МИНОБРНАУКИ РОССИИ ________________________________ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) ________________________________ КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Учебно-методическое пособие Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2021 УДК 621.38(07) ББК З 844-04я7+З 85-04я7 K63 Авторы А. Ю. Грязнов, Н. Е. Староверов, Е.Д. Холопова, В.Б. Бессонов, М.А. Колташев. Компоненты электронной техники: метод. указания к лаб. работам. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021. 52 с. ISBN 978-5-7629- Рассмотрены основные свойства и характеристики пассивных элементов электронной техники. Дается описание лабораторных работ по исследованию линейных и нелинейных резисторов, конденсаторов различных типов, катушек индуктивности, светодиодов, фотодиодов и наиболее распространенных схем однофазных выпрямителей и фильтров. Предназначено для студентов, обучающихся по УГСН 11.00.00 – «Электроника, радиотехника и системы связи». УДК 621.38(07) ББК З 844-04я7+З 85-04я7 K63 Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия ISBN 978-5-7629- © СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021 ВВЕДЕНИЕ Лабораторный практикум предназначен для закрепления практических навыков анализа характеристик наиболее часто используемых электронных компонентов – линейных и нелинейных резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и различных диодов. Лабораторные работы позволяют учащимся исследовать различные характеристики перечисленных компонентов – температурные, частотные, вольтамперные и некоторые другие. Работы выполняются на унифицированном стенде, содержащем необходимые источники питания, индикаторные устройства, мультиметры и сборочное поле для монтажа исследуемых элементов (рисунок). Мультиметр DT890B+ Генератор переменных сигналов Питание стенда Нагревательный элемент Индикатор перегрева Источник постоянного напряжения Шина источника питания Изолированные шины Заземленная шина Мультиметр M890C+ Унифицированный лабораторный стенд Питание лабораторного стенда осуществляется от сети 220 В, включение/выключение стенда осуществляется кнопкой, расположенной на задней панели стенда. Внутри стенда находятся вспомогательные понижающие блоки питания, обеспечивающие работу следующих элементов стенда: 3 цифрового генератора переменных сигналов (выходное напряжение до 8 В, частота сигнала – до 1 МГц, форма сигнала может быть синусоидальной, пилообразной или меандром); источника постоянного напряжения 0…26 В (во избежание выхода стенда из строя категорически запрещается подключать шину питания напрямую к шине заземления); нагревательного элемента, в качестве которого используется полый проволочный резистор мощностью 10 Вт, внутрь которого помещаются исследуемые компоненты; мультиметров DT890B+ и M890C+, позволяющих измерять ток, напряжение, сопротивление, электрическую ёмкость (мультиметр M890C+ также обеспечивает возможность измерения температуры при помощи термопары, закрепленной в нагревательном элементе). Цепи питания мультиметров и цепь, в которой выполняются измерения, развязаны между собой, чтобы избежать искажения показаний мультиметров в ходе измерений. Для выполнения некоторых лабораторных работ используется осциллограф. Общий порядок исследования характеристик компонентов: мультиметр переключается на измерение требуемой величины; исследуемые компоненты подключаются к шинам в соответствии со схемой измерений; соединительные перемычки подключаются к разъемам мультиметра (необходимо соблюдать правильность подключения к гнездам: неправильное подключение может привести к выходу мультиметра из строя); перемычки от разъемов мультиметра подключаются к разъемам шин, к которым подключен исследуемый компонент. Лабораторным стендом и исследуемыми компонентами следует пользоваться очень аккуратно. При подключении компонентов к шинам нельзя применять излишние усилия. При работе необходимо соблюдать правила техники безопасности (питание стенда осуществляется напряжением 220 В, а отдельные элементы могут нагреваться до 100 °С). Для удобства выполнения работ пособие снабжено формами протоколов (см. Приложения). Правила оформления отчетов представлены на сайте СПбГЭТУ https://etu.ru/ru/studentam/dokumenty-dlya-ucheby/ 4 Лабораторная работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСТОЯННЫХ РЕЗИСТОРОВ Цель работы – ознакомление с системой маркировки, типами, классами точности и температурными зависимостями сопротивления линейных постоянных резисторов. Основные сведения о постоянных резисторах Резистором называют элемент электронной аппаратуры, обладающий свойством активного электрического сопротивления. В зависимости от применяемых материалов, резисторы могут быть линейными (зависимость падения напряжения от тока представляет собой линейную функцию) и нелинейными, у которых сопротивление изменяется под воздействием тока или напряжения. Мощные проволочные резисторы (от 5 до 1000 Вт) имеют трубчатое керамическое основание, на котором намотана спираль из нихрома (Ni 80 % + Cr 20 %) или других сплавов, содержащих никель и хром. У самых мощных резисторов спираль оголена, а у резисторов мощностью до 250 Вт покрыта защитным слоем стеклоэмали. Композитные (объемные) резисторы (обычно мощностью от 0,125 до 2 Вт) представляют собой спеченную или полимеризованную многокомпонентную смесь, содержащую материал-связку (керамика, эпоксидная смола и др.) и проводящий компонент (обычно на основе углерода). Пленочные резисторы (обычно от 0,075 до 2 Вт) состоят из резистивного материала в виде пленки, нанесенной на диэлектрическое основание цилиндрической формы (объемные пленочные резисторы для навесного монтажа) или на плоское основание (резисторы для поверхностного монтажа или SMDрезисторы), а по типу пленки подразделяются на углеродистые, металлопленочные, металлооксидные и металлодиэлектрические. Основными параметрами постоянных резисторов являются номинальное сопротивление, допустимое отклонение, номинальная рассеиваемая мощность и температурный коэффициент сопротивления. Значение сопротивления резистора обычно указывается на его корпусе. Маркировка резисторов выполняется различными способами, но наиболее часто используется запись трех- или четырехзначным числовым кодом. В этом случае первые две (для трехзначного кода) или три (для четырехзначного кода) цифры задают значащую часть номинала сопротивления, а последняя (соответственно 5 третья или четвертая) выражает степень десятки. То есть маркировка 123 обозначает R = 12·103 = 12 кОм, а маркировка 5432 – R = 543·102 = 54,3 кОм. Другой широко распространенной системой маркировки резисторов является цветовое кодирование. На резистор в этом случае наносят цветные кольца, которыми в случае четырех колец шифруют номинальное значение и допуск, а менее распространенная кодировка шестью кольцами кодирует также значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС или αR) (рис. 1.1). Сведения о соответствии цветов цифрам представлены в табл. 1.1. Рис. 1.1. Маркировка цветовым кодом Таблица 1.1 Сведения о соответствии цветов цифрам маркировки резисторов Номинальное сопротивление, Ом Допуск, ТКС, Цвет кольца Первая Вторая Третья Множи% ppm/°С цифра цифра цифра тель Серебристый – – – ±10 – 10–2 Золотистый Черный Коричневый Красный – – 1 2 – 0 1 2 – – 1 2 10–1 1 10 102 ±5 – ±1 ±2 – 200 100 50 Оранжевый 3 3 3 – 15 Желтый 4 4 4 103 104 – 25 Зеленый 5 5 5 ±0,5 – Голубой 6 6 6 105 106 ±0,25 10 Фиолетовый 7 7 7 Серый 8 8 Белый 9 9 6 ±0,1 5 8 107 108 ±0,05 1 9 109 – – Допустимое отклонение – значение, на которое реальное сопротивление резистора может отличаться от указываемого на корпусе, а в резисторах, используемых в лабораторных работах, может составлять до 10 %. Температурный коэффициент сопротивления характеризует чувствительность сопротивления резистора к изменениям температуры. Температурный коэффициент сопротивления выражают в относительных единицах. Так как температурные изменения сопротивления резисторов очень малы, в справочниках αR указывают в единицах миллионных долей относительного изменения сопротивления на градус Цельсия (10–6/ °С). В настоящее время во многих справочниках вместо 10–6 принято обозначение ppm (parts per million – «частей на миллион»). ТКС записывают в этом случае в ppm/ °С. Значение αR резистора [ppm/°С] определяется по формуле 1 R (1.1) R 106 , R T где R – сопротивление резистора при некоторой заданной температуре; ∆R – изменение сопротивления при изменении температуры на ∆Т. Порядок выполнения исследований 1. Выполнить расшифровку номинальных сопротивлений постоянных резисторов по маркировке, результаты занести в протокол. 2. Включить стенд и мультиметры. 3. Установить мультиметр DT890B+ в необходимый диапазон измерения сопротивлений (ближайший выше значения, определенного по маркировке, например, для 36 Ом установить 200 Ом, для 7,5 кОм – 20 кОм и т. д.). 4. Установить мультиметр M890C+ в диапазон измерений температуры, записать его показания (комнатную температуру) в протокол. 5. Поместить первый из исследуемых резисторов в нагревательный элемент, подключить выводы резистора к шинам. К этим же шинам подключить мультиметр DT890B+. Собранная схема должна соответствовать рис. 1.2. 6. Записать показания мультиметра DT890B+ в протокол. 7. Включить нагревательный элемент. Когда температура достигнет 50 °С и 80 °С – записать показания в протокол. 8. Заменить исследуемый резистор, отключить нагревательный элемент. Резистор через 1–2 минуты приобретет температуру нагревательного элемента и начнет вместе с ним остывать. При температурах 80 °С и 50 °С записать показания в протокол. 7 Рис. 1.2. Измерение температурной зависимости сопротивления резистора R R1 а) б) Рис. 1.3. Схемы измерений: а) – для пп. 5-9, б) – для п. 10 9. Повторить измерения по пп. 7 и 8 для третьего (в режиме нагрева) и четвертого резистора (в режиме остывания), разобрать схему измерений. 10. Используя блок из трех резисторов с неизвестными номиналами последовательно измерить сопротивления сторон «треугольник» (рис 1.3. б), записать показания в протокол. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений (рис. 1.3). 2. Заполненная таблица 1.2, в которую должны быть внесены результаты расчета температурных коэффициентов сопротивления для диапазонов от комнатной температуры до 60 °С и от 60 °С до 90 °С (по формуле 1.1). 3. Графики зависимости сопротивления от температуры для всех исследованных резисторов (рекомендуется построить все четыре графика в одних 8 осях. Для оптимального отображения всех резисторов рекомендуется по оси R(T) использовать логарифмическую шкалу). Таблица 1.2 Результаты исследования ТКС постоянных резисторов αR, ppm Сопротивление, R, _Ом № Тип резистора 1 Композитный 2 Углеродный 3 4 по маркировке при __˚С (комн.) при 50˚С при 80˚С Диапазон «__˚С – 50˚С» Диапазон «60˚С – 80˚С» Металлопленочный Металлооксидный 4. Подробный расчет сопротивлений резисторов в блоке «треугольник». После получения результата определить вероятное значение каждого резистора при условии, что все резисторы относятся к одному номинальному ряду (например, для результата «1,234 кОм» указать «1,2 кОм из ряда Е24»). 5. Выводы с анализом полученных характеристик, описанием соответствия этих характеристик теории, причины отличий. Лабораторная работа 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМИСТОРОВ И ПОЗИСТОРОВ Цель работы – ознакомление с характеристиками нелинейных полупроводниковых резисторов – терморезисторов. Основные сведения о терморезисторах В работе исследуются температурные характеристики полупроводниковых терморезисторов с отрицательным ТКС (Negative Temperature Coefficient – NTC-термисторы или просто термисторы) и положительным ТКС (Positive Temperature Coefficient – PTC-термисторы или позисторы). Термисторы состоят из поликристаллической смеси различных спеченных оксидов (например, Fе2O3, Zn2TiO4, MgCr2O4 и TiO2), сверху компо- 9 ненты покрываются защитной стеклоэмалью. Они характеризуются круто падающей монотонной зависимостью сопротивления от температуры. Эта зависимость описывается выражением: RT R0 e B(1/T 1/T0 ) , (2.1) где RT – сопротивление термистора при текущей температуре T; R0 – номинальное сопротивление термистора, указываемое для температуры T0, равной +25 °C или 298 K; B – постоянная, зависящая от материала резистора (значение B обычно лежит в пределах от 1000 до 6000 K). Характер зависимости сопротивления термистора от температуры иллюстрируется рис. 2.1. По определению температурный коэффициент сопротивления любого резистора находится по формуле (1.1). Если подставить (2.1) в (1.1) и взять производную, то получим следующее выражение для ТКС NTC-термистора: B T 2 . (2.2) T При использовании данной формулы следует помнить, что В и Т выражаются в кельвинах. Из (2.2) следует, что Т термистора не является константой, а зависит от температуры (это отражено в обозначении Т вместо R). Во всей области рабочих температур (обычно от –55 до +155 °С) абсолютное значение Т термисторов оказывается в десятки раз большим, чем у линейных постоянных резисторов. 10 RT, Ом R, Ом Rmax 6 10 104 103 B2 B1 R2 4 10 102 R1 101 2 10 Rref RN Rmin 100 10–1 –25 0 25 50 100 150 200 T, ºC Рис. 2.1. Типовые температурные зависимости термисторов 25 Tmin Tref T1 T2 Тmax T, ºC Рис. 2.2. Типовая температурная зависимость позистора Термисторы широко используются в системах автоматики как датчики температуры и в устройствах компенсации температурного дрейфа выходных сигналов усилителей. Позисторы обычно изготавливаются на основе поликристаллической керамики из титаната бария (BaTiO3), легированной различными примесями. Сопротивление позисторов на несколько порядков возрастает после превышения их температуры над некоторым значением (Tref), что связано с фазовым переходом из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое (рис. 2.2). Масштаб по оси ординат принято отображать логарифмическим, поскольку рост сопротивления от температуры носит почти экспоненциальный характер. В области резкого увеличения сопротивления Т позистора приблизительно постоянен. Тогда, если на этом участке известны два значения сопротивления, например, R1 и R2, которые соответствуют двум температурам Т1 и Т2, то для Т будет справедливо: ln( R1 / R2 ) T . (2.3) T1 T2 В пределах этого температурного диапазона, зная сопротивление для некоторой температуры, можно рассчитать, каким станет сопротивление при другой температуре: R2 R1 exp αT T2 – T1 . 11 (2.4) С помощью формулы (2.4) может быть рассчитано сопротивление позистора для выбранной температуры на основании его справочных данных. В этом случае вместо сопротивления R1 и температуры T1 используют Rref и Tref соответственно. Позисторы нашли широкое применение в схемах ограничения тока, а также как высокочувствительные датчики температуры. Порядок выполнения исследований 1. Включить стенд и мультиметры, установить мультиметр DT890B+ в необходимый диапазон измерения сопротивления (в зависимости от номинала термистора), а мультиметр M890C+ – в диапазон измерений температуры, записать его показания в протокол. 2. Поместить термистор B57045 (R0 = 10 кОм или 1 кОм) в нагревательный элемент, собрать схему в соответствии с рис. 1.2. Включить нагревательный элемент. Снять зависимость сопротивления термистора от комнатной температуры до температуры 80 °С. Результаты исследований занести в протокол. 3. Повторить измерения для термистора B57164 (R0 = 2 кОм). 4. Заменить термистор на позистор и повторить измерения по п. 3, нагревая его до температуры 90 оС (изменять диапазон мультиметра в зависимости от роста сопротивления). Результаты исследований занести в протокол. 5. Для измерения вольтамперной характеристики позистора в режиме саморазогрева собрать схему в соответствии с рис. 2.3. 12 A + RT V Рис. 2.3. Схема измерения ВАХ позистора 6. Постепенно увеличивая напряжение источника питания от 0 до 20 В, снять зависимость тока, протекающего через позистор, от подаваемого на него напряжения. Результаты исследований занести в протокол. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений (рис. 1.3, а и рис. 2.3). 2. Заполненная для каждого термистора таблица 2.1, в которую должны быть внесены результаты расчета Т. Значения Т рассчитываются по данным соседних столбцов таблицы с помощью формулы (1.1). Т и RT каждого столбца (кроме первого и последнего) участвуют в расчетах дважды как левая и правая границы выделяемых интервалов. Таблица 2.1 Исследование температурной зависимости сопротивления термистора Температура T, °С Комн. 30 40 … … 80 13 Температура T, К Сопротивление RT, _Ом Т, ppm/K 3. Графики зависимости сопротивления термисторов от температуры. 4. Заполненная для позистора таблица 2.2, в которую должны быть внесены результаты расчета Т для диапазонов от комнатной температуры до 90 оС, а также рассчитанное экстраполированное значение температуры при 125 оС. Расчет Т выполняется по (2.3) для возрастающей ветви зависимости. На основании рассчитанного значения Т с помощью (2.4) выполняется экстраполяция графика до температуры 125 оС. Таблица 2.2 Исследование температурной зависимости сопротивления позистора Температура T, °С Комн. 30 40 … 90 125 Температура T, К Сопротивление RT, Ом T, ppm/°С 5. График зависимости сопротивления позистора от температуры (для оптимального отображения хода зависимости целесообразно по оси R(T) использовать логарифмическую шкалу). 6. Заполненная таблица 2.3, в которую должны быть внесены результаты измерения вольтамперной характеристики позистора в режиме саморазогрева. Таблица 2.3 Результаты исследования вольтамперной характеристики позистора Напряжение U, B 0 1 2 … … 20 Ток I, мА 0 7. График вольтамперной характеристики позистора. 8. Выводы (с анализом полученных характеристик, описанием соответствия этих характеристик теории, причины отличий). Лабораторная работа 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВАРИСТОРОВ И ФОТОРЕЗИСТОРОВ Цель работы – исследование характеристик варисторов и фоторезисторов. Основные сведения о варисторах и фоторезисторах 14 Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы, сопротивление которых начинает резко падать, если приложенное напряжение увеличивается сверх определенного значения. Вольтамперная характеристика варистора (рис. 3.1) симметрична относительно начала осей координат. Варисторы изготавливают методами керамической технологии из карбида кремния или оксидов металлов. Уменьшение сопротивления с ростом напряжения связано с падением сопротивления контактов между зернами SiC или оксида. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через p–n-переходы, образующиеся на этих контактах в результате автоэлектронной эмиссии из острых участков зерен. Основными параметрами варисторов являются классификационное напряжение Uкл, максимально допустимая выделяемая энергия W и средняя рассеиваемая мощность. НапряжеI, A ние Uкл соответствует току через варистор, равному 1 мА. Варисторы всегда работают при напряжениях выше Uкл, так как основное применение варисторов – защита от кратковременных перенапряжений шунUкл тирующим воздействием. Одним из наиболее информаUкл U, В тивных параметров варистора является их вольтамперная характеристика. Она может быть измерена несколькими методами. Наиболее простой из них – прямой, когда ток в цепи измеряется амперметром, подключенным к исследуемому элементу последовательно, а напряжеРис. 3. 1. ВАХ варистора ние на элементе – вольтметром, подключенным к исследуемому элементу параллельно. Однако если измеряемые токи малы, то целесообразно использовать схему косвенных измерений, приведенную на рис. 3.2. 15 В этом случае падение напряжения на исследуемом элементе Rиссл определяется также вольтметром, подключенным к нему параллельно, а ток, протекающий в схеме, рассчитывается как отношение напряжения, падающего на балластном резисторе Rб к величине этого сопротивления. Фоторезистор – сопротивление на основе полупроводникового соединения, изменяющее свое значение при облучении светом видимого или инфракрасного диапазона. Поскольку фоторезистор не имеет p-n-перехода, то обладает одинаковыми свойствами независимо от направления протекающего через него тока. Rб V Rиссл + V Рис. 3.2. Схема косвенного измерения ВАХ Основными характеристиками являются его спектральная чувствительность, т. е. зависимость сопротивления от длины волны падающего на него света (рис. 3.3.) и функциональная зависимость, т. е. зависимость величины сопротивления освещенности (рис. 3.4.). 16 Рис.. 3.3. Спектральная чувствительность фоторезистора на основе CdS Рис. 3.4. Функциональная зависимость фоторезистора Порядок выполнения исследований 1. Измерить с помощью любого мультиметра сопротивление балластного резистора (Rном = 2,2 Ом), записать результат в протокол. 2. Включить стенд и мультиметры, установить мультиметр DT890B+ в режим вольтметра постоянного напряжения («200 мВ»), а мультиметр M890C+ – в режим вольтметра постоянного напряжения («20 В»). 3. Собрать схему для измерения вольтамперной характеристики варистора S10K11 (с классификационным напряжением 18 В) в соответствии с рис. 3.2 (косвенным методом) 3. Снять вольтамперную характеристику варистора S10K11 и занести результаты в протокол. Поскольку при достижении классификационного напряжения Uкл начинается быстрый рост тока, то в области Uкл характеристика снимается с очень малым шагом, ориентируясь на показания вольтметра регистрирующего падение напряжения на балластном резисторе, что отражено в таблице протокола (см. приложение). Не поднимать напряжение источника питания до значений, при которых падение напряжения на балластном резисторе превысит 50 мВ. 4. Повторить измерения по пп. 2–3 для варистора CT1206M6G (классификационное напряжение 11 В). Не поднимать напряжение источника питания до значений, при которых падение напряжения на балластном резисторе превысит 30 мВ. 5. Для измерений функциональной зависимости и спектральной чувствительности фоторезистора открыть на экране электронного устройства (мобильного телефона или планшета) рис. 3.5. 17 Рис. 3.5. Серая и цветовая шкалы для исследования фоторезистора 6. Подключить фоторезистор к любому из мультиметров и, перемещая его торец по экрану электронного устройства, измерить зависимость его сопротивления от яркости (от 0 до 100 %) и от длины волны (от 400 до 700 нм). Результаты измерений занести в протокол. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений (рис. 3.2). 2. Заполненная таблица 3.1 для каждого варистора (S10K11 и CT1206M6G). Таблица 3.1 Исследование вольтамперной характеристики варистора Напряжение U, В 0 Напряжение Uб, мВ 0 Ток I, мА 0 3. График вольтамперных характеристик варисторов (для обоих варисторов на одном рисунке). 4. Заполненная таблица 3.2. и график функциональной зависимости сопротивления фоторезистора (на одном графике строится теоретическая и экспериментальная зависимости; экспериментальные результаты нормируются на максимальное сопротивление (при нулевой освещенности). Таблица 3.2 Исследование функциональной зависимости сопротивления фоторезистора Освещенность, % Теор. отн. сопротивление, у.е. Сопротивление, кОм Эксп. отн. сопротивление, у.е. 0 1 10 20 30 0,65 40 0,4 18 50 60 0,25 70 80 0,15 90 100 0,10 5. Заполненная таблица 3.3. и график спектральной зависимости проводимости фоторезистора (на одном рисунке строятся теоретическая и экспериментальная зависимости; экспериментальные результаты нормируются на максимальное значение проводимости, полученное при эксперименте). 700 675 650 625 600 575 550 525 500 475 450 425 Длина волны, нм. 400 Таблица 3.3 Исследование спектральной зависимости проводимости фоторезистора Теор. отн. 0,3 0,4 0,5 0,62 0,75 0,9 1,0 0,8 0,75 0,6 0,45 0,3 0,2 проводимость, у.е. Сопротивление, кОм Эксп. отн. проводимость, у.е. 6. Выводы (с анализом полученных характеристик, описанием соответствия этих характеристик теории, причины отличий эксперимента и теории). Лабораторная работа 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ ПОСТОЯННОЙ ЕМКОСТИ Цель работы – ознакомление с различными видами конденсаторов постоянной емкости, исследование температурной стабильности емкости и процессов зарядки и разрядки конденсаторов. Основные сведения о конденсаторах Конденсатор предназначен для накопления электрического заряда. Любые два проводника, разделенные диэлектриком, образуют конденсатор. Заряд конденсатора Q связан с напряжением U на его электродах и его емкостью С выражением Q = CU. Основная характеристика конденсатора – емкость – выражается в фарадах [Ф]. Реальные конденсаторы обычно имеют емкость, составляющую миллиардные, миллионные или тысячные доли фарада. Поэтому для маркировки их емкости используются производные единицы: пикофарады (1 пФ = 10–12 Ф), нанофарады (1 нФ = 1000 пФ = 10–9 Ф) и микрофарады (1 мкФ = 1000 нФ = 10– 6 Ф). Наиболее часто емкость указывают на корпусе конденсатора в явном виде, например: 510 пФ; 15 нФ; 0,022 мкФ; 100 мкФ, 510 pF; 15 nF; 0,022 μF; 19 100 μF. На конденсаторах малого размера принято не указывать единицы измерения: их емкость всегда выражают в пикофарадах числовым кодом, в котором первые две цифры являются значащими, а последняя цифра указывает степень N множителя 10N. Например, маркировка «102» на корпусе конденсатора означает емкость 10∙102 пФ = 1000 пФ. Допустимые отклонения емкости конденсатора от номинального значения обычно связаны с температурными нестабильностями в диапазоне рабочих температур. На пленочных, бумажных и электролитических конденсаторах допуск приводится в маркировке и указывается в процентах, например: ±5 %; ±10 %; ±20 %. Здесь принято два вида обозначений допуска. Для конденсаторов с предсказуемой монотонно изменяющейся зависимостью емкости от температуры, т. е. с известным значением температурного коэффициента емкости (ТКЕ), введены группы термостабильности, указываемые на корпусе конденсатора вместе с его номинальной емкостью (табл. 4.1). Таблица 4.1 Группы термостабильности конденсаторов с постоянным ТКЕ Относительное изменение емкости, +100 +33 0 –47 –75 –150 –750 ppm/°C Отечественное П100 П33 МП0 М47 М75 М150 М750 обозначение Зарубежное A B G H L P U обозначение –1500 М1500 – Для этой группы конденсаторов во всем диапазоне рабочих температур с определенным допуском, достигающим ±20–100 % от объявленного значения, ТКЕ может быть задан как величина, рассчитываемая по формуле 1 dC 1 ΔC αC ТКЕ . (4.1) C dT C ΔT Обозначение группы термостабильности конденсаторов отечественного производства, у которых в пределах рабочих температур изменение емкости не имеет монотонного характера, начинается с русской буквы Н, далее указывается допуск (в процентах) изменения емкости (табл. 4.2). Зависимости тока и напряжения на конденсаторе во время переходных процессов в RC-цепях с источниками постоянного напряжения описываются экспоненциальной функцией. Общее решение дифференциального уравнения 20 для цепи зарядки/разрядки конденсатора С через резистор R дает следующую зависимость напряжения на конденсаторе от текущего времени: U (t ) U – U – U 0 exp –t τ , (4.2) где U – напряжение на конденсаторе после окончания переходного процесса, т. е. для времени t = ∞; U0 – напряжение на конденсаторе в момент начала переходного процесса, т. е. для t = 0; τ = RC – постоянная времени цепи зарядки/разрядки. Таблица 4.2 Группы термостабильности конденсаторов с неопределенным ТКЕ Относительное изменение ±10 ±20 ±30 ±50 ±70 Более ±70 емкости (∆С/С), % Отечественное Н10 Н20 Н30 Н50 Н70 Н90 обозначение 2E Зарубежное 2D 2F 2B 2C – обозначение (–30 %+20 %) (–55 %+20 %) (–80 %+30 %) Если конденсатор изначально не заряжен (U0 = 0), а к моменту полной зарядки (при t = ∞) напряжение на нем становится равным напряжению источника питания (U= UП), то формула (4.2) приобретает вид U t Uп 1– exp –t τ . (4.3) Напротив, если в начале переходного процесса (t = 0) конденсатор был заряжен до напряжения U0, а к концу переходного процесса он разряжается до нуля, т. е. U = 0, то формула (4.2) приводится к виду U t U 0 exp –t τ . (4.4) Порядок выполнения исследований 1. Включить стенд и мультиметры. 2. Установить мультиметр DT890B+ в необходимый диапазон измерения емкости, установить мультиметр M890C+ в диапазон измерений температуры, записать его показания (комнатную температуру) в протокол. 3. Поместить конденсатор с керамикой типа X7R (с голубой меткой, номинальная емкость – 2,4 нФ) в нагревательный элемент, подключить выводы конденсатора к мультиметру M890C+. Собранная схема должна соответствовать рис. 4.1. 21 С AVO Рис. 4.1. Измерение температурной зависимости емкости конденсатора 4. Включить нагревательный элемент. Через каждые 10 оС, переключая диапазоны измерения мультиметра между емкостью и температурой, измерить зависимость емкости конденсатора от температуры, нагревая его до 80оС. Результаты исследований занести в протокол. 5. Заменить конденсатор с керамикой X7R на конденсатор с керамикой M1500 (номинальная емкость – 100 нФ) и повторить измерения по пп. 3–4; результаты исследований занести в протокол. 6. Измерить сопротивления балластных резисторов Rб1 и Rб2, результаты занести в протокол. 7. Для измерения процесса зарядки и разрядки конденсатора с емкостью 1000 мкФ с резистором Rб1 собрать схему в соответствии с рис. 4.2. При подключении соблюдать полярность конденсатора (красный провод к источнику питания, черный – к заземлению). До начала измерений одна клемма балластного резистора Rб1 ни к чему не подключается (положение «1»). 22 Rб Rб С + С V V «2» «3» Рис. 4.2. Исследование процесса зарядки и разрядки конденсатора: «2» – момент начала зарядки; «3» – момент начала разрядки 8. Приготовить секундомер, включить стенд, выставить напряжение на источнике питания 18 В, убедиться, что заряд конденсатора равен 0. 9. Включить клемму Rб1 в положение «2» с одновременным запуском секундомера. Через каждые 10 с записывать в протокол показания вольтметра в течение 120 с. Далее для исследования процесса разрядки конденсатора резистор Rб1 переключить в положение «3» – заземлить, что приведет к тому, что конденсатор начнет разряжаться через резистор Rб1. Начиная с достигнутого при зарядке значения, через каждые 10 с записывать в протокол показания вольтметра в течение 120 с. 10. Повторить измерения по п. 7–9 с балластным резистором Rб2. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений (рис. 4.1,4.2). 2. Заполненная табл. 4.3 с рассчитанными значениями ТКЕ по формуле 4.1 (значения ТКЕ рассчитываются по данным соседних столбцов таблицы для каждого столбца кроме первого, данные температуры и емкости каждого столбца участвуют в расчетах дважды). 23 Таблица 4.3 Результаты исследования ТКЕ конденсаторов Температура T, ˚С __ 30 40 50 60 Емкость X7R, ____Ф ТКЕ X7R, ppm/°С Емкость Y5V, ____Ф ТКЕ Y5V, ppm/°С 70 80 3. Графики зависимости емкости и ТКЕ от температуры. 4. Заполненная табл. 4.4 для Rб1 (расчет теоретических зависимостей зарядки и разрядки конденсатора выполняется по формулам 4.3. и 4.4). Таблица 4.4 Результаты исследования зарядки и разрядки конденсатора 1000 мкФ Время t, с 0 10 20 30 … 120 0 Uз. э конденсатора (эксп.), В … Uр. э конденсатора (эксп.), В 15 … Uз. т конденсатора (расч.), В 0 … Uр. т конденсатора (расч.), В 15 … 5. Графики экспериментальной и теоретической зависимостей изменения напряжения от времени на конденсаторе при его зарядке и разрядке (для удобства анализа все четыре графика выполнять на одном рисунке). 6. Результаты расчета, таблицы и графики, аналогично пп. 4 – 5 для Rб2. 7. Выводы (с анализом полученных характеристик). Лабораторная работа 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ Цель работы – ознакомление с основными параметрами катушек индуктивности и методами их измерений. Основные сведения об индуктивностях Движущиеся заряды порождают магнитное поле. Магнитное поле имеет направленный характер и характеризуется векторной величиной В, называемой электромагнитной индукцией. Было бы логично присвоить величине В, по аналогии с напряженностью электрического поля Е, название «напряженность магнитного поля». Однако по историческим причинам это название носит вспомогательная величина Н, аналогичная вектору электрического смещения D. Связь между В и Н определяется формулой: (5.1) B μ0 μ H , 24 где 0 = 410-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума (воздуха); μ – относительная магнитная проницаемость вещества по отношению к вакууму. Магнитное поле удается сконцентрировать внутри катушки, образованной множеством близко расположенных витков с током I. Если принять, что все составляющие индукции по сечению катушки S равны некоторому среднему значению В, что справедливо для катушек с сердечником, то отдельные значения B суммируются в полный поток электромагнитной индукции, или магнитный поток, определяемый как = BS = LI, (5.2) где L – коэффициент пропорциональности между током и полным магнитным потоком катушки, называемый индуктивностью катушки. Индуктивность зависит от геометрии катушки, от магнитной проницаемости сердечника и магнитных свойств окружающей среды. Так, для дросселей с замкнутыми тороидальными магнитопроводами индуктивность определяется формулой N 2 μ0 μ S L , lср (5.3) где N – количество витков; S – сечение магнитопровода; lср – средняя длина окружности, определяемая как полусумма длин окружностей внутреннего и внешнего контуров магнитопровода. В лабораторной работе используется сердечник с μ = 2500, lср = 78 мм, S = 54 мм2. Единицей индуктивности является генри [Гн]. Одному генри соответствует индуктивность катушки без сердечника, которая развивает поток электромагнитной индукции в 1 Вб (вебер) в результате протекания тока 1 А. В соответствии с законом Ленца изменение магнитного потока Ф, пронизывающего замкнутый контур, порождает в нем индуцированную ЭДС (Е): dΦ E . (5.4) dt С учетом (5.2) из (5.4) получаем выражение для ЭДС катушки индуктивности при изменении протекающего через нее тока: dI E L . (5.5) dt Из этого следует, что включение индуктивности последовательно с цепью нагрузки, питаемой пульсирующим источником тока, снижает его пульсации за счет возникающей ЭДС самоиндукции. Если предположить, что ток в катушке изменяется от некоторого значения I до нуля, то работа, совершаемая 25 этим током за время dt, будет определяться как dA = EIdt. Тогда, если индуктивность не зависит от тока, очевидно, что магнитное поле является носителем энергии, за счет которой и совершается данная работа. Таким образом, катушка L, через которую протекает ток I, запасает энергию W, равную LI 2 W . (5.6) 2 Катушка не может запасти энергию мгновенно. Ее нужно зарядить аналогично тому, как заряжают конденсатор. Если индуктивность подключается к источнику постоянного напряжения U, то ее зарядка происходит по экспоненциальному закону: T U (5.7) I (t ) e τ , R где R – полное активное сопротивление, ограничивающее ток индуктивности; τ = L/R – постоянная времени зарядки индуктивности. Цепь, состоящую из катушки индуктивности и параллельно подключенного ей конденсатора, называют колебательным контуром. При работе индуктивности в составе колебательного контура ее периодическая зарядка и разрядка происходят на резонансной частоте контура: 1 (5.8) f , 2 π LC где С – емкость конденсатора, входящего в колебательный контур. Поскольку в колебательном контуре происходит периодическое превращение энергии, запасенной в катушке индуктивности, в энергию заряженного конденсатора, то в отсутствие потерь справедливо: LI 2 CU 2 (5.9) . 2 2 Поскольку работа контура сопровождается потерями энергии, используют понятие добротности колебательного контура, характеризующее скорость затухания колебаний. τ (5.10) Q π Ne π , Т где Ne – число колебаний, в течение которых амплитуда снижается в е раз. Порядок выполнения исследований 1. Включить стенд, мультиметры и осциллограф. 26 2. Для исследования колебательного контура (катушки переменной индуктивности на 20 витков с тороидальным ферритовым сердечником, соединенной параллельно с конденсатором C = 68 нФ) собрать схему в соответствии с рисунком 5.1 (в качестве балластного используется сопротивление 620 Ом). G R С L 3 4 Рис. 5.1. Исследование колебательного контура 3. Включить генератор переменных сигналов, выбрать прямоугольный сигнал частотой 1 кГц. Подключить осциллограф, выставить ручку вертикальной развертки на 1 В/дел, горизонтальной – на 50 мкс/дел и регулировкой ручки подстройки добиться на экране картины, соответствующей рис. 5.2. 4. Записать значение периода колебаний собственной частоты колебательного контура в протокол. Рис. 5.2. Осциллограмма колеба5. Записать в протокол амплитуды тельного контура первых четырех периодов колебаний U0 – U3 не забывая переводить деления шкалы осциллографа в вольты. 27 6. Последовательно уменьшая число витков в катушке индуктивности с шагом в два витка c 20 до 8, снять зависимость периода колебаний контура от числа витков катушки. 7. Заменить катушку индуктивности с ферритовым сердечником на катушку индуктивности EC24-240R, записать значение периода колебаний собственной частоты колебательного контура в протокол. 8. Повторить измерение по п 7. для катушки B82141A. 9. Повторить измерение по п 7. для случая параллельного подключения катушек EC24-240R и B82141A. 10. Повторить измерение по п 7. для случая последовательного подключения катушек EC24-240R и B82141A. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений (рис. 5.1). 2. Расчет теоретического (5.3) и практического (5.8) значений индуктивности исследуемой катушки для N=20 3. Расчет добротности колебательного контура по (5.10). Для этого рассчитать величину , используя формулу (4.4) и амплитуды U0 – U3. Для повышения точности расчета определить для трех временных промежутков U0 – U1, U1–U2 и U2–U3, после чего найти среднее значение . 4. Графики (на одном рисунке) теоретической (по формуле (5.3)) и экспериментальной (по формуле 5.8.) зависимостей индуктивности катушки от количества витков. 5. Графики (на одном рисунке) теоретической (по формуле 5.8) и экспериментальной зависимости частоты колебательного контура от индуктивности для результатов измерений по пп. 7–10, если номинальная индуктивность катушки EC24-240R равна 47 мкГн, а B82141A – 100 мкГн. 6. Выводы (с анализом полученных характеристик). Лабораторная работа 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДОВ Цель работы – ознакомление с функцией выпрямительного диода, диода Шоттки и стабилитрона, а также исследование их характеристик. Основные сведения о диодах Полупроводниковыми диодами называются двухэлектродные приборы c односторонней проводимостью тока. Односторонняя проводимость обуславливается наличием p-n-перехода или перехода металл–полупроводник. Различия 28 ВАХ диода с p-n-переходом и диода Шоттки с переходом металл – полупроводник представлены на рисунке 6.1. Рис. 6.1. ВАХ диодов Сравнивая ВАХ выпрямительного диода на p-n-переходе и диода Шоттки можно сделать следующие выводы: прямое падение напряжения на диоде Шоттки меньше в 2,5 – 3 раза, чем на диоде с p-n -переходом при одном и том же прямом токе; напряжение открытия диода Шоттки близко к 0, а у диода с p-n переходом составляет десятые доли вольт, поэтому они не пригодны для выпрямления слабых сигналов; обратный ток диода с p-n -переходом меньше обратного тока диода Шоттки при одинаковых обратных напряжениях. На работу полупроводникового диода значительное влияние оказывает частота протекающего через него тока. Это связано с наличием паразитной емкости и инерционностью диода. Емкость p-n-перехода складывается из двух частей: барьерной емкости Сбар и диффузионной емкости Сдиф. Существование барьерной емкости обусловлено ионами примесей в p-n-переходе. При этом p- и n-области можно рассматривать, как заряженные обкладки конденсатора, где диэлектриком выступает обедненный слой. Размер данной емкости зависит от площади p-n-перехода, концентрации носителей заряда, диэлектрической проницаемости материала полупроводника и приложенной разности потенциалов. Диффузионная емкость связана с изменением количества неравновесных носителей заряда в p-и n-областях. Диффузионная емкость характеризует инерционность движения неравновесных зарядов. Размер этой емкости пропорциона29 лен времени жизни неосновных носителей заряда и зависит также от других факторов. При работе диода в цепи переменного тока барьерная и диффузионная емкости шунтируют p-n-переход, что особенно сильно сказывается на высоких частотах. Чтобы диод перешел из открытого состояния в закрытое, необходимо некоторое время. Если диод открыт, то через p-n-переход протекает прямой ток, обусловленный перемещением основных носителей заряда. В том случае, если мгновенно изменить полярность напряжения, то основные носители зарядов, не успевшие рекомбинировать, будут перемещаться в обратном направлении. Поэтому после смены полярности напряжения через диод в течение некоторого времени будет протекать ток. Таким образом, с увеличением частоты выпрямительные свойства полупроводниковых диодов ухудшаются. Основным параметром, определяющим частотные свойства диода, является граничная рабочая частота fгр, при которой сила выпрямленного тока уменьшается на 30 % относительно номинального значения, измеренного на низкой частоте. Одним из преимуществ диодов Шоттки является возможность использования их на значительно более высоких рабочих частотах. Это связано с тем, что в диодах Шоттки неосновные носители не используются. В связи с этим пропадает проблема накопления заряда. Разновидностью полупроводникового диода является стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжеI, A ния в источниках питания. По сравнению с обычными диодами он имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя Uстаб (при обратном включении) и может поддерU, живать это напряжение на постоянном уровне В при значительном изменении силы обратного тока. Тогда, если параллельно стабилитрону подключить нагрузку, напряжение на ней Рис. 6.2. ВАХ стабилитрона тоже не будет изменяться. Стабилитрон характеризуется следующими основными параметрами: минимальный и максимальный токи стабилизации, напряжение стабилизации при заданном токе стабилизации, температурный коэффициент напряжения стабилизации. На рис. 6.2 показана ВАХ стабилитрона, где Uстаб – напряжение стабилизации. 30 Порядок выполнения исследований 1. Включить стенд, мультиметры и осциллограф. 2. Собрать схему для снятия прямой ветви ВАХ диодов с шунтирующим сопротивлением R1 = 620 Ом (рис. 6.3). R1 A34 D1 + - 34 V Рис. 6.3. Схема исследования прямой ветви ВАХ диодов Диоды подключать, обязательно соблюдая полярность (для прямой ветви красный провод – к источнику питания, черный – к заземлению). В работе исследуются полупроводниковый диод 1N4007 (зеленая метка) и диод Шоттки 1N5819 (желтая метка). Обратите внимание, что вольтметр подключен после амперметра и на его показания не влияет падение напряжения на амперметре, которое соизмеримо с прямым падением напряжения на диоде. В то же время ток через вольтметр несоизмеримо мал в сравнении с прямым током диода и не вносит заметной погрешности в показания амперметра. 3. Изменяя входное напряжение, снять прямую ветвь ВАХ исследуемых диодов. Измеренные значения занести в табл. 6.1. Таблица 6.1 I, мА 1N4007 U, В 1N5819 Исследование прямой ветви ВАХ диодов 1 2 5 10 15 20 25 31 30 35 40 4. Для исследования характеристик диодов при работе с переменными сигналами собрать схему с полупроводниковым диодом, изображенную на рис. 6.4. Установить на выходе генератора однополярный сигнал прямоугольной формы частотой 50 Гц. Убедиться в отсутствии искажения сигнала при прохождении через схему. Зафиксировать полученную осциллограмму. D1 G R1 34 Рис. 6.4. Схема исследования диодов на различной частоте 5. Постепенно увеличивать частоту генерируемого сигнала до появления искажений сигнала, при этом одновременно изменять временную развертку осциллографа. Записать установленную частоту, зафиксировать осциллограмму. + V Rиссл R1 V Рис. 6.5. Схема косвенного измерения ВАХ 32 6. Удвоить частоту, полученную в п. 5, и зафиксировать осциллограмму. 7. Повторить измерения пп. 4-6 для диода Шоттки. 8. Собрать схему для измерения обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона в соответствии с рис. 6.5 (косвенным методом), при этом стабилитрон подключать обязательно соблюдая полярность (черный провод – к источнику питания, красный – к заземлению). 9. Снять ВАХ стабилитрона и занести результаты в протокол. Поскольку при достижении напряжения Uстаб начинается быстрый рост тока, то в области Uстаб характеристика снимается с очень малым шагом, ориентируясь на показания вольтметра, подключенного к R1, что отражено в таблице протокола. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений. 2. Вольтамперные характеристики диодов (прямые ветви) в виде таблиц и графиков. 3. Осциллограммы сигналов, полученные в пп. 4–7 (с указанием осей и размерностей). 4. Вольтамперная характеристика стабилитрона (прямая ветвь) в виде таблицы и графика 5. Выводы с анализом полученных характеристик. Лабораторная работа 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И ФИЛЬТРОВ Цель работы – ознакомление с принципом действия и характеристиками однофазных схем выпрямления переменного напряжения и сглаживающих фильтров. Основные сведения о выпрямителях и фильтрах Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное. Выпрямители необходимы везде, где требуется питать радиоэлектронную аппаратуру от сети переменного напряжения. Выпрямители подразделяются на однофазные, питающиеся от однофазного напряжения, и трехфазные. В качестве источника питания выпрямителя обычно используют трансформатор. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку цепи постоянного тока (цепи нагрузки) от сети переменного тока, а также служит преобразователем входного переменного напряжения U1 в напряжение U2 (рис. 7.1). 33 Рис. 7.1. Трансформатор Основной характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации, определяемый выражением U N n 2 2, (7.1) U1 N1 где U1 и U2 – действующие напряжения на первичной и вторичной обмотках; N1 и N2 – число витков первичной и вторичной обмоток. Если U1 > U2, то трансформатор называют понижающим и наоборот. В однополупериодном выпрямителе (рис. 7.2) диод VD пропускает ток только в одном направлении. Рис. 7.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя При этом ток во вторичной обмотке трансформатора протекает не более половины периода фазного напряжения. В символическом изображении диода направление тока указывает электрод в форме стрелки (анод). Электрод в виде вертикальной черты называется катодом. Протекание тока через диод возможно лишь, когда между анодом и катодом действует прямое напряжение. При подключении первичной обмотки трансформатора к сети синусоидального напряжения с действующим значением U1 во вторичной обмотке индуцируется напряжение U2. В те моменты времени, когда на выходе трансформатора возникает положительная полуволна, диод открыт и через сопротивление нагрузки Rн протекает ток. При изменении полярности вторичного напряжения диод запирается. Таким образом, за каждый период через нагрузочный резистор протекает ток только в одном направлении в течение одного полупериода. Можно показать, что среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного напряжения и тока описываются выражениями 34 U0 U2 , π (7.2) I (7.3) I 0 max , π из которых видно, что постоянные составляющие (U0 и I0) указанных величин в π раз меньше амплитудных значений. Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения kп равен отношению амплитуды низшей гармоники (в данном случае первой) к значению постоянной составляющей U0: π (7.4) kп 1,57, 2 а максимальное значение обратного напряжения Uобр мах, которое приложено к диоду в запертом состоянии, равно амплитуде вторичного напряжения. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой содержит два диода VD1 и VD2 (рис. 7.3) и использует трансформатор, имеющий вывод средней точки вторичной обмотки. Рис. 7.3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя Нагрузка Rн подключается между общей точкой диодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора. Напряжения на противоположных концах вторичной обмотки находятся в данной схеме в противофазе, таким образом, через нагрузку ток протекает в течение обоих полупериодов. Поскольку здесь нет потери половины периода по напряжению, как в однополупериодном выпрямителе, то среднее значение выпрямленного напряжения здесь в два раза больше, чем в однополупериодной схеме: 2U 2 (7.5) U0 , π но максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать каждый вентиль в закрытом состоянии, в данной схеме равно (7.6) Uобр max 2U 2 . 35 Коэффициент пульсации при этом в два с лишним раза меньше, чем в однополупериодной схеме: 2 (7.7) kп 0,67, 3 По сравнению с однополупериодным выпрямителем такой выпрямитель позволяет в два раза увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку, без увеличения мощности трансформатора, однако конструкция трансформатора со средней точкой сложнее обычного и поэтому не так часто используется. Двухполупериодный режим работы выпрямителя можно реализовать с трансформатором без средней точки вторичной обмотки в так называемой мостовой схеме (рис. 7.4), которая состоит из четырех диодов VD1 – VD4, образующих выпрямительный мост. Одна диагональ моста АС подключается к вторичной обмотке трансформатора, а ко второй диагонали BD, с которой снимается выпрямленное напряжение, подключается нагрузка Rн. Рис. 7.4. Однофазная мостовая схема выпрямления Когда на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора действует положительное напряжение относительно нижнего конца (обозначенное на рисунке знаками «+» и «–» без скобок), диоды VD1 и VD3 открыты, так как к их анодам прикладывается положительное напряжение относительно катодов и через них протекает ток по цепи: А – VD1 – В-Rн – D – VD3 – C. В этот же период диоды VD2 и VD4 закрыты. При смене полярности напряжения ток идет по второй цепочке, но через нагрузку в том же направлении. Таким образом, в мостовой схеме реализуется двухполупериодное выпрямление, при котором ток в нагрузке течет в неизменном направлении в течение обоих полупериодов переменного входного напряжения, коэффициент пульсации также можно определить по формуле (7.7). Такая схема выпрямления имеет более простой, а значит, более дешевый трансформатор, а обратное напряжение, прикладываемое к диоду, в два раза ниже, чем в схеме двухполупериодного выпрямления со 36 средней точкой. Недостатком является необходимость применения удвоенного количества диодов, что приводит к снижению КПД. В схемах однофазных выпрямителей коэффициент пульсации выпрямленного напряжения имеет значительный уровень. Для уменьшения коэффициента пульсации применяют различные фильтры. Для оценки эффективности действия фильтра используется коэффициент сглаживания: k (7.8) kсгл п , k п/ где kп=U1/U0 – коэффициент пульсации выходного напряжения выпрямителя без фильтра (U1 – амплитуда низшей гармоники в спектре выходного напряжения без фильтра; U0 – среднее значение выпрямленного напряжения без фильтра, kп/=U1//U0/ – коэффициент пульсации напряжения после фильтра; U1/ – амплитуда низшей гармоники после фильтра, U0/ – среднее значение выпрямленного напряжения после фильтра. Подставив эти выражения в (7.8) можно получить выражение (7.9) kсгл λ kф , где – коэффициент передачи постоянной составляющей, практически всегда равный 1, а kф – коэффициент фильтрации, равный отношению U1 к U1/, таким образом, обычно kсгл ~ kф. При использовании индуктивного фильтра индуктивность включается последовательно с нагрузкой. Для расчета фильтрующего действия выпрямитель заменяется двумя последовательно включенными источниками (рис. 7.5): первый – источник постоянного напряжения U0 с напряжением, равным значению постоянной составляющей выпрямленного напряжения; другой источник создает переменное напряжение u1= Рис. 7.5. Схема выпрямителя с индуктивным фильтром U1sint, амплитуда которого U1 равна амплитуде низшей гармоники пульса- ций выпрямленного напряжения. Коэффициент сглаживания фильтра будет определяться выражением 37 kсгл Rн2 (ω Lф ) 2 (7.10) . k п/ Наоборот, если задан коэффициент сглаживания, то можно определить необходимое значение индуктивности фильтра по формуле 2 R н 2 1. (7.11) Lф k сгл ω Здесь ω – угловая частота низшей гармоники на выходе выпрямителя (ω = 2πf). Пульсации выходного напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя имеют частоту низшей гармоники f, совпадающую с частотой питающей сети f = 50 Гц. Емкостный фильтр состоит из конденсатора С, подключаемого параллельно сопротивлению нагрузки Rн (рис. 7.6). Рис. 7.6. Схема выпрямителя с емкостным фильтром Когда напряжение на конденсаторе UС меньше напряжения на выходе вторичной обмотки трансформатора, происходит зарядка конденсатора, а когда оно больше, конденсатор отдает свой заряд в нагрузку. В результате напряжение на нагрузке Rн сглаживается. Обычно емкость конденсатора фильтра С выбирается такой, чтобы XC = 1/(C) = Rн, тогда ток разрядки конденсатора практически равен среднему выпрямленному току, т.е. I0~I0 = U0/Rн. Коэффициенты сглаживания при этих допущениях будет равен (7.12) kсгл 0,66 4 С f Rн 2,64 С f Rн Если задан коэффициент пульсации, то емкость конденсатора фильтра определяется соотношением 1 С . (7.13) 4 f Rн kп Индуктивно-емкостный фильтр состоит из индуктивности, включаемой последовательно с нагрузкой и конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рис. 7.7). Комплексное сопротивление индуктивности равно Z1 Х L jωL. 38 Рис. 7.7. Схема выпрямителя с индуктивно-емкостным фильтром Коэффициент сглаживания для такого фильтра будет равен: kсгл ω2 L C 1 (7.14) Порядок выполнения исследований 1. Включить стенд, определить сопротивление резистора Rн, результаты измерения занести в протокол. 2. Включить стенд, включить генератор переменного сигнала, выставить синусоидальный сигнал с частотой 1000 Гц. 3. Собрать схему (рис. 7.8), подключить осциллограф, получить на экране осциллографа изображение синусоидального сигнала, зафиксировать осциллограмму в протоколе, записать амплитуду сигнала. Rн G 3 4 Рис. 7.8. Схема измерения синусоидального сигнала 39 4. Собрать схему однополупериодного выпрямителя (рис. 7.9), подключить осциллограф, получить на экране осциллографа изображение выпрямленного сигнала, зафиксировать осциллограмму в протоколе, записать амплитуду сигнала. D G Rн 3 4 Рис. 7.9. Схема для исследования однополупериодного выпрямителя с фильтром Rн G 34 Рис. 7.10. Схема для исследования мостовой схемы выпрямления с фильтром 40 5. Подключить параллельно нагрузке конденсатор емкостью 68 нФ, получить на экране осциллографа изображение сглаженного сигнала, зафиксировать осциллограмму в протоколе, записать амплитуды сигнала. 6. Собрать схему выпрямления с помощью диодного моста (рис. 7.10), подключить осциллограф, получить на экране осциллографа изображение выпрямленного сигнала, зафиксировать осциллограмму в протоколе, записать амплитуду сигнала. 7. Подключить параллельно нагрузке конденсатор емкостью 68 нФ, получить на экране осциллографа изображение сглаженного сигнала, зафиксировать осциллограмму в протоколе, записать амплитуды сигнала. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений (рис. 7.2, 7.4, 7.6). 2. Осциллограммы, полученные в ходе измерений с указанием осей и размерностей. 3. Теоретические результаты расчета коэффициента сглаживания емкостного фильтра по формуле 7.12. 4. Экспериментальные коэффициенты сглаживания по формулам (7.4), (7.7) и (7.8) с использованием значений амплитуд на осциллограммах. 5. Выводы по результатам исследований, содержащие сравнительный анализ полученных результатов. Лабораторная работа 8. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ И ФОТОДИОДОВ Цель работы – ознакомление с основными параметрами светодиодов и фотодиодов, их измерение. Основные сведения о светодиодах и фотодиодах Светодиод – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. При протекании через диод прямого тока происходит инжекция неосновных носителей заряда (электронов или дырок) в базовую область диодной структуры. Процесс самопроизвольной рекомбинации инжектированных неосновных носителей заряда, происходящих как в базовой области, так и в самом p–n-переходе, сопровождается переходом их с высокого энергетического уровня на низкий. При этом избыточная энергия выделяется в виде излучения кванта света. Для изготовления светодиодов используются следующие полупроводниковые материалы: фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiC); твердые растворы: галлий–мышьяк–фосфор (GaAsP) и галлий–мышьяк–алюминий (GaAsAl), а также нитрид галлия (GaN), 41 который имеет наибольшую ширину запрещенной зоны (ΔW > 3,4 эВ), что позволяет получать излучение в коротковолновой части видимого спектра вплоть до фиолетового. На рис. 8.1 представлены несколько ВАХ для различных светодиодов. С некоторого порогового значения напряжения начинается резкий рост тока, что позволяет определить материал полупроводника. Фотодиод – приемник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счет процессов в p–n-переходе. Рис 8.1. ВАХ для различных светодиодов Рис 8.2. ВАХ фотодиода при различном освещении При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p–n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей – дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p–n–перехода и емкостью p–n–перехода C. На рис. 8.2 представлена ВАХ фотодиода при различных световых потоках Ф; обратный ток фотодиода пропорционален световому потоку. Фотодиод может работать в двух режимах: фотогенератора без внешнего напряжения и фотопреобразователя с внешним обратным напряжением. Одной из основных характеристик фотодиода является спектральная чувствительность, определяемая зависимостью фототока от длины волны падающего света. Со стороны больших длин волн она определяется шириной запрещенной зоны, с малых – поглощением и увеличением влияния поверхностной 42 рекомбинации носителей заряда. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения. Фототок прямо пропорционален освещенности, т. е. практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока. Порядок выполнения исследований 1. Включить стенд, определить сопротивление резистора R2 и балластного резистора Rб, результаты измерений занести в протокол. 2. В работе исследуются четыре светодиода – красного, желтого, зеленого и синего цветов, причем собственно светодиод LED и защитный резистор RD1 размещены в каждом случае на одной плате. Собрать с красным светодиодом схему, изображенную на рис. 8.3 (положительный вывод светодиода красный) – подключается к источнику питания. 3. Поместить светодиод в кожух с фотодиодом. Изменяя входное напряжение Uвх (контролируется с помощью табло источника постоянного напряжения) от 0 до 20 В, измерить зависимости падения напряжения на балластном резисторе Rб от падения напряжения на резисторе R2, результаты измерений занести в табл. 8.1. Повторить измерения для трех оставшихся светодиодов. RD1 + - LED V Rб F V34 R2 Рис. 8.3. Схема исследования яркости светодиодов 43 Таблица 8.1 Исследование яркости светодиодов Uвх, В 0 2 … 20 UR2, В для красного светодиода Uб, В для красного светодиода UR2, В для желтого светодиода Uб, В для желтого светодиода UR2, В для зеленого светодиода Uб, В для зеленого светодиода UR2, В для синего светодиода Uб, В для синего светодиода 5. Для измерения зависимости генерируемого фотодиодом напряжения от его освещенности открыть на экране электронного устройства (мобильного телефона или планшета) рис. 3.5. 6. Подключить фотодиод к любому из мультиметров (диапазон измерения 200 мВ) и, перемещая его торец по экрану электронного устройства измерить зависимость его сопротивления от яркости (от 0 до 100%); результаты измерений занести в протокол. Содержание отчета 1. Цель работы, схемы измерений (рис. 8.3). 2. Графики зависимости яркости светодиодов от проходящего через них тока. Ток светодиода ILED=UR2/R2, яркость светодиода определяется током фотодиода (при этом If=Iб=Uб/Rб). 3. Заполненная таблица 8.2. и график зависимости генерируемого фотодиодом напряжения от его освещенности. Таблица 8.2 Исследование функциональной зависимости сопротивления фоторезистора Освещенность, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Напряжение, мВ 4. Выводы (с анализом полученных характеристик, описанием соответствия этих характеристик теории, причины отличий эксперимента и теории). 44 ПРИЛОЖЕНИЯ Лабораторная работа 1 Исследование постоянных резисторов Исследование температурных зависимостей постоянных резисторов Сопротивление, R, _Ом № п/ Тип резистора п при по маркировке 1 Композитный 2 Углеродистый 3 Металлопленочный 4 Металлооксидный +__˚С (комн.) при при +50˚С +80˚С Измерение сопротивления резисторов, соединенных по схеме «треугольник» R1-2, _Ом Выполнили R2-3, _Ом Дата 45 R3-1, _Ом Подпись преподавателя Лабораторная работа 2 Исследование характеристик термисторов и позисторов Исследование температурной зависимости сопротивления термистора B57045 Температура T, ˚С __ 30 40 50 60 70 80 Сопротивление RT, _Ом Исследование температурной зависимости сопротивления термистора B57164 Температура T, ˚С __ 30 40 50 60 70 80 Сопротивление RT, _Ом Исследование температурной зависимости сопротивления позистора Температура T, ˚С __ 30 40 50 60 70 80 90 Сопротивление RT, _Ом Исследование вольтамперной характеристики позистора Напряжение U, В 0 Ток I, мА 0 Выполнили 1 2 3 4 Дата 46 5 6 8 10 15 20 Подпись преподавателя Лабораторная работа 3 Исследование характеристик варисторов и фоторезисторов Rб = ____ Ом (~ 2,2) Исследование ВАХ варистора S10K11 косвенным методом Напряжение U, В 0 8 16 Напряжение на Rб U, 1 мВ 5 10 20 40 Исследование ВАХ варистора CT1206M6G косвенным методом Напряжение U, В 0 4 8 Напряжение на Rб U, 1 мВ 5 10 20 30 Исследование функциональной зависимости сопротивления фоторезистора Освещенность, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Сопротивление, кОм Исследование спектральной зависимости сопротивления фоторезистора Длина волны, нм. 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700 Сопротивление, кОм Выполнили Дата 47 Подпись преподавателя Лабораторная работа 4 Исследование конденсаторов постоянной емкости Исследование температурной зависимости емкости конденсатора X7R Температура T, ˚С __ 30 40 50 60 70 80 Емкость С, ____Ф Исследование температурной зависимости емкости конденсатора M1500 Температура T, ˚С __ 30 40 50 60 70 80 Емкость С, ____Ф Исследование процессов зарядки и разрядки конденсатора 1000 мкФ Rб1 = ____ кОм Время t, с 0 Напр. зарядки Uз, В 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Напр. разрядки Uз, В Rб2 = ____ кОм Время t, с 0 Напр. зарядки Uз, В 0 Напр. разрядки Uз, В Выполнили Дата 48 Подпись преподавателя Лабораторная работа 5 Исследование параметров катушки индуктивности Определение индуктивности катушки (при N=20 витков) С = 68 нФ T = ___ мкс (для тех, кто все забыл – f = 1/T) Исследование добротности контура Период 1 2 3 4 Амплитуда, В Исследование зависимости резонансной частоты контура от числа витков Число витков катушки 8 10 12 14 16 18 20 Период, Т, мкс Исследование зависимости резонансной частоты контура для двух катушек Катушка EC24-240R B82141A (47 мкГн) (100 мкГн) EC24-240R EC24-240R параллельно последовательно с B82141A B82141A Период, Т, мкс Выполнили Дата 49 Подпись преподавателя Лабораторная работа 6 Исследование характеристик диодов Исследование прямой ветви ВАХ диодов I, мА 1N4007 U, В 1N5819 1 2 5 10 15 20 25 30 35 40 Осциллограммы диода 1N4007 F1, Гц F2, Гц F3, Гц Осциллограммы диода 1N5819 F1, Гц F2, Гц F3, Гц Исследование ВАХ стабилитрона косвенным методом Напряжение U, В 0 4 8 Напряжение на R1 U, В Выполнили 0,2 Дата 50 0,5 1 5 10 Подпись преподавателя Лабораторная работа 7 Исследование выпрямителей и фильтров Сопротивление нагрузки Rн = ___ кОм Исходный сигнал А0=___В Однополупериодный выпрямитель Однополупериодный с фильтром А2=___В А1=___В Мостовая схема выпрямления А3=___В Мостовая схема выпрямления с фильтром А2=___В А1=___В Выполнили А3=___В Дата 51 Подпись преподавателя Лабораторная работа 8 Исследование светодиодов и фотодиодов Сопротивление резисторов R2 = ___ Ом (~ 2.2) Rб = ___ кОм (10-100 кОм) Исследование яркости светодиодов Uвх, В 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 UR2, В для красного светодиода Uб, В для красного светодиода UR2, В для желтого светодиода Uб, В для желтого светодиода UR2, В для зеленого светодиода Uб, В для зеленого светодиода UR2, В для синего светодиода Uб, В для синего светодиода Исследование зависимости напряжения от освещенности Освещенность, % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Напряжение, мВ Выполнили Дата 52 Подпись преподавателя СОДЕРЖАНИЕ Введение ................................................................................................................... 3 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСТОЯННЫХ РЕЗИСТОРОВ ...................................... 5 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМИСТОРОВ И ПОЗИСТОРОВ......................................................................................................... 9 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВАРИСТОРОВ И ФОТОРЕЗИСТОРОВ ............................................................................................ 14 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ ПОСТОЯННОЙ ЕМКОСТИ ...... 18 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ ..... 23 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИОДОВ ....................................... 27 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ И ФИЛЬТРОВ ............................... 32 8. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТОДИОДОВ И ФОТОДИОДОВ ............................ 40 Приложения ........................................................................................................... 44 Артём Юрьевич Грязнов, Николай Евгеньевич Староверов, Екатерина Дмитриевна Холопова, Виктор Борисович Бессонов, Михаил Александрович Колташев. Учебно-методическое пособие Компоненты электронной техники Подписано к печати 19.11.20. Формат 60х80 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Гарнитура “Times New Roman”. Печ. л. 3.0. Тираж 132 экз. Заказ Издательство СПбГЭТУ “ЛЭТИ” 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 Редактор О. Р. Крумина 53