Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой




Скачать 176.18 Kb.
НазваниеЗабайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой
Дата03.11.2012
Размер176.18 Kb.
ТипЛабораторная работа
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА



ОДОБРЕНО КАФЕДРОЙ

“Энергоснабжение ”

Заведующий кафедрой

_____________ С.А. Филлипов

"___ "__________ 2007 г.




УТВЕРЖДАЮ:

Декан факультета НТС

______________В.В. Степанов

"___"__________ 2007 г.




ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к расчетно-графической работе № 1

для студентов II курса очного и III курса заочного отделения специальности


190402. АВТОМАТИКА, ТЕЛЕМЕХАНИКА И СВЯЗЬ

НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ (АТС)


Чита – 2007

Разработаны на основании примерной учебной программы данной дисциплины, составленной в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальности 190402 "Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте".


С о с т а в и т е л ь – к.т.н., ст. преподаватель Менакер К.В.


© Забайкальский институт железнодорожного транспорта, 2007

ВВЕДЕНИЕ


Современная электронная и микроэлектронная техника базируется на полупроводниковых элементах, поэтому изучение таких полупроводниковых приборов, как диоды, стабилитроны, биполярные, полевые транзисторы и тиристоры является основой для освоения работы всех электронных устройств.

В ходе проведения данных лабораторных работ учащиеся знакомятся с устройством полупроводниковых приборов (стабилитрона, биполярного транзистора и тиристора), с физическими принципами их работы, а также с их вольт-амперными характеристиками.

Лабораторная работа № 3 заключается в расчете параметрического стабилизатора напряжения и анализе его работы в программе электронного моделирования Electronics Workbench V. 5.12. Достоинством работы является то, что учащиеся наглядно анализируют работу стабилизатора при изменении в допустимых пределах входного напряжения и значения сопротивления нагрузки.

Лабораторная работа № 4 посвящена изучению биполярного транзистора. К особенностям работы можно отнести то, что учащиеся закрепляют теоретические знания путем синтеза схем включения транзистора с ОБ, ОК, ОЭ в программе электронного моделирования Electronics Workbench V. 5.12 и поточечного снятия для каждой из схем входных и выходных вольтамперных характеристик.

В лабораторной работе № 5 изучаются полупроводниковые приборы – тиристоры. Большая часть работы посвящена теоретическому и практическому изучению основных параметров тиристоров, схем их включения и выключения, а также практическому применению тиристоров в качестве управл­­­яющих устройств. В ходе работы учащиеся детально исследуют работу широтно-импульсного и частотного импульсного преобразователей напряжения.

Методические указания содержат 32 индивидуальных варианта заданий, основанных на полупроводниковых элементах отечественного производства, а также подробные иллюстрации и примеры.


Расчетно-графическая работа № 1

Исследование работы параметрического стабилизатора



Цель работы: экспериментальное исследование работы параметрического стабилизатора.


1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ



В ряде случаев к выходному напряжению выпрямителя, используемому в качестве напряжения питания для некоторого электронного устройства, предъявляются требования в отношении его стабильности. Ввиду того, что выходное напряжение выпрямителя может изменяться при изменении напряжения питающей сети или сопротивления нагрузки, между выпрямителем и нагрузкой включают стабилизатор напряжения.

Существует два типа стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные. В первом типе стабилизаторов используется свойство некоторых приборов в частности стабилитронов при изменении протекающего через них тока сохранять постоянство напряжения.

Во втором типе стабилизаторов задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке.

Схема параметрического стабилизатора напряжения приведена на рис. 1. Она состоит из ограничительного сопротивления и стабилитрона . Нагрузка в виде сопротивления включена параллельно стабилитрону.





Рис. 1. Схема параметрического стабилизатора напряжения


Как уже было отмечено, работа параметрического стабилизатора основана на свойстве стабилитрона. Стабилитрон представляет собой обычный полупроводниковый диод, рабочим участком которого является участок электрического пробоя ВАХ в области обратных напряжений (рис. 2). На этом участке напряжение на стабилитроне остается практически постоянным при изменении тока через него в пределах минимального и максимально допустимого тока стабилизации.





Рис. 2. ВАХ и обозначение полупроводникового стабилитрона


Отличие стабилитронов от диодов заключается в том, что они изготавливаются на разное напряжение стабилизации (напряжение пробоя). Этого легко добиваются, подбирая нужную степень легирования (концентрацию доноров и акцепторов в и типе полупроводника).



    1. Расчет параметрического стабилизатора


Расчет параметрического стабилизатора напряжения сводится к выбору стабилитрона на напряжение нагрузки и обеспечению условий его работы, при которых изменяющийся в процессе работы ток стабилитрона не выходил бы за пределы рабочего участка .

Основные соотношения для токов и напряжений в стабилизаторе можно получить, воспользовавшись первым и вторым законом Кирхгофа:

Для узла 1 (см. рис. 1) уравнение баланса токов:


. (1)


Уравнение баланса напряжений ветвей контура :


. (2)


Компонентное уравнение ветви, содержащей сопротивление :


. (3)

Компонентное уравнение ветви, содержащей сопротивление :


. (4)


С использованием уравнения (1) представим уравнение (3) в виде


, (5)


а уравнение (2) с использованием уравнения (5):


. (6)


На основании соотношений (6) и (4) для тока стабилитрона можно записать


. (7)


Напряжение , определяемое напряжением , изменяется незначительно, в связи с чем его можно считать неизменным. Тогда в условиях изменения тока нагрузки (сопротивления ) и напряжения источника ток будет изменяться от некоторого минимального значения до максимального значения . Минимальному значению тока , согласно выражению (7), будут соответствовать минимальные значения и , а максимальному значению тока – максимальные значения и .

Таким образом, для обеспечения нормальной работы стабилизатора должны одновременно выполняться два условия:


, (8)


. (9)


Разрешение полученной системы уравнений напрямую невозможно, т. к. система содержит три неизвестных переменных () и два уравнения. Примем сопротивление нагрузки постоянным .


Из уравнения (8) выразим значение :





и подставим его в выражение (9):




Из полученного выражения выразим величину ограничительного сопротивления :


.

. (10)


Однако величина ограничительного сопротивления , полученная с использованием выражения (10), является минимально допустимой для нормальной работы стабилизатора. К тому же следует напомнить, что расчет осуществлялся при постоянной нагрузке . Для пояснения приведем графики функций (8) (9) при изменении сопротивления нагрузки в диапазоне 100…1000 Ом при , , и при предельных значениях тока стабилизации , .

Величина ограничительного сопротивления при указанных условиях составит


.


Величина минимально-допустимого сопротивления нагрузки:


.

Графики функций (8) (9) при указанных условиях приведены на рис. 3.





Рис. 3. Графики функций минимального и максимального значений

тока стабилитрона от сопротивления нагрузки


Из представленных графиков видно, что при значении ограничительного сопротивления , подсчитанном с использованием выражения (10), условия нормальной работы стабилитрона соблюдаются только при постоянном сопротивлении нагрузки, равном 634 Ом. С увеличением сопротивления нагрузки выше данного значения происходит нарушение работы по максимальному току стабилизации . С уменьшением сопротивления нагрузки ниже 634 Ом наблюдается нарушение работы по минимальному току стабилизации .

Так, например, при сопротивлении нагрузки Ом (рис. 4) максимальное значение тока стабилизации составит мА, что превышает предельно допустимое значение 40 мА, для данного типа стабилитрона.

При сопротивлении нагрузки Ом (см. рис. 4) максимальное значение тока стабилизации будет лежать в допустимых пределах, а минимальное составит 0.99 мА, что меньше допустимого значения 3 мА для данного типа стабилитрона.






Рис. 4. Графики функций минимального и максимального значений

тока стабилитрона от сопротивления нагрузки


При увеличении ограничительного сопротивления выше минимального значения увеличивается как минимально допустимое значение, так и диапазон допустимых значений сопротивления нагрузки. То есть появляется возможность работы параметрического стабилизатора при изменении сопротивления нагрузки в допустимых пределах .

При величине ограничительного сопротивления Ом (большей минимального значения 108.108 Ом) и указанных выше условиях графики функций (8), (9) приведены на рис. 5.

Из приведенных графиков видно, что при Ом условия нормальной работы стабилитрона соблюдаются при изменении сопротивления нагрузки в пределах Ом.

При уменьшении ограничительного сопротивления ниже минимально-допустимого значения условия нормальной работы стабилитрона нарушаются на всем диапазоне изменения сопротивления нагрузки. Графики функций (8), (9) при Ом (ниже 108.108 Ом) приведены на рис. 6.








Рис. 5. Соблюдение условий нормальной работы стабилитрона




Рис. 6. Нарушение условий нормальной работы стабилитрона

Таким образом, расчет параметрического стабилизатора сводится к:

- расчету с использованием выражения (10) минимально допустимой величины ограничительного сопротивления , при которой соблюдаются условия нормальной работы стабилитрона;

- подбору величины ограничительного сопротивления, при котором возможные значения изменения сопротивления нагрузки будут лежать в допустимых пределах:


, (11)


. (12)


Примечание: при анализе работы схемы параметрического стабилизатора в программе электронного моделирования EWB предельные значения сопротивления нагрузки , , при которых ток стабилитрона находится в допустимых пределах , могут незначительно отличаться от расчетных. Это связано с незначительным изменением напряжения стабилизации стабилитрона при изменении тока стабилизации (наклон ВАХ стабилитрона в области электрического пробоя). При этом, если в расчетные формулы подставить скорректированные значения напряжения стабилизации , взятые из программы, то указанные расхождения расчетных и экспериментальных данных сведутся к минимуму. Так, например, в рассмотренном ранее случае, при Ом и , расчетные значения сопротивления нагрузки составили соответственно Ом и Ом, а экспериментальные Ом и Ом. Однако при этом напряжение стабилизации изменялось в пределах В. При подстановке этих значений напряжения стабилизации в расчетные формулы (11) и (12) граничные значения сопротивления нагрузки составили соответственно Ом и Ом, т. е. расхождение с опытными данными оказалось минимальным, что подтверждает правильность полученных соотношений.



    1. Показатели качества работы параметрического стабилизатора


Одним из главных показателей качества работы параметрического стабилизатора является величина отклонения напряжения на нагрузке от номинального значения – напряжения пробоя (стабилизации) стабилитрона .

Показателем качества стабилизации напряжения также служит коэффициент стабилизации , показывающий, во сколько раз относительное приращение напряжения на выходе стабилизатора меньше вызвавшего его относительного приращения напряжения на входе:


, (13)


где номинальные значения напряжения источника и нагрузки соответственно.


  1. ЗАДАНИЯ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ



Задание 1. Снятие по точкам статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) стабилитрона


1. Осуществить выбор варианта из табл. 1 в соответствии с назначением преподавателя.


Таблица 1


Исходные данные


Вариант




Тип

стабилитрона

Пределы изменения

напряжения источника

Минимальный ток стабилизации стабилитрона

Максимальный

ток стабилизации стабилитрона

Пределы изменения сопротивления нагрузки

Окончание табл. 1

Вариант




Тип

стабилитрона

Пределы изменения

напряжения источника

Минимальный ток стабилизации стабилитрона

Максимальный

ток стабилизации стабилитрона

Пределы изменения сопротивления нагрузки

10

D816D (Д 816 Д)

49 – 55 В

10 мА

110 мА

2750 – 15000 Ом

18

D814G (Д 814 Г)

20 – 30 В

3 мА

29 мА

970 – 4800 Ом



2. Собрать схему, представленную на рис. 7, для снятия обратной ветви ВАХ стабилитрона.



Рис. 7. Схема для снятия обратной ветви ВАХ стабилитрона

3. Последовательно устанавливая значения обратного напряжения стабилитрона, задаваемого источником напряжения , в диапазоне от 0 до значения напряжения стабилизации – напряжения пробоя, при котором обратный ток прибора резко возрастает, снять значения тока на амперметре . Снятые значения обратного тока, а также значения напряжения исследуемого стабилитрона со знаком минус занести в табл. 2.


Таблица 2


Значения обратного тока напряжения исследуемого стабилитрона



0

-1

-5

-7

-8

-8.1

-8.2

-8.3

-8.4

-8.5



 0

 -1 мкА

 -5 мкА

 -7 мкА

 -8.6 мкА

-32 мкА

-1.1

мА

-20

мА

-73.8

мА

-140

мА



4. По данным табл. 2 построить обратную ветвь ВАХ стабилитрона. В качестве примера на рис. 8 приведена обратная ветвь ВАХ исследуемого стабилитрона, построенная в Mathcad 2000.

5. На графике обозначить максимальное и минимальное значения тока стабилизации стабилитрона, взятых из табл. 1. Определить соответствующие этим значениям обратного тока значения обратного напряжения (рис. 8). Для исследуемого стабилитрона мА, мА. Соответствующие этим значениям тока значения напряжения В, В.

6. Определить номинальное значение напряжения стабилизации (напряжение пробоя) стабилитрона как среднее напряжение допустимого диапазона:


(14)


Для исследуемого стабилитрона номинальное значение напряжения стабилизации составляет


В.


Это значение использовалось в приведенных ранее вычислениях.

7. На графике обозначить полученное номинальное значение напряжения стабилизации (см. рис. 8).










Рис. 8. Обратная ветвь исследуемого стабилитрона


8. Определить дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке изменения тока стабилизации в допустимых пределах .


Задание 2. Определение параметров параметрического

стабилизатора


1. Собрать схему параметрического стабилизатора, представленную на рис. 9.




Рис. 9. Принципиальная схема параметрического стабилизатора


2. С использованием выражения (10) вычислить минимально допустимую величину ограничительного сопротивления .

3. Осуществить подбор ограничительного сопротивления (в сторону увеличения относительно минимально-допустимого значения) до выполнения условий нормальной работы стабилизатора в заданном диапазоне изменения сопротивления нагрузки . Проверку выполнения условий нормальной работы стабилизатора по нагрузке производить с использованием выражений (11), (12).

Примечание: выполнение пункта 3 рекомендуется выполнять в программе математического моделирования Mathcad 2000. В Приложении приведено рабочее окно программы Mathcad 2000 с основными выражениями и порядком их следования для определения величины ограничительного сопротивления и соответствующего допустимого диапазона изменения сопротивления нагрузки .

4. Подставить подобранное значение ограничительного сопротивления в схему параметрического стабилизатора.

5. Подставить минимальное значение сопротивления нагрузки (из табл. 1) в схему и, последовательно установив минимально- и максимально допустимое значения напряжения источника , по амперметру М2 проверить выполнение условий нормальной работы стабилитрона в допустимом диапазоне изменения тока стабилизации . Значения тока, зафиксированные на амперметре при и , занести в отчет и сравнить с предельными значениями тока стабилизации.

6. Аналогичные действия провести при максимальном значении сопротивления нагрузки .

7. При необходимости, в случае невыполнения условий нормальной работы стабилитрона, скорректировать значение ограничительного сопротивления и повторить шаги 3–6 повторно.

8. Осуществить построение на одном графике зависимостей , , . Построение рекомендуется осуществить в программе Mathcad 2000 (см. Приложение). На графике отметить предельные значения сопротивления нагрузки и .

9. Осуществить построение зависимости – изменения напряжения нагрузки (напряжения стабилизации) от изменения напряжения источника в заданных пределах. Для этого, варьируя напряжение источника в заданном диапазоне , снять показания вольтметра М1. Снятие показаний и построение зависимости следует осуществить при минимальном и максимальном сопротивлении нагрузки – две кривые на одном графике.

10. Осуществить построение зависимости – изменения напряжения нагрузки от изменения сопротивления нагрузки в допустимых пределах . Для этого, варьируя значение сопротивления нагрузки в допустимом диапазоне, снять показания вольтметра М1. Снятие показаний и построение зависимости следует осуществить при минимальном и максимальном напряжении источника – две кривые на одном графике.

11. С использованием выражения (13) определить величину коэффициента стабилизации . При этом номинальное значение напряжения источника определить как среднее значение напряжений возможного диапазона . Номинальное значение нагрузки равняется номинальному значению напряжения стабилизации (см. выражение 14). Приращения напряжений источника и нагрузки , определяются через их номинальные и граничные значения.

12. Опытным или расчетным путем определить предельные (минимальное и максимальное) значения напряжения источника, при которых соблюдаются условия нормальной работы стабилитрона (ток стабилизации стабилитрона лежит в рабочем диапазоне ).


РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА


  1. Каяцкас, А. А. Основы радиоэлектроники / А. А. Каяцкас. – М.: Высш. шк., 1998. – С. 175–185

2. Пасынков, В. В. Полупроводниковые приборы / В. В. Пасынков, Д. К. Чиркин, А. Д. Шинков. – М.: Высш. шк., 1981. – С. 166–248


ПРИЛОЖЕНИЕ


Пример определения величины ограничительного

сопротивления и допустимого диапазона сопротивлений

нагрузки в программе Mathcad 2000









Похожие:

Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconБиблиографический указатель опубликованных работ 1967 2009 гг
В 1958 году Моченов Анатолий Дмитриевич окончил Московский техникум железнодорожного транспорта. В 1963 году – Ленинградский институт...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconПояснительная записка к первой редакции проекта свода правил
«О безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта» определены требования к проектированию и строительству объектов инфраструктуры,...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconРуководитель Федерального агентства железнодорожного
Испытательного центра железнодорожной техники открытого акционерного общества «научно-исследовательский институт железнодорожного...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconМаркетинговой политики и реализации услуг железнодорожного транспорта в части грузовых перевозок. В процессе реформирования федерального железнодорожного
В процессе реформирования федерального железнодорожного транспорта Система фто органично вошла в состав ОАО «ржд» в качестве маркетинго-сбытовой...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconЗакон устав железнодорожного транспорта
Настоящий Устав определяет основные условия организации и осуществления перевозок пассажиров, грузов, багажа, грузобагажа, оказания...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconПрограмма по предмету «Русский язык» для поступающих в Петрозаводский колледж железнодорожного транспорта составлена на основе примерной программы вступительного
Петрозаводский колледж железнодорожного транспорта филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconРоссийская федерация федеральный закон устав железнодорожного транспорта
Настоящий Устав определяет основные условия организации и осуществления перевозок пассажиров, грузов, багажа, грузобагажа, оказания...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconБиблиографический указатель опубликованных работ 1966 2009 гг
Манэб по секции экологии, декан вечернего факультета, заведующий кафедрой «Теплоэнергетика на железнодорожном транспорте». Окончил...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconАронсон Олег Владимирович
В 1986 году окончил Институт инженеров железнодорожного транспорта, специальность – прикладная математика, а в 1994 году – аспирантуру...
Забайкальский институт железнодорожного транспорта одобрено кафедрой iconМетодические указания к учебно-исследовательской лабораторной работе №13 по дисциплине «охрана труда»
Московский ордена ленина ордена трудового красного знамени институт инженеров железнодорожного транспорта
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница