном токе базы, показаны на рис….. На этих характеристиках ясно видны два различных участка, соответствующих двум основным режимам работы транзистора: активному усилительному режиму и режиму насыщения. Физические процессы, протекающие в каждом из этих режимов при включении транзистора по схеме с ОЭ, такие же, как и в схеме с ОБ, однако условия перехода от одного режима к другому для схем с ОБ и ОЭ неодинаковы. В схеме с ОБ источник коллекторного питания UКБ непосредственно подключен к коллекторному переходу, поэтому для перехода от одного режима к другому требуется просто поменять знак напряжения UКБ. При UКБ>0 транзистор будет работать в активном усилительном режиме, при UКБ<0 – в режиме насыщения. В схеме с ОЭ напряжение на коллекторном переходе UКП зависит не от одного, а от двух источников питания: UКП=UКБ=UКЭ-UБЭ (см. рис….). Поэтому для работы в активном усилительном режиме, для которого UКП>0, требуется обеспечить условие UКЭ-UБЭ>0, т.е. UКЭ>UБЭ. Для перехода в режим насыщения достаточно уменьшить UКЭ до величины, меньшей UБЭ. При UБЭ>UКЭ напряжение UКП=UКБ<0.

При работе в активном усилительном режиме в схеме с ОЭ ток IК, как и в схеме с ОБ, определяется в первую очередь режимом работы входной цепи, т.е. количеством электронов, инжектированных в базу через эмиттерный переход. При увеличении напряжения UБЭ (и связанного с ним тока IБ) число электронов, проходящих в базу через эмиттерный переход, увеличивается, а так как большая часть этих электронов уходит в коллектор, то увеличивается и IК.

В инженерной практике в качестве выходных характеристик биполярного транзистора обычно используются характеристики, снятые при постоянном токе базы (рис….). В активном усилительном режиме связь токов базы и коллектора между собой определяется формулой (5). При постоянной величине β эта зависимость линейна, поэтому в активном усилительном режиме отдельные характеристики семейства, снятые с постоянным шагом изменения тока базы находятся на одинаковом расстоянии ∆IК друг от друга (рис….). Из формулы (5) следует, что ∆IК=β∆IБ, где ∆IБ – шаг изменения тока базы.

Однако, в отличие от схемы с ОБ, выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ имеют заметный наклон к оси абсцисс. Первопричиной этого наклона также является модуляция ширины базы, но из-за необходимости поддержания постоянного тока базы при изменении UКЭ влияние модуляции ширины базы в схеме с ОЭ гораздо сильнее, чем в схеме с ОБ.

Взаимосвязь токов и напряжений транзистора в этом режиме становится более наглядной, если рассмотреть изменение режима работы транзистора при переходе из точки А в точку В (рис….). При увеличении напряжения UКЭ увеличивается напряжение UКБ, так как UКБ=UКЭ-UБЭ. С увеличением UКБ коллекторный переход расширяется, база сужается, и вероятность рекомбинации электронов в ней уменьшается. Это означает уменьшение тока IБ на некоторую величину ∆IБ и увеличение тока IК на ту же величину ∆IК=∆IБ. Рабочая точка транзистора при этом перемещается в точку С, соответствующую меньшему току базы. Для того, чтобы из точки С перейти в точку В, соответствующую прежнему значению IБ, необходимо путем увеличения напряжения UБЭ увеличить ток базы на величину ∆IБ. Ток IК при этом также увеличивается, но на большую величину ∆IК=β∆IБ. Таким образом, необходимость поддерживания величины тока IБ постоянной при увеличении UКЭ, приводит к появлению наклона выходных характеристик в активном усилительном режиме.

Для еще лучшего понимания особенностей выходной характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером имеет смысл рассмотреть численный пример. Пусть в некоторой точке выходной характеристики транзистора, имеющего β=20, величина IК=20 мA, а IБ=1 мА. Увеличим напряжение UКЭ до такой величины, чтобы вследствие эффекта Эрли ширина базы уменьшилась бы вдвое. Тогда IБ уменьшится до 0,5 мА, а ток IК вырастет до 20,5 мА. Чтобы довести ток IБ до прежней величины 1 мА, необходимо увеличить напряжение на эмиттерном переходе, увеличить ток IЭ, а значит, и IБ. Однако большая часть ток IЭ проходит не в базу, а в коллектор, и с увеличением тока базы на ∆IБ=0,5 мА величина IК увеличивается на ∆IК=β∆IБ=0,5·20=10 мА. В результате величина тока IК составляет 30,5 мА. При этом увеличение IК составляет величину 10,5 мА, из которой только 0,5 мА вызвано прямым влиянием модуляции ширины базы, а 10 мА является следствием необходимости поддержания постоянным тока базы.

При высоком коллекторном напряжении в схеме с ОЭ, как и в схеме с ОБ, наступает пробой коллекторного перехода, ток IК резко возрастает и возникает опасность выхода транзистора из строя. Напряжение пробоя в схеме с ОЭ существенно меньше, чем в схеме с ОБ, поэтому при проектировании электронных устройств необходимо учитывать, что предельно допустимое напряжение на коллекторе в схеме с ОЭ UКЭmax заметно меньше, чем соответствующее напряжение в схеме с ОБ UКБ max.

При уменьшении UКЭ до величины, меньшей UБЭ, транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме физические процессы, протекающие в транзисторе в схеме с ОЭ и ОБ, принципиальных отличий не имеют: в режиме насыщения открывается коллекторный переход, появляется встречный ток основных носителей из коллектора в базу и ток IК резко уменьшается. При этом выходные характеристики, соответствующие различным значениям тока базы, сливаются в одну общую кривую, ток IК перестает зависеть от IБ и транзистор теряет усилительные свойства. Так как оба перехода транзистора оказываются открытыми, то сопротивление транзистора резко падает и с точки зрения схемотехники транзистор приближается к короткому замыканию.

Математическим выражением для управляющих характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером является формула IК=βIБ+(β+1)IКБ0, которая иногда записывается в виде IК=βIБ+IКЭ0. Эти характеристики на рабочем участке линейны и в активном усилительном режиме мало зависят от UКЭ. При очень больших и очень малых токах IБ они искривляются вследствие уменьшения величины β в этих режимах (рис….).

Характеристики обратной связи (рис….) отражают те же физические явления, что и уже рассмотренные входные и выходные характеристики. Для лучшего понимания процессов в транзисторе имеет смысл проанализировать характеристики обратной связи самостоятельно. При этом следует обратить внимание на отображение на этих характеристиках двух основных режимов работы транзистора, на наклон характеристик к оси абсцисс и на то, что ни одна из них не начинается из начала координат.

Все характеристики транзистора зависят от температуры. Влияние температуры на входные характеристики (рис…..) объясняется тем, что с ростом температуры уменьшается контактная разность потенциалов φк и увеличивается ток IКБ0. Влияние температуры на выходные характеристики (рис….) проще всего увидеть, если использовать формулу IК=αIЭ+IКБ0 для схемы с ОБ и формулу IК=βIБ+(β+1)IКБ0 для схемы с ОЭ.

 Для  схемы с ОБ на выходных характеристиках IЭ = const. Так как и α ≈ const, то с увеличением температуры ∆IК=∆IКБ0. Хотя IКБ0 с увеличением температуры возрастает очень сильно (примерно вдвое на каждые 10оС), влияние этого фактора на ток IК мало вследствие малости самого тока IКБ0 (величина IКБ0 меньше αIЭ на несколько порядков). Поэтому схема с ОБ является термостабильной и, как правило, не требует специальной проверки на работоспособность в заданном диапазоне температур.

Для схемы с ОЭ ситуация другая. Величина β с увеличением температуры заметно возрастает (примерно вдвое при изменении температуры в диапазоне +60оС), да и влияние ∆IКБ0 увеличивается в (β+1) раз. Поэтому схема с ОЭ обладает плохой термостабильностью и для работы такой схемы в широком диапазоне температур необходимо принимать специальные меры.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике