Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

полупроводник резонанс ток напряжение

Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность. Полупроводниками называют вещества, обладающие электронной проводимостью, занимающей промежуточное положение между металлами и изоляторами. От металлов они отличаются тем, что носители электрического тока в них создаются тепловым движением, светом, потоком электронов и т.п. источником энергии. Без теплового движения (вблизи абсолютного нуля) полупроводники являются изоляторами. С повышением температуры электропроводность полупроводников возрастает и при расплавлении носит металлический характер.

Задолго до этого были обнаружены:

1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник

2. фотопроводимость.

Были построены первые приборы на их основе.

О.В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50-х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).

В СССР изучение полупроводников начались в конце 20-х годов под руководством академика А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР.

Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p - n - переходе, а затем на гетеропереходах.

В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.

Актуальность исследования - полупроводниковых приборов обуславливается научно-техническим прогрессом в области использования полупроводниковых приборов в бытовой электронной технике.

Объектом исследования - является познавательная деятельность студентов при изучении полупроводниковых приборов на лабораторных занятиях в высшей школе.

Предмет исследования - полупроводниковые приборы и их применение в бытовой электронной технике.

Гипотезой исследования - является предположение о том, что на базе технического вуза возможно разработать, создать и методически обеспечить изучение современной бытовой техники, основанной на полупроводниковых приборах..

Цель исследования заключалась в изучении аспектов использования полупроводниковых приборов в бытовой технике. Достижение этой цели требовало решения следующих задач:

1. изучить физические основы работы полупроводниковых приборов;

2. разработать лабораторные работы по изучению полупроводниковых приборов и методически обеспечить процесс их выполнения;

3. разработать и создать лабораторные комплексы и установки на базе которых предполагается изучать работу полупроводниковых приборов.

Методы исследования:

- теоретические - изучение и анализ научной литературы в области системного анализа и информационных технологий, философии, психологии, педагогики, педагогическое моделирование и проектирование программной системы для создания электронных образовательных ресурсов, аналитический метод оценки качества организации образовательного процесса на базе информационных технологий;

- экспериментальные - опытно-экспериментальная работа, изучение и обобщение педагогического опыта, педагогическое наблюдение, компьютерное моделирование и проектирование.

1. Основы физики полупроводниковых приборов

1.1 Типы полупроводников и их свойства

Принадлежность кристалла к металлам или неметаллам определяется заполнение энергетических зон. При Т =0 К в металле все нижние уровни вплоть то уровня е(F) заполнены электронами (f =1), а уровни выше е(F) - пусты (f =0). В неметаллах между нижней - валентной зоной, которая полностью заполнена электронами (f =1), и верхней зоной - проводимости, которая полностью пуста (f =0) существует запретная зона, ширина которой равна е(g). Таким образом, твердое тело можно разделить на три группы:

Металлы, если е(g) = 0 эВ,

Полупроводники, е(g) < 3 эВ,

Диэлектрики, е(g) > 3 эВ.

Собственный полупроводник. В зависимости от степени чистоты полупроводники разделяют на собственные и примесные. В собственном полупроводнике носителями заряда являются электроны, находящиеся в валентной зоне. При этом каждый переход электрона в зону проводимости сопровождается образованием дырки в валентной зоне. Благодаря дыркам электроны валентной зоны также принимают участие в процессе электропроводности за счет эстафетных переходов под действием электрического поля на более высокие освободившиеся энергетические уровни. [1].



Рис. 1. Энергетическая диаграмма и функция вероятности заполнения энергетических уровней для собственного полупроводника, при температуре равной нулю.

Чем выше Т и меньше е(g), тем выше скорость тепловой генерации носителей заряда. Одновременно с генерацией непрерывно идет и обратный процесс - рекомбинация, т.е. возвращение электронов в валентную зону с исчезновение пары носителей заряда [2].

Рис. 2 Энергетическая диаграмма и функция вероятности заполнения энергетических уровней для собственного полупроводника, при температуре, большей нуля

Любой энергетический уровень может либо быть занят электроном, либо занят дыркой. Сумма вероятностей этих двух событий должна быть равна единице:

f_(n) + f_(p) = 1.

Тогда вероятность заполнения энергетического уровня дыркой:

(3)

Т.к. обычно , тогда

, (4)

Для определения концентрации электронов в полупроводнике надо проинтегрировать по энергии произведение функции распределения плотности энергетических уровней в зоне проводимости N_(е) и вероятности заполнения этих уровней электронами F_(n), т.е.

. (5).

N _(е) - эффективная плотность состояний в зоне проводимости.

Аналогичным образом для концентрации дырок получим:

. (6)

С учетом n = p, имеем

. (7)

Или уровень ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны. С другой стороны

(8).

(9)

Зависимость логарифма концентрации носителей заряда от обратной температуры близка к линейной, причем наклон прямой характеризует ширину запрещенной зоны полупроводника [3].

Примесный полупроводник - это такой полупроводник, электрофизические свойства которого в основном определяются примесями. Как правило, примеси создают дополнительные уровни в запрещенной зоне полупроводника.

1. Примесные уровни, заполненные электронами (доноры) при отсутствии внешних энергетических воздействий, расположены в запрещенной зоне вблизи края зоны проводимости. При внешнем возбуждении электроны с примесных уровней е_(д) могут переходить в зону проводимости и участвовать в процессе электропроводности.

2. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника называют акцепторами. При этом в валентной зоне обзазуются вакансии, которые носят название дырок. Такой полупроводник называют полупроводником р-типа проводимости. Акцепторый уровень при отсутствии внешних энергетических воздействий, расположены в запрещенной зоне вблизи от верхнего края валентной зоны.

Рис. 3 Энергетические диаграммы полупроводников (n) и (р) типов при Т >0

1.2 Контактные явления на границе раздела полупроводников различных типов

Переход металл-полупроводник.

Рассмотрим контакт электронного полупроводника и металла.

Для того чтобы оторвать от изолированного атома валентный электрон, необходимо затратить некоторую работу, т.е. сообщить электрону энергию, необходимую для преодоления сил притяжения. Эта энергия, выражается в электрон-вольтах и носит название работы выхода электрона из твердого тела.

В квантовой теории твердого тела работы выхода - Ф отсчитывается от верхнего занятого уровня, т.е. уровня Ферми - F. Если Е_(а) -энергия электрона в вакууме, то

Ф = Е_(а) - F (10)

Рассмотрим случай, когда работа выхода электрона из металла - Ф(м) больше таковой из полупроводника - Ф_(п), т.е. Ф_(м) > Ф_(п). В таком случае в первый момент поток электронов из полупроводника превышает поток электронов из металла. Металл заряжается отрицательно, а полупроводник - положительно и тогда возникает электрическое поле, препятствующее переходу электрона из полупроводника в металл. Направленный поток электронов будет иметь место до тех пор, пока уровни Ферми двух систем не выровняются. В результате возникает контактная разность потенциалов, равная разности:

Eц_(b) = Ф_(м) - Ф_(п) (11)

на границе металл-полупроводник и носящая название высоты потенциального барьера. Энергетическая зонная диаграмма контакта металл-полупроводник приведена на рис. 4. В результате возникновения контактной разности потенциалов происходит изгиб энергетических уровней и зон в приконтактной области. При этом, если Ф_(м) > Ф_(п), то изгиб будет направлен вверх. В результате возникает слой с пониженной проводимостью, который называется запирающим.

Рис. 4 Энергетическая зонная диаграмма контакта металл-полупроводник

Электрическое поле проникает в электронный полупроводник на глубину L_(о):

(12),

где e - диэлектрическая проницаемость полупроводника,

е(о) - диэлектрическая постоянная, n - концентрация. ц_(b) - высота потенциального барьера.

Величину L_(о) называют областью пространственного заряда.

Запирающий слой объединен основными носителями заряда и поэтому обладает повышенным сопротивлением по сравнению с толщей полупроводника. По существу система металл - запорный слой представляет собой конденсатор, и контакт М - П следовательно обладает емкостью:

(13)

Указанные свойства контакта М-П находят различные применения в полупроводниковых приборных устройствах.

Контактные явления

Возникает вопрос - как управлять потоками электронов для обработки интересующей нас информации. В электронике для этой цели используются, не однородные полупроводники. Во всем объеме однородного полупроводника мы можем получить одну реакцию на приложение внешнего электрического поля: включено-выключено. Именно специфические свойства контактов между полупроводниками с разным типом проводимости и полупроводником и металлом дали возможность, помещая в объеме полупроводникового кристалла области с различным типом проводимости, получать на их границах избирательную реакцию на электрические сигналы [5].

Переход, образованный областями с различными видами проводимости в объеме одного кристалла полупроводника называется гомогенным.

Переход, образованный различными по химическому составу полупроводниками называется гетерогенным.

Потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника на границе с металлом, называется барьером Шотки в честь немецкого ученого В. Шотки, создавшего в 1938-39 основы теории таких диодов.

Рис. 5 Зонная диаграмма n-р-перехода.

Область соприкосновения полупроводников с различными типами проводимости (n- и p - типом) называется электронно-дырочным переходом или просто n-p-переходом. n-p-переход может быть гомогенным и гетерогенным.

Итак, соединяем два полупроводника: p-типа и n-типа (см. рис. 5.). Так как концентрация дырок в области p-типа выше, чем в полупроводнике n-типа, дырки стремятся оттуда диффундировать в область n-типа, а электроны - в область p-типа из области n-типа.

Диффузия носителей заряда - это перемещение их в полупроводниках, обусловленное неоднородностями концентраций. Диффузия электронов и дырок в соседнюю область полупроводника продолжается не бесконечно. Вскоре в областях ab и bc избыточные заряды противоположных знаков. Двойной слой толщиной l создает контактное электрическое поле E_пр, которое препятствует дальнейшему встречному движению электронов и дырок. Область с двух сторон р-n - перехода, где существуют несобственные носители, называется областью пространственного заряда (ОПЗ) или обедненная область. При достижении ею определенной толщины l наступает состояние равновесия. На энергетической диаграмме это соответствует выравниванию уровней Ферми обоих полупроводников (см. рис. 5).

Установившееся равновесие, является динамическим, так как небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течет к границе р-n - перехода и проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый основными носителями (электронами в n-области и дырками в р-области), благодаря диффузии протекает в обратном направлении. Полный ток через p-n-переход равен нулю [6]. Разность потенциалов, возникающая между р- и n - областями из-за наличия контактного поля E_пр, называется контактной разностью потенциалов или просто высотой потенциального барьера, который хорошо видно на диаграмме (рис. 5.). Она обычно имеет величину порядка десятых долей вольта.

Рассмотрим, как р-n-переход отреагирует на подведение к нему внешнего напряжения. Внешнее электрическое поле должно изменить высоту потенциального барьера и нарушить равновесие потоков носителей через барьер. Осуществим вначале прямое смещение р - n - перехода. То есть к области р-типа приложим плюс источника эдс, а к области n-типа, соответственно, минус. В этом случае число основных носителей, способных преодолеть барьер возрастает. Как только они преодолевают барьер, то становятся уже неосновными, что ведет к повышению концентрации неосновных носителей по обе стороны барьера. Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей. На место ушедших основных носителей заряда в р- и n - области через контакты приходят другие, вызывающие компенсацию инжектированных зарядов, рекомбинируя с ними. Возникает ток через переход, возрастающий с ростом напряжения [9].

Рис. 6 Зонная диаграмма n-р-перехода при прямом смещении

Рис. 7 Зонная диаграмма n-р-перехода при обратном смещении («+» к n-области, «-» к р-области)

На рисунке 6 видно, что при прямом смещении (приложении минуса к n-области, а плюса к р-области) приводит к снижению потенциального барьера (Ф_(о) - еU). Обедненная область p-n-перехода сужается и через нее может перейти значительное количество носителей заряда. Ток при этом возрастает и ее называют прямым током, напряжение прямого смещения называют часто просто прямым напряжением на р-n-переходе [7].

Обратное смещение (приложение плюса к n-области, а минуса к р-области полупроводника) приводит к повышению потенциального барьера (рис. 7.). Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой, в то время как потоки неосновных носителей не изменяются, ведь для них барьера не существует. Ток, создаваемый их движением называется током насыщения I_s. Он пренебрежимо мал и практически не зависит от напряжения. На рисунке видно, что основные носители заряда в р-области дырки отталкиваются от плюса и притягиваются к минусу, электроны в n-области - наоборот и обедненная область расширяется, создавая существенное препятствие для протекания заряда. Рисунок наглядно показывает, что основные носители с обеих сторон через переход переходить не собираются и тока не создают. Слабый ток неосновных носителей, протекающий при обратном смещении, называется обратным током, напряжение обратного смещения часто называют просто обратным.

1.3 Классификация полупроводниковых приборов

Свойствами полупроводников обладают различные химические вещества. Среди них принято выделять несколько групп, но из них четыре можно выделить как основные, а остальные, так как они их представители не являются часто встречающимися в производстве материалами, мы включаем в одну пятую группу [11].

Классификация современных полупроводниковых диодов (ПД) по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, исходному полупроводниковому материалу находит отражение в системе условных обозначений диодов.

Система обозначений ПД установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81, а силовых полупроводниковых приборов - ГОСТ 20859.1-89. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) - подкласс приборов, третий (цифра) - основные функциональные возможности прибора, четвертый - число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию приборов, изготовленных по единой технологий [13].

Для обозначения исходного полупроводникового материала используются следующие символы:

Г, или 1, - германий или его соединения;

К, или 2, - кремний или его соединения;

А, или 3, - соединения галлия;

И, или 4, - соединения индия.

Для обозначения подклассов используется одна из следующих букв:

Д - диоды выпрямительные и импульсные;

Ц - выпрямительные столбы и блоки;

В-варикапы;

И - туннельные диоды;

А - сверхвысокочастотные диоды;

С - стабилитроны;

Г - генераторы шума;

Л- излучающие оптоэлектронные приборы;

О - оптопары.

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков приборов (их функциональные возможности) используются следующие цифры:

Диоды (подкласса Д)

1 - выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3А;

2 - выпрямительные диоды с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3А, но не свыше 10А;

4- импульсные диоды с временем восстановления обратного сопротивления более 500 нс;

5- импульсные диоды с временем восстановления более 150 нс, но не свыше 500 нс;

6- импульсные диоды с временем восстановления 30….150 нс;

7- импульсные диоды с временем восстановления 5…30 нс;

8- импульсные диоды с временем восстановления 1…5 нс;

9- импульсные диоды с эффективным временем жизни неосновных носителей заряда мене 1 нс.

Выпрямительные столбы или блоки (подкласс Ц):

1 - столбы с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3А;

2 - столбы с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10А;

3 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока не более 0,3А;

4 - блоки с постоянным или средним значением прямого тока 0,3…10А.

Варикапы (подкласс В):

1 - подстрочные варикапы;

2-умножительные варикапы.

Туннельные диоды (подкласс И):

1 - усилительные туннельные диоды;

2 - генераторные туннельные диоды;

3 - переключательные туннельные диоды;

4 - обращенные диоды.

Сверхвысокочастотные диоды (подкласс А):

1 - смесительные диоды;

2 - детекторные диоды;

3 - усилительные диоды;

4 - параметрические диоды;

5 - переключательные и ограничительные диоды;

6 - умножительные и настроечные диоды;

7 - генераторные диоды;

8- импульсные диоды.

Стабилитроны (подкласс С):

1 - стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;

2 - стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10…100 В;

3 - стабилитроны мощностью не более 0,3 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В;

4 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;

5 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В;

6 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В;

7 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации менее 10 В;

8 - стабилитроны мощностью 5…10 Вт с номинальным напряжением стабилизации 10…100 В;

9 - стабилитроны мощностью 0,3…5 Вт с номинальным напряжением стабилизации более 100 В.

Генераторы шума (подкласс Г):

1-низкочастотные генераторы шума;

2-высокочастотные генераторы шума.

Для обозначения порядкового номера разработки используется двухзначное число от 01 до 99. если порядковый номер разработки превышает число 99, то в дальнейшем применяется трехзначное число от 101 до 999. В качестве квалификационной литературы используются буквы русского алфавита (за исключением букв З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Ю, Я, Ь, Ъ, Э).

Итак, самым распространенным полупроводником, из которого изготавливается большинство современных микросхем и дискретных полупроводниковых приборов является кремний Si. Еще двадцать лет назад ему не уступал германий Ge. В высокочастотных микросхемах, инжекционных лазерах, светодиодах, туннельных диодах и многих других приборах применяется прочно зарекомендовавший себя в этой области полупроводник арсенид галлия GaAs. Высокоомные полупроводники типа сульфида цинка ZnS применяются в люминофорах обычных и плоских активных мониторов [15].

2. Изучение работы полупроводниковых приборов

2.1 Выпрямительные устройства

Лабораторная работа №1.

Тема: Выпрямительные устройства.

Цель работы: Ознакомиться со схемой лабораторной установки для исследования полупроводникового выпрямительного устройства; исследовать однополупериодный выпрямитель; исследовать однотактный двухполупериодный выпрямитель; исследовать двухтактный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель; составить краткие выводы.

Приборы и материалы: Осциллограф, цифровой мультиметр, выпрямитель, соединительные провода.

Выпрямительные устройства обычно состоят из трех основных элементов: трансформатора, электрического вентиля и сглаживающегося фильтра. С помощью трансформатора изменяется значение переменного напряжения, получаемого от источника питания, с целью приведения его в соответствие со значением требуемого выпрямленного напряжения. Выпрямление переменного тока осуществляется электрическим вентилем. Электрические вентили по своим вольт-амперным характеристикам делятся на две группы. К первой относятся вакуумные электронные и полупроводниковые диоды, вольт-амперные характеристики, которых для проводящего направления могут быть приближенно представлены наклонными прямыми, проходящими через начало координат. Ко вторым относят газоразрядные (ионные) приборы, у которых зависимость тока от напряжения для проводящего направления может быть представлена в виде вертикальной прямой [17].

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсации выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямительных устройств. При выпрямлении переменного тока в зависимости от числа фаз сети, питающей выпрямительное устройство, и характера нагрузки, а также требований, предъявляемых выпрямленным току и напряжению, электрические вентили могут быть соединены по различным схемам.

При выпрямлении однофазного переменного тока простейшими схемами выпрямления являются одно - и двухполупериодная однотактные однофазные схемы.

Однотактными выпрямительными устройствами являются такие, в которых ток во вторичной обмотке трансформатора в процессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухтактных выпрямительных устройствах - в обоих направлениях.

При подаче переменного синусоидального напряжения на первичную обмотку согласующего трансформатора напряжение на зажимах вторичной его обмотки будет также переменным синусоидальным, т.е.

u=Usin щt (14)

Диод проводит электрический ток только в том случае, когда его анод относительно катода имеет положительный потенциал. Поэтому ток в цепи (вторичная обмотка трансформатора, диод и нагрузка) протекает только в одном направлении, т.е. в течение одной половины периода переменного напряжения. В результате этого ток в цепи нагрузки оказывается пульсирующим (неизменным по направлению, но изменяющимся по значению). При этом амплитудное значение тока (относительно небольшим сопротивлением диода в прямом направлении можно пренебречь)

(15).

где - сопротивление потребителя электроэнергии.

Однополупериодное выпрямление переменного тока характеризуется глубокими пульсациями выпрямленного тока и напряжения, которые обуславливаются наличием в кривых выпрямленного тока и напряжения переменных составляющих - пульсаций. Для оценки пульсаций в той или иной схеме выпрямления вводится коэффициент пульсаций - q, под которым понимается отношение амплитуды наиболее выраженной гармонической составляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или напряжения, к постоянной составляющей тока или напряжения в выходной цепи выпрямителя:

(16)

Для однополупериодного выпрямителя с учетом гармонических составляющих тока коэффициент пульсаций

(17)

Поэтому при выборе диода для схемы однополупериодного однофазного однотактного выпрямления необходимо принимать во внимание, что максимально допустимое обратное напряжение диода было больше или равно амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора [15].

К недостаткам однополупериодной схемы выпрямления следует отнести значительные пульсации выпрямленных тока и напряжения, а также недостаточно высокое использование трансформатора, так как по его вторичной обмотке при этом протекает ток только в течение полупериода. Выпрямители подобного типа применяются главным образом в маломощных установках, когда выпрямленный ток мал, а достаточно удовлетворительное сглаживание пульсации может быть обеспечено с помощью фильтра.

Двухполупериодный выпрямитель представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол 18. Так как каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод его становится положительным относительно катода.

Кривую выпрямленного тока при двухполупериодном выпрямлении можно разложить на гармонический ряд Фурье.

(18)

При этом также как и для схемы однополупериодного выпрямителя, наряду с переменными составляющими гармонический ряд содержит и постоянную составляющую тока . Постоянная составляющая напряжения на нагрузке

, (19)

где - максимальное (амплитудное) значение выпрямленного тока; - амплитудное значение напряжения половины вторичной обмотки трансформатора.

Как видно из полученного выражения, среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двухполупериодной схеме увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.

Выражая среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке через действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора, получаем

Пульсации тока в двухполупериодной схеме значительно уменьшаются по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления. Коэффициент пульсации в данном случае равен

=0,667

Максимальное значение обратного напряжения на диодах в рассматриваемой схеме

Действительно, когда один из диодов пропускает ток, потенциал его катода оказывается практически равным потенциалу анода, так как незначительным падением напряжения на диоде при этом можно пренебречь. Тот же потенциал имеет и катод второго диода, в данную часть периода, не пропускающего ток, так как катоды обоих диодов в схеме связаны. В сравнении со схемой однополупериодного выпрямителя, в двухполупериодном, ток во вторичной обмотке трансформатора не содержит постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, вследствие чего подмагничивание сердечника в данном случае отсутствует, тепловые потери при этом уменьшаются [20].

С учетом этого применение двухполупериодной схемы выпрямления более предпочтительно, чем однополупериодной.

Снижение обратного напряжения, воздействующего на диод в непроводящую часть периода, и уменьшения расчетной мощности трансформатора при двухполупериодном выпрямлении переменного тока можно достигнуть при переходе от однотактной схемы к двухтактной (мостовой) схеме. Выпрямитель, выполненный по мостовой схеме позволяет получить двухполупериодное выпрямление переменного тока при полном использовании мощности трансформатора, не имеющего среднего вывода от вторичной обмотки.

Технические характеристики.

Осциллограф двухлучевой С1-96

Мультиметр цифровой DЕ-830В

Диод Д226Б основные характеристики диода:

Максимально выпрямленный ток - 0,3А

Максимальное обратное напряжение

При t=20 C - 400В

При максимальной рабочей t - 300В

Прямое падение напряжения - 1В

Обратный ток при максимальном обратном напряжений - 0,3mA

Диапазон рабочих температур от -60 до+80С

Трансформатор ТС-40-2 аФ0470.025ТУ U1 =220B U2=30B

Электролитический конденсатор К50-12, с=2000мкФ, U=50В

Дроссель индуктивности 1Гн

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с техникой безопасности.

2. Ознакомиться с экспериментальной установкой для исследования однопериодной, двухполупериодной однотактной и двухполупериодной двухтактной (мостовой) выпрямительных схем на полупроводниковых диодах, а также с необходимыми для выполнения работы измерительными приборами и оборудованием.

3. Подготовить установку к проведению исследований:

o подключить цифровой амперметр для измерения выпрямленного тока нагрузки;

o подключить цифровой вольтметр для измерения выпрямленного напряжения на нагрузке;

o подключить осциллограф для наблюдения и регистрации формы выпрямленного напряжения на нагрузке;

o подключить источник регулируемого переменного напряжения, с помощью которого установить напряжение на входе выпрямительного устройства U=220В и при проведении опытов поддерживать его неизменным.

4. Исследовать выпрямитель, собранный по однополупериодной схеме при работе без сглаживающих фильтров. При этом выключатели В₃ и В₄ в цепях конденсаторов разомкнуты, выключатель В₅ в шунтирующей цепи дросселя и выключатель В₆ в цепи нагрузки - замкнуты, выключатель В₂ - разомкнут.

o включить напряжение питания установки и измерительных приборов - цифрового мультиметра и осциллографа.

o установить на экране осциллографа размер осциллограммы по вертикали -30-40 мм; зарисовать на кальке в масштабе осциллограмму и записать показания всех измерительных приборов в таблицу.

5. Провести исследования, снимая осциллограмму с экрана осциллографа и записывая показания всех измерительных приборов в таблицу при включении в схему выпрямителя:

o индуктивного (дроссельного) сглаживающего фильтра;

o емкостного сглаживающего фильтра (дроссель закорочен);

o индуктивно-емкостного (L-C - типа) Г-образного сглаживающего фильтра;

o индуктивно-емкостного (L-C - С-типа) П-образного сглаживающего фильтра;

6. Снять внешнюю характеристику U и I однополупериодного выпрямителя при U=const и отсутствии сглаживающего фильтра, регистрируя выпрямленные напряжение и ток при изменении сопротивления нагрузки. Результаты измерений нанести на график.

7. Включить в выпрямительную схему емкостный фильтр и снять внешнюю характеристику в этих условиях. Первую точку характеристики снять для режима холостого хода.

8. Исследовать двухполупериодный однотактный выпрямитель: в предыдущей схеме замкнуть выключатель В₂ и провести те же измерения, что и при однополупериодном выпрямлении. Записать показания всех измерительных приборов.

Таблица 1

№ измерении	измерения	Вычисления
	Тип фильтра	U1, В	2U2, В	Id, mA	Rн, Ом	U2m, B	q -	Ud p, В	Id p, mA
1	Индуктив.	220	30	14,5	75	28	55	26	13,5
2	емкос	220	30	14	70	26	58	20	14,5
3	Г обр	220	38,6	43	60	25	52	25	13
4	П обр	220	38,6	43,5	55	24	49	30	15
Двухполупериодный однотактный
6	Индуктив.	220	26	29,2	60	29,5	55	25	13
7	емкос	220	25,6	28,8	62	28,6	51	26	12
8	Г обр	220	39,6	44,6	64	27,9	53	27,5	14
9	П обр	220	39,6	44,6	58	29,4	54	28	11
Двухполупериодный двухтактный
10	индуктив	220	52	58	59	33	65	21	13,9
11	емкос	220	51	57,2	60	31	52	23	14
12	Г обр	220	76	86,4	75	30	23	24	13,5
13	П обр	220	78	86	80	35	26	27	14,5

Схема 1. Схема выпрямительного устройства

Схема 2. Однополупериодное соединение

При соединении 1 диода. I=14,5mA, U=6,2B

Изображение на осциллографе (см. рис. 8).

Рис. 8 Изображение на осциллографе



Рис. 9 Изображение на осциллографе

При индуктивном соединении.I=14 mA, U=6,2B. изображение на осциллографе (см. рис. 9).

При Г-образном соединении. I=43,6 mA, U=19,3 B. изображение на осциллографе (см. рис. 10).

Рис. 10 Изображение на осциллографе

При П-образном соединении. I=43,5 mA, U=19,3 B. изображение на осциллографе (см. рис. 11).

Рис. 11 Изображение на осциллографе

Схема 3. Двухполупериодное однотактное соединение

При соединении двух диодов.I=29,2 mA, U=13 B. Изображение на осциллографе (см. рис. 12).

Рис. 12 Изображение на осциллографе

При индуктивном соединении. I=28,8 mA, U=12,8 B. изображение на осциллографе (см. рис. 13).

Рис. 13 Изображение на осциллографе

При Г-образном соединении. I=44,6 mA, U=19,8 B. Изображение на осциллографе (см. рис. 14).

Рис. 14 Изображение на осциллографе

При П-образном соединении. I=44,6 mA, U=19,8 B. изображение на осциллографе (см. рис. 15).

Рис. 15 Изображение на осциллографе

Схема 4. Мостовое соединение

При соединении 4 диодов. I=52 mA, U=26 B. Изображение на осциллографе (см. рис. 16).

Рис. 16 Изображение на осциллографе

При индуктивном соединении. I=57,2 mA, U=25,5 B. изображение на осциллографе (см. рис. 17).

Рис. 17 Изображение на осциллографе

При Г-образном соединении. I=86 mA, U=38 B. Изображение на осциллографе (см. рис. 18).

Рис. 18 Изображение на осциллографе

При П-образном соединении. I=86 mA, U=39 B. изображение на осциллографе (см. рис. 19).

Рис. 19 Изображение на осциллографе

2.2 Резонанс токов

Лабораторная работа №2.

Тема: Резонанс тока.

Цель работы: Экспериментальное исследование режимов работы и изучение физических процессов, протекающих в электрической цепи переменного синусоидального тока с параллельным соединением катушки индуктивности и конденсатора.

Приборы и материалы: измерительный комплект К505, мультиметр, конденсатор, соединительные повода.

В неразветвленной цепи переменного тока, содержащей элементы с параметрами: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С, напряжение питающей сети равно векторной сумме напряжений, действующих на участках цепи. В соответствии с этим выражение для напряжения, подводимого к электрической цепи, может быть записано по второму закону Кирхгофа в комплексной (векторной) форме

, (20)

где , , - комплексные напряжения на участках цепи, определяемые как произведение комплексного тока на соответствующие сопротивления R, и - активное и реактивные индуктивное и емкостное сопротивление; - угловая частота; f - частота питающего напряжения.

По уравнению для комплексного напряжения на входе цепи можно построить векторную диаграмму тока и напряжений электрической цепи, принимая во внимание, что умножение вектора напряжения на множитель

(+ ј) соответствует повороту его относительного вектора тока на угол р/2 в направлении отсчета положительных углов, а умножение на множитель (-ј) - повороту вектора напряжения на угол р/2 по часовой стрелке [19].

Полученное раннее уравнение для подводимого к электрической цепи комплексного напряжения с учетом его составляющих преобразуется к виду

(21)

или к виду уравнения, записанного в комплексной форме по закону Ома для всей цепи:

, (22)

где - комплексное сопротивление электрической цепи переменного тока.

Модуль комплексного сопротивления (полное сопротивление) цепи переменного тока

 (23)

Из этого выражения следует, что полное сопротивление электрической цепи переменного тока зависит не только от параметров соответствующей цепи, но и от частоты питающего напряжения; причем для линейной цепи значение как полного сопротивления, так и его составляющих не зависит от значения подводимого напряжения. При этом связь между действующими значениями тока и напряжения и полным сопротивлением цепи определяется соотношениями U=ZI или I=U/Z.

Резонанс тока, как это видно из приведенных выражений для и , можно получить при изменении частоты переменного тока, емкости или индуктивности, также как и при одновременном изменении параметров цепи. В простейшем случае резонанс тока может быть получен в электрической цепи переменного тока при параллельном включении катушки индуктивности и конденсаторов. При этом изменяя емкость конденсаторов при постоянных параметрах катушки, получают резонанс тока при неизменных значениях напряжения и индуктивности, частоты и активного сопротивления цепи. При изменении емкости С конденсаторов происходит изменение реактивного емкостного сопротивления. При этом полное сопротивление цепи также изменяется, следовательно, изменяется ток, коэффициент мощности, напряжение на катушке индуктивности, конденсаторах и активном сопротивлении катушки и активная, реактивная и полная мощности электрической цепи [20].

Анализ представленных выражений, показывает, что резонанс тока характеризуется рядом существенных факторов.

1. При резонансе тока полное сопротивлении цепи переменного тока принимает минимальное значение и оказывается равным ее активному сопротивлению, т.е.

2. Из этого следует, что при неизменном напряжении питающей сети (U=const) при резонансе тока при резонансе тока, напряжение в цепи достигает наибольшего значения. Теоретически ток может достигать больших значений, определяемых напряжением сети и активным сопротивлением катушки. При малом значений активного сопротивления ток может достигать большого значения.

3. Коэффициент мощности при резонансе cosц=R/Z=R/R=1, т.е. принимает наибольшее значение, которому соответствует угол ц=0. это означает, что вектор тока и вектор напряжения сети при этом совпадают по направлении, так как они имеют равные начальные фазы.

4. Активная мощность при резонансе имеет наибольшее значение, равное полной мощности Ѕ, в то же время реактивная мощность цепи оказывается равной нулю: .

При этом реактивная индуктивная и реактивная емкостная составляющие полной мощности могут приобретать теоретически весьма большие значения, в зависимости от значении тока и реактивных сопротивлений.

5. При резонансе тока напряжения на емкости и индуктивности оказываются равными и в зависимости от тока и реактивных сопротивлений, могут принимать большие значения, во много раз превышающие напряжение питающей сети. При этом напряжение на активном сопротивлений оказывается равным напряжению питающей сети, т.е.

(24)

Резонанс тока в промышленных электротехнических установках нежелательное и опасное явление, так как оно может привести к аварии вследствие недопустимого перегрева отдельных элементов электрической цепи или к пробою изоляции обмоток электрических машин и аппаратов, изоляции кабелей и конденсаторов при возможном перенапряжении на отдельных участках цепи. В то же время резонанс тока в электрических цепях переменного тока широко используется в радиотехнике и электронике в различного рода приборах и устройствах, основанных на резонансном явлении [17].

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с техникой безопасности при выполнений лабораторной работы.

2. Ознакомиться с измерительными приборами и оборудованием. Ознакомиться с измерительным комплектом К505.

3. Записать в отчет по лабораторной работе технические данные измерительных приборов и оборудования, используемого при выполнений работы.

4. Собрать электрическую цепь, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. В соответствии со схемой подключить параллельно каждому участку цепи вольтметры.

5. Питание электрической цепи осуществлять от регулируемого источника питания синусоидальным напряжением, расположенного на панели источника питания. Включение источника питания производится нажатием кнопок «сеть» и «переменное». Перед включением необходимо убедиться, что ручка регулятора источника питания находится в крайнем левом положении (U=0).

6. Измерение тока, мощности, напряжения на входе электрической цепи производить амперметром, ваттметром и вольтметром измерительного комплекта К505.

7. Установить заданное преподавателем значение напряжения на входе электрической цепи и записать показания всех измерительных приборов в таблицу 1.

8. Выполнить аналогичные измерения при следующих изменениях в исследуемой электрической цепи:

a. емкость батарей конденсаторов увеличить до 200мкФ;

b. с помощью гибкого соединителя закоротить катушку индуктивности, при этом резисторы и батарея конденсаторов включены в цепь;

c. закоротить батарею конденсаторов (в цепь включены только резисторы);

d. закоротить резисторы и катушку индуктивности (в цепь включена только батарея конденсаторов);

e. закоротить резисторы и батарею конденсаторов (в цепь включена только катушка индуктивности).

9. Снять резонансные кривые, т.е. зависимости тока, полного сопротивления и коэффициента мощности электрической цепи от емкости конденсаторов при параллельном включении катушки индуктивности и батарей конденсаторов.

Таблица 2

№ п/п	Наименование прибора	Система прибора	Класс точности	Предел измерения	Цена деления
1	амперметр	электромагнитная	1,5	1А	0,05А
2	ваттметр	ферродинамическая	0,5	150Вт	1Вт
3	вольтметр	электромагнитная	0,5	150В	1В
4	амперметр	электромагнитная	1,5	0,75А	0,05А
5	амперметр	электромагнитная	1,5	0,75А	0,05А
6	потенциометр	электродинамический логометр	0,5	±90	2

Схема 5. Схема для проведения эксперимента

Таблица 3

№ п/п	Измерено
	c	I			P	ц	cosц
	мкФ	А	А	А	Вт	є	-
1	17,25	0,18	0,59	0,6	15	2	1
2	17	0,18	0,59	0,61	16	10	0,29
3	15,5	0,188	0,54	0,61	15,5	31	0,40
4	15	0,195	0,5	0,61	15,25	70	0,34
5	18	0,19	0,64	0,61	15,75	-47	0,68
6	18,5	0,2025	0,66	0,61	16	-65	0,42
7	19,5	0,225	0,7	0,61	16	-66	0,40

Таблица 4

№ п/п	Вычислено
	G			Y			S	c	cosц
	См	См	См	См	вар	вар	ВА	мкФ	-
1	0,0006	0,00416	0,00400	0,000620	42	40	6,32	12,74	0,95
2	0,0006	0,00416	0,00180	0,002432	42	18	24,74	5,73	0,24
3	0,0006	0,00416	0,00250	0,001762	42	25	18,03	7,96	0,33
4	0,0006	0,00416	0,00210	0,002143	42	21	21,84	6,69	0,27
5	0,0006	0,00416	0,00470	0,000809	42	47	7,81	14,97	0,77
6	0,0006	0,00416	0,00560	0,001563	42	56	15,23	17,83	0,39
7	0,0006	0,00416	0,00570	0,001656	42	57	16,16	18,15	0,37



Рис. 20 Полное сопротивление в цепи

Графики зависимости физических параметров цепи от индуктивности катушки.

Рис. 21 график зависимости физических параметров цепи от индуктивности катушки

2.3 Резонанс напряжений

Лабораторная работа №3.

Тема: Резонанс напряжений.

Цель работы: Экспериментальное исследование неразветвленной электрической цепи синусоидального тока при наличии потребителей с активно-реактивными сопротивлениями, определение параметров цепи, установление условий резонанса напряжений.

В неразветвленной цепи переменного тока, содержащей элементы с параметрами: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С, напряжение питающей сети равно векторной сумме напряжений, действующих на участках цепи.

В соответствии с этим выражение для напряжения, подводимого к электрической цепи, может быть записано по второму закону Кирхгофа в комплексной (векторной) форме

, (25)

где , , - комплексные напряжения на участках цепи, определяемые как произведение комплексного тока на соответствующие сопротивления R, и - активное и реактивные индуктивное и емкостное сопротивление; - угловая частота; f - частота питающего напряжения.

По уравнению для комплексного напряжения на входе цепи можно построить векторную диаграмму тока и напряжений электрической цепи, принимая во внимание, что умножение вектора напряжения на множитель

(+ ј) соответствует повороту его относительного вектора тока на угол р/2 в направлении отсчета положительных углов, а умножение на множитель (-ј) - повороту вектора напряжения на угол р/2 по часовой стрелке [12].

Полученное раннее уравнение для подводимого к электрической цепи комплексного напряжения с учетом его составляющих преобразуется к виду

(26)

или к виду уравнения, записанного в комплексной форме по закону Ома для всей цепи:

, (27)

где - комплексное сопротивление электрической цепи переменного тока.

Модуль комплексного сопротивления (полное сопротивление) цепи переменного тока

(28)

Из этого выражения следует, что полное сопротивление электрической цепи переменного тока зависит не только от параметров соответствующей цепи, но и от частоты питающего напряжения; причем для линейной цепи значение как полного сопротивления, так и его составляющих не зависит от значения подводимого напряжения. При этом связь между действующими значениями тока и напряжения и полным сопротивлением цепи определяется соотношениями U=ZI или I=U/Z.

Резонанс напряжения, как это видно из приведенных выражений для и , можно получить при изменении частоты переменного тока, емкости или индуктивности, также как и при одновременном изменении параметров цепи. В простейшем случае резонанс тока может быть получен в электрической цепи переменного тока при параллельном включении катушки индуктивности и конденсаторов. При этом изменяя емкость конденсаторов при постоянных параметрах катушки, получают резонанс тока при неизменных значениях напряжения и индуктивности, частоты и активного сопротивления цепи. При изменении емкости С конденсаторов происходит изменение реактивного емкостного сопротивления. При этом полное сопротивление цепи также изменяется, следовательно, изменяется ток, коэффициент мощности, напряжение на катушке индуктивности, конденсаторах и активном сопротивлении катушки и активная, реактивная и полная мощности электрической цепи.

Анализ представленных выражений, показывает, что резонанс тока характеризуется рядом существенных факторов.

1. При резонансе тока полное сопротивлении цепи переменного тока принимает минимальное значение и оказывается равным ее активному сопротивлению, т.е.

(29)

2. Из этого следует, что при неизменном напряжении питающей сети (U=const) при резонансе тока при резонансе тока, напряжение в цепи достигает наибольшего значения. Теоретически ток может достигать больших значений, определяемых напряжением сети и активным сопротивлением катушки. При малом значений активного сопротивления ток может достигать большого значения.

3. Коэффициент мощности при резонансе cosц=R/Z=R/R=1, т.е. принимает наибольшее значение, которому соответствует угол ц=0. это означает, что вектор тока и вектор напряжения сети при этом совпадают по направлении, так как они имеют равные начальные фазы.

4. Активная мощность при резонансе имеет наибольшее значение, равное полной мощности Ѕ, в то же время реактивная мощность цепи оказывается равной нулю: . При этом реактивная индуктивная и реактивная емкостная составляющие полной мощности могут приобретать теоретически весьма большие значения, в зависимости от значении тока и реактивных сопротивлений.

5. При резонансе напряжений напряжения на емкости и индуктивности оказываются равными и в зависимости от тока и реактивных сопротивлений, могут принимать большие значения, во много раз превышающие напряжение питающей сети. При этом напряжение на активном сопротивлений оказывается равным напряжению питающей сети, т.е. .

Резонанс напряжений в промышленных электротехнических установках нежелательное и опасное явление, так как оно может привести к аварии вследствие недопустимого перегрева отдельных элементов электрической цепи или к пробою изоляции обмоток электрических машин и аппаратов, изоляции кабелей и конденсаторов при возможном перенапряжении на отдельных участках цепи. В то же время резонанс тока в электрических цепях переменного тока широко используется в радиотехнике и электронике в различного рода приборах и устройствах, основанных на резонансном явлении [25].

Методические указания по выполнению работы

1. Ознакомиться с измерительными приборами и оборудованием.

2. Ознакомиться с измерительным комплектом К505.

3. Ознакомиться с техникой безопасности.

4. Записать в отчет по лабораторной работе технические данные измерительных приборов и оборудования, используемого при выполнений работы.

5. Собрать электрическую цепь, принципиальная схема. В соответствии со схемой подключить параллельно каждому участку цепи вольтметры.

6. Питание электрической цепи осуществлять от регулируемого источника питания синусоидальным напряжением, расположенного на панели

источника питания. Включение источника питания производится нажатием кнопок «сеть» и «переменное». Перед включением необходимо убедиться, что ручка регулятора источника питания находится в крайнем левом положении (U=0).

7. Измерение тока, мощности, напряжения на входе электрической цепи производить амперметром, ваттметром и вольтметром измерительного комплекта К505.

8. Установить заданное преподавателем значение напряжения на входе электрической цепи и записать показания всех измерительных приборов в таблицу 4.