Порядок проведения экспериментов

Уварова Л.В.

ЭЛЕКТРОНИКА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ НА ELECTRONICS WORKBENCH

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

для студентов специальности

230201 – «Информационные системы и технологии»

для всех форм обучения

Одобрено редакционно-издательским советом института

Старый Оскол

УДК 004

ББК 32.97

Рецензент: Зам. Начальника СПЦ №1 по эл. оборудованию Гасанов Э.З.

Уварова Л.В. Электроника. Методические указания к выполнению лабораторных работ. Старый Оскол. СТИ НИТУ МИСиС, 2012. – 76с.

Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Электроника», для студентов специальности 230201 – «Информационные системы и технологии», для всех форм обучения, содержит указания к выполнению лабораторных работ и предназначено в помощь студентам при изучении курса.

Ó Уварова Л.В.

Ó СТИ НИТУ МИСиС

Содержание

Введение…………………………………………………….....4

1 Лабораторная работа №1. Полупроводниковые диоды…...6

2 Лабораторная работа №2. Маломощные выпрямители однофазного тока…………………………………………….16

3 Лабораторная работа №3. Исследование биполярного транзистора…………………………………………………...26

4 Лабораторная работа №4. Исследование работы транзисторных каскадов……………………………………..37

5 Лабораторная работа №5. Исследование неинвертирующих и инвертирующих усилителей………...51

6 Лабораторная работа №6. Компараторы………………….62

Список литературы…………………………………………..75

Введение

Разработка любого электронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требует изготовление макетов и их трудоёмкое исследование. Часто физическое моделирование просто не­возможно из-за чрезвычайной сложности устройства. В этом случае прибегают к математическому моделированию с использованием средств и методов вы­числительной техники. Для моделирования электронных устройств применя­ются программы: Micro-Cap V, DesignLab, Aplac 7.0, System View 1.9, Electron­ics Worcbench, CircuitMarker 6.0.

Программа Electronics Worcben (EWB) используется чаще всего благо­даря простому и легко осваиваемому пользовательскому интерфейсу. Данная программа предназначена для моделирования и анализа электрических и элек­тронных схем и предоставляет следующие возможности:

- создать принципиальную схему устройства;

- провести расчет статического режима;

- получить вольтамперные характеристики приборов и т.д.

Применение интегрированной среды EWB дает возможность студентам моделировать электронное устройство от начального этапа (постановки задачи) до программной реализации всех возможных режимов. Результатом выполнен­ной лабораторной работы является полностью собранная и отлаженная вирту­альная аппаратно-программная модель микропроцессорной системы.

Использование интегрированных сред разработки вычислительных сис­тем для организации учебного процесса по курсу «Электротехника» позволяет значительно повысить готовность студентов к решению практико-ориентированных задач высокого уровня сложности, способствует вовле­чению студентов в профессиональную деятельность.

Лабораторная работа №1

«Полупроводниковые диоды»

Цель работы:

1. Исследование напряжения и тока диода при прямом и обратном сме­щении p-n перехода.

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

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

4. Построение вольтфарадной характеристики варикапа.

Теоретическое введение

Для исследования напряжения и тока диода при прямом и обратном смещении p-n перехода достаточно иметь универсальный прибор - мультиметр. С помощью этого прибора можно снять вольтамперную характеристику (ВАХ) диода или любого другого нелинейного двухполюсника. Проще всего в этом случае измерять напряжение на диоде в схеме, показанной на рисунке 1.1, подсоединяя к диоду через резистор источники напряжения различной вели­чины.

Рис. 1.1 - Схема измерения напряжения на диоде

Ток диода при этом можно вычислить из выражения:

Iпр = (Е - Unp)/R (1.1)

где Iпр - ток диода в прямом направлении, Е - напряжение источника питания, Unp - напряжение на диоде в прямом направлении. Изменив поляр­ность включения диода в той же схеме рисунок 1.1, можно снять ВАХ диода по той же методике и в обратном направлении

Iоб = (Е - Uoб)/R (1.2)

где Iоб - ток диода в обратном направлении, Uoб - напряжение на диоде в обратном направлении. Точность при таких измерениях оставляет желать лучшего из-за разброса сопротивлений у резисторов одного номинала. На ри­сунке 1.2 показана схема измерения тока диода. Для получения более точной характеристики при использовании только одного мультиметра, необходимо сначала измерить напряжение в схеме на рисунке 1.1, а затем ток в схеме на рисунке 1.2. При этом можно пользоваться по-прежнему только мультиметром, подключая его то как вольтметр, то как амперметр.

Рис. 1.2 Схема измерения тока диода

Гораздо быстрее можно выполнить эту работу, если использовать и вольтметр, и амперметр. Тогда, включив их по схеме, показанной на рисунке 1.3, можно сразу видеть ток n напряжение на табло этих приборов.

Рис. 1.3 Схема для снятия ВАХ диода

Вольтамперная характеристика может быть получена путем измерения напряжений на диоде при протекании различных токов за счет изменения на­пряжения источника питания Vs. Схема для исследования ВАХ диода с помо­щью осциллографа показана на рисунке 1.4.

Рис. 1.4 Схема для исследования ВАХ диода с помощью осциллографа

При таком подключении координата точки по горизонтальной оси осцил­лографа будет пропорциональна напряжению, а по вертикальной - току через диод. Поскольку напряжение в вольтах на резисторе R2 численно равно току через диод в амперах (I=U/R=U/I=U), по вертикальной оси можно непосредст­венно считывать значения тока. Если на осциллографе выбран режим В/А, то величина, пропорциональная току через диод (канал В), будет откладываться по вертикальной оси, а напряжение (канал А) - по горизонтальной. Это и позволит получить вольтамперную характеристику непосредственно на экране осцилло­графа.

При получении ВАХ диода с помощью осциллографа на канал А вместо точного напряжения на диоде подается сумма напряжения диода и напряжения на резисторе R2. 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. В ряде приме­нений на постоянную составляющую тока диода накладывается небольшая пе­ременная составляющая (обычно при этом говорят, что элемент работает в ре­жиме малых сигналов). В этом случае интерес представляет дифференциальное (или динамическое) сопротивление dU/dI. Величина динамического сопротив­ления зависит от постоянной составляющей тока диода, определяющей рабо­чую точку на характеристике.

Построение вольтфарадной характеристики варикапа. Полупровод­никовый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости Сбар от значения приложенного обратного напряжения на­зывается варикапом. Это позволяет применить варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основной характеристикой варикапа является вольтфарадная характери­стика - зависимость барьерной емкости от значения приложенного обратного напряжения. Схематическое изображение варикапа и его вольтфарадная харак­теристика приведены на рисунке 1.5.

Рис. 1.5 Схематическое изображение варикапа и его вольтфарадная ха­рактеристика

В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости может изменяться от единиц до сотен пикофарад. Основными параметрами варикапа являются: Св - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; Кс - коэффициент перекрытия по емкости, используе­мый для оценки зависимости Св = f (Uo6p) и равный отношению емкостей ва­рикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (Кс = 2 - 20). Ва­рикапы применяются в качестве конденсатора с управляемой емкостью. Их де­лят на построечные и умножительные, или варакторы. Подстроечные варикапы используют для изменения резонансной частоты колебательных систем.

Для получения вольтфарадной характеристики можно использовать схе­му емкостного делителя с диодом, показанную на рисунок 1. 6.

Рис. 1.6 Схема ёмкостного делителя с диодом

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и тока через диод.

Построить схему по рисунку 1.1 и включить. Мультиметр покажет на­пряжение на диоде Unp при прямом смещении. Если перевернуть диод и запус­тить схему, то мультиметр покажет напряжение на диоде Uoб при обратном смещении.. Вычис­лите ток диода при прямом и обратном смещении по формулам (1.1) и (1.2). Запишите показания в раздел "Результаты экспериментов"

Эксперимент 2. Измерение тока

Построить схему по рисунку 1.2 и включить. Мультиметр покажет ток диода Inp при прямом смещении. Переверните диод и снова запустите схему. Мультиметр покажет ток Iоб диода при обратном смещении. Запишите показа­ния в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода

Измерьте сопротивление диода при прямом и обратном подключении, используя мультиметр в режиме омметра. Малые значения сопротивления со­ответствуют прямому подключению.

Эксперимент 4. Снятие вольтамперной характеристики диода

а) Прямая ветвь ВАХ. Построить схему по рисунку 1.3 и включить. По­следовательно устанавливая значения ЭДС источника равными 5 В, 4 В, 3 В, 2 В, 1 В, 0.5 В, О В запишите значения напряжения Unp и тока Inp диода в табли­цу а) раздела "Результаты экспериментов".

б) Обратная ветвь ВАХ. Переверните диод. Последовательно устанавли­вая значения ЭДС источника равными О В, 5 В, 10 В, 15 В. Запишите значения тока 1об и напряжения Uo6 в таблицу б) раздела "Результаты экспериментов".

в) По полученным данным постройте графики Inp=F(Unp) и Io6=F(Uo6).

г) Постройте касательную к графику прямой ветви ВАХ при Inp = 4 мА и оцените дифференциальное сопротивление диода по наклону касательной. Проделайте ту же процедуру для Inp = 0.4 мА и Inp =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 Inp = 4 мА по формуле R= Unp/Inp, 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.

Построить схему по рисунку 1.4 и включить. 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.

Эксперимент 6. Построение характеристики варикапа.

Использовать схему емкостного делителя с диодом рисунок 1.6. Изменяя напряжение U_c источника смещения в схеме и измеряя мультиметром напряжение U₀, с помощью формулы (1.3) найти зависимость барьер­ной емкости диода от напряжения U_c. Полученные значения свести в таблицу и построить график C_i = f(U_c). U_i - напряжение генератора, U₀ - напряжение, снимаемое с мультиметра.

Ci = C0(Ui/U0-1) (1.3)

Необходимо учитывать, что мультиметр измеряет эффективное значение напряжения, которое для синусоидального сигнала составляет 0,707 от ампли­тудного, 0,578 - для треугольного, 1 - для меандра.

Результаты экспериментов

Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через диод.

Измерьте и запишите напряжения на диоде:

Напряжение при прямом смещении Unp=

Напряжение при обратном смещении Uoбp=

Вычислите:

Ток при прямом смещении Inp=

Ток при обратном смещении Iобр=

Эксперимент 2. Измерение тока. Измерьте и запишите:

ток при прямом смещении Iпр=

ток при обратном смещении Iобр=

Эксперимент 3. Измерение статического сопротивления диода.

Измерьте и запишите:

Сопротивление диода при прямом смещении Rnp=

Сопротивление диода при обратном смещении Rоб=

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

а) Прямая ветвь ВАХ

Е, В	Uпр, мВ	Iпр, мА
0,5

б) Обратная ветвь ВАХ

Е, В	Uoб, мВ	Iоб, мА

в) Построить графики ВАХ. Прямая ветвь ВАХ. Обратная ветвь ВАХ.

г) Вычислить по ВАХ дифференциальное сопротивление диода при пря­мом смещении

Rдиф, при Iпр=4мА

Rдиф, при Iпр=0,4мА

Rдиф, при Iпр=0,2мА

д) Вычислить по ВАХ дифференциальное сопротивление диода при об­ратном смещении

Rдиф, при Uобр=5В

е)Вычислить R при Iпр=4 мА R=

ж) Измерить напряжение изгиба, полученное из ВАХ: Uизг= Эксперимент 5. Получение ВАХ на экране осциллографа. Получить график ВАХ на экране осциллографа.

Измерить напряжение изгиба, определенное из ВАХ, Uизг = Эксперимент 6. Построение вольтфарадной характеристики варикапа. Записать измеренные и вычисленные значения в таблицу.

По таблице построить график зависимости С_i = f(U_c)

UcВ	Uo, мВ	Ci, pF
…

Контрольные вопросы

1. В чем заключается особенность электропроводности полупроводни­ков? Пояснить с помощью энергетических диаграмм металла, полу­проводника, диэлектрика.

2. В чем отличие полупроводников с электронной и дырочной электро­проводностью? Какие токи протекают в полупроводниках?

3. Какова структура p-n перехода? Пояснить электрические процессы, происходящие в отсутствии внешнего напряжения.

4. Какие процессы происходят при прямом и обратном включении p-n перехода? Показать с помощью диаграмм.

5. Привести идеализированное математическое описание характеристи­ки перехода. В чем отличие теоретической и реальной вольтамперных характеристик p-n перехода?

6. Что такое пробой p-n перехода? Каковы виды пробоя? Как использу­ют явление пробоя в полупроводниковых приборах?

7. Какие существуют емкости p-n-перехода? Показать зависимость барь­ерной емкости p-n-перехода от обратного напряжения, эквивалентные схемы p-n-перехода при различных включениях.

8. Каково назначение полупроводниковых диодов? Приведите статиче­скую вольтамперную характеристику выпрямительного диода. Назо­вите виды диодов.

9. Какой диод называют варикапом? Привести характеристику варикапа, перечислить его виды и назначение.

Лабораторная работа №2.

«Маломощные выпрямители од­нофазного тока»

Цель:

1. Анализ процессов в схемах однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

2. Исследование работы трансформатора в схеме выпрямителя.

3. Анализ процессов в схеме выпрямительного диодного моста.

4. Сравнение максимального напряжения на диодах в мостовом и двухполупериодном выпрямителях.

5. Сравнение частот выходного напряжения в мостовом и двухполупериодном выпрямителях.

Теоретическое введение

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразова­ния энергии источника переменного тока в постоянный ток. Схемы с потреб­ляемой нагрузкой до нескольких сотен ватт относят к классу маломощных вы­прямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным то­ком различных устройств, решающих задачи управления, регулирования, пере­работки и отображения информации и т.д. При указанной мощности нагрузки задачу преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный ток решают с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от однофаз­ной сети переменного тока. Структурная схема системы преобразования элек­трической энергии с однофазным выпрямителем показана на рисунке 2.1. Эта схема представляет собой схему маломощного источника питания.

Рис. 2.1 Структурная схема системы преобразования электрической энер­гии с однофазным выпрямителем

Основой такой схемы является выпрямитель на одном или нескольких диодах, соединенных по определенной схеме. Функция трансформатора сво­дится к повышению или понижению вторичного напряжения U2 при заданном первичном напряжении Ui с целью получения требуемой величины постоянно­го напряжения на выходе.

Принцип выпрямления основывается на получении с помощью диодной схемы из двуполярной синусоидальной кривой напряжения U2 однополярных полуволн напряжения Ud. Напряжение Ud характеризует кривую выпрямлен­ного напряжения выпрямителя. Ее постоянная составляющая определяет сред­нее значение выпрямленного напряжения.

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рисунок 2.2).

Рис. 2.2 Схема однофазного однополупериодного диодного выпрямителя

Рассмотрим её работу в предположении, что входное напряжение изме­няется по закону Uвx = Um Sin ωt. На интервале времени 0< t >T/2 полупровод­никовый диод D1 смещён в прямом направлении и напряжение, а, следователь­но, и ток на нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала (рису­нок 2.3). На интервале T/2<t > T диод DI смещён в обратном направлении, и напряжение и ток в нагрузке равны нулю. При заданном входном напряжении Uвx = Um Sin ωt для нечётных его полупериодов выпрямленный ток в нагру­зочном резисторе будет создавать на нём падение напряжения, среднее значе­ние которого равно Ud=Um/ п.

Рисунок 2.3- Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя

Анализируя временные диаграммы на рисунке 2.3, можно сделать вы­вод, что параметры выходного напряжения выпрямителя улучшаются, если ток нагрузки будет протекать в оба полупериода действия входного напряжения. Для этого используют два однополупериодных выпрямителя, работающих син­хронно и противофазно на одну нагрузку. Такая схема называется однофазной двухполупериодной схемой выпрямителя со средней точкой (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Двухполупериодная схема выпрямителя со средней точкой

Нетрудно заметить, что в данном случае средние значения напряжения нагрузки будут в два раза превышать напряжение однофазной однополупериодной схемы Ud=2Um/ п.

Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя показаны на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя

T

Частота выходного сигнала f для схемы с однополупериодным или двухполупериодным выпрямителем вычисляется как величина, обратная периоду выходного сигнала f =1/Т. При этом период сигнала на выходе однополупериодного выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного.

Максимальное обратное напряжение на диоде однополупериодного вы­прямителя равно максимуму входного напряжения. Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде двухполупериодного выпрямителя с отво­дом от средней точки трансформатора равно разности удвоенного максималь­ного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U2m и пря­мого падения напряжения на диоде Unp: Umax = U2m - Unp. Схема мостового выпрямителя приведена на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема мостового выпрямителя

Среднее значение выходного напряжения Ud (постоянная составляющая) мостового выпрямителя вычисляется по формуле:

Ud=2Um / π

где максимум вторичного напряжения на полной обмотке трансформато­ра U2m вычисляется по формуле:

U2m= U1m(n2/n1)= U1m/20

U1m - максимальное значение напряжения на первичной обмотке транс­форматора.

Максимальное обратное напряжение Umax на каждом диоде для схемы с выпрямительным мостом равно напряжению на вторичной обмотке U2m. Частота выходного напряжения f для схемы с двухполупериодным мос­товым выпрямителем вычисляется по формуле: f=1/T, где Т — период напря­жения на выходе выпрямителя.