Общие рекомендации по ВыПолнению лабораторных работ

Порядок выполнения работ

Перед выполнением работ все студенты должны изучить правила техники безопасности применительно к лаборатории промышленной электроники, для чего преподавателем проводится инструктаж. Краткий инструктаж проводится также на каждом занятии.

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

1) ознакомиться с ее содержанием и, пользуясь рекомендованной литературой [1–6] и конспектом лекций, изучить теоретические положения, на которых базируется работа;

2) выполнить предварительные расчеты и построения, указанные в задании для своего варианта;

3) изучить схему лабораторной установки и продумать методику выполнения лабораторной работы;

4) ответить на контрольные вопросы.

Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо сдать коллоквиум и представить отчет по предыдущей работе. Вопросы коллоквиума составлены на основе контрольных вопросов пособия.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1) ознакомиться с рабочим местом, проверить наличие необходимых приборов и соединительных проводов;

2) проверить положение стрелок электроизмерительных приборов и если требуется, установить на нуль; приборы с несколькими пределами измерения включить на наибольший предел;

3) произвести сборку схемы;

4) после разрешения преподавателя включить питание и приступить к выполнению работы;

5) в начале каждого опыта, изменяя напряжения и токи в допустимых пределах, качественно оценить характер зависимости, а затем произвести требуемые измерения. При снятии характеристик надо обязательно снять крайние точки. Наибольшее число измерений следует производить на участках резкого изменения наклона характеристик, а на линейных участках независимо от их протяженности достаточно снимать по три точки. Характеристики строятся непосредственно во время проведения эксперимента;

6) в ходе работы и по ее окончанию полученные данные представлять на проверку преподавателю;

7) схему разбирать только после проверки преподавателем результатов опыта (перед разборкой не забудьте выключить источник питания!);

8) по окончании работы привести в порядок рабочее место.

Рекомендации по работе с осциллографом

Масштабы по напряжению m_u каналов ввода сигналов соответствует указанным на осциллографе около регуляторов 7 и 22, если ручки 9 и 21 установлены в крайние правые положения (до щелчка).

При измерении напряжения на шунте масштаб по току

(1)

где – сопротивление шунта.

Масштаб в угловых единицах (градусах)

(2)

при этом масштаб по времени должен быть выражен в «с/дел.».

Удобнее определять масштаб в градусах, зная период сигнала на экране. Тогда

(3)

где Т_дел. – длительность периода на экране в делениях.

Рекомендации по обеспечению техники безопасности

при работе с осциллографом

При применении двухканального осциллографа возникает опасность коротких замыканий в схеме через два провода входов, связанных с корпусом осциллографа.

Осциллограф должен быть специально подготовлен к работе на стенде. Сетевой шнур следует подключать только в розетку с заземленным контактом (евророзетку).

От осциллографа в исследуемую схему должен идти только один провод, связанный с корпусом «». Этот провод необходимо сохранить в кабеле, предназначенном для измерения меньших напряжений. При этом оба сигнала будут измеряться относительно точки, к которой подсоединен корпус осциллографа («»).

Аналогично, сигнал внешней синхронизации должен подаваться на вход внешней синхронизации только одним проводом. При этом сигнал подается относительно точки, к которой подключен корпус осциллографа («»).

Целесообразно, чтобы не менять (мало менять) масштабы, подавать сигналы напряжения на один канал, а тока – на другой. Канал СН2, позволяющий инвертировать входной сигнал, в лабораторных работах удобнее использовать для осциллографирования напряжений.

Эти рекомендации являются обязательными! Их невыполнение может привести к выходу из строя модулей комплекса.

Оформление отчетов по лабораторным работам

В отчете должна быть сформулирована цель проведенной работы и представлены следующие материалы:

1) схемы экспериментов;

2) расчет заданного варианта;

3) рассчитанные характеристики и подтверждающие их экспериментальные характеристики, построенные в одних осях координат;

4) сравнительные таблицы экспериментальных и расчетных данных;

5) все остальные экспериментальные характеристики;

6) обработанные осциллограммы;

7) выводы (анализ экспериментальных данных, вида кривых, причин погрешностей и т. д.).

Отчет оформляется чернилами или шариковой ручкой. Схемы вычерчиваются карандашом. Графики строятся на листах миллиметровой бумаги карандашом и вклеиваются в отчет. Отчет может быть напечатан на принтере.

Опытные точки могут иметь разброс. Экспериментальные кривые проводят плавно, максимально приближая к экспериментальным точкам. На графиках приводят название, обозначают, к какому опыту они относятся, и указывают постоянные величины, определяющие условия опыта. На осях координат надо обязательно указать, какая величина по ним отложена, в каких единицах она измеряется, и нанести деления. Цена деления должна быть удобной для работы.

Пример обработки осциллограммы приведен на рис. 9.

Рис. 9.

Пример обработки осциллограмм

Работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИОДОВ, неуправляемого ВЫПРЯМИТЕЛЯ

И параметрического СТАБИЛИЗАТОРА напряжения

Цель работы

Изучение характеристик и параметров диодов – выпрямительных, Шоттки, стабилитронов и светодиодов. Ознакомление с применением выпрямительных диодов в неуправляемых выпрямителях, стабилитронов в параметрических стабилизаторах постоянного напряжения, светодиодов в индикаторах.

Описание лабораторной установки

При выполнении работы используются следующие модули: «Диоды», «Миллиамперметры», «Вольтметры», а также двухканальный осциллограф.

Л ицевая панель модуля «Диоды» представлена на рис. 1. На ней приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: выпрямительный диод VD1, диод Шоттки VD2,

светодиод VD3, стабилитрон VD4, потенциометр RP1 для изменения подаваемого напряжения, резистор R_н = 150 Ом, и балластный резистор R_б = 1,1 кОм. Резистор R_н используется в качестве ограничивающего ток при снятии характеристик и в качестве сопротивления нагрузки при исследовании выпрямителя. Переключатель SA1 предназначен для включения переменного или постоянного напряжения (положительного или отрицательного), а также выключения питания модуля. Шунт R_ш = 10 Ом служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через диод. На передней панели размещены также гнезда для осуществления внешних соединений (X1 – X15).

Питание модуля осуществляется от источников переменного и постоянного напряжения 15 В.

Для подачи напряжения на модуль необходимо включить автоматический выключатель «Модуля питания стенда».

Задание и методические указания

1. Предварительное домашнее задание:

а) изучить тему курса «Полупроводниковые диоды» [1, с. 14–18; 52; 2, c. 88–101] и содержание данной работы, быть готовым ответить на все контрольные вопросы;

б) начертить схему для снятия ВАХ выпрямительного диода на постоянном токе и схему для исследования параметрического стабилизатора;

в) начертить схему для снятия ВАХ выпрямительного диода на переменном токе и схему для исследования светодиода;

г) начертить схему для снятия ВАХ стабилитрона на переменном токе и схему для исследования выпрямителя;

д) построить в масштабе временные диаграммы переменного синусоидального напряжения u, выпрямленного напряжения u_н, анодного тока i_a и напряжения на вентиле u_a . Амплитудное значение U_m переменного напряжения взять из таблицы вариантов. Вентиль считать идеальным;

е) для идеализированной ВАХ стабилитрона построить линию нагрузки, если напряжение стабилизации стабилитрона U_ст = 6,8 В, его дифференциальное сопротивление r_д на участке стабилизации равно нулю, напряжение питания U_п – в соответствии с таблицей вариантов. Определить ток I_б через балластный резистор;

ж) для светодиода определить величину балластного сопротивления R_б, если максимально возможный ток через светодиод I_max = 10 мА, пороговое напряжение светодиода U₀ = 2 B, напряжение питания U_п взять из таблицы вариантов.

2. Экспериментальное исследование выпрямительного диода:

а) собрать схему для исследования выпрямительного диода на постоянном токе (рис. 2). Соединить перемычкой гнезда X2 – X6. Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр (модуль «Миллиамперметры») на пределе «1000» (максимальный ток 100 мА) между гнездами X1 – X10. Для измерения анодного напряжения между гнездами X3, X14 включить двухпредельный вольтметр (модуль «Вольтметры») на пределе «2 В», при больших напряжениях перейти на предел «20 В». Переключить тумблер SA1 в положение «+»;

б) снять по точкам вольтамперную характеристику выпрямительного диода на постоянном токе. Для этого потенциометром RP1 изменять напряжение на входе, фиксируя анодный ток I_a и анодное напряжение U_a на диоде VD1. ВАХ снимать сначала для прямой, а затем обратной ветви, установив переключатель SA1 на «–». При смене ветви не забыть изменить полярности миллиамперметра и вольтметра и их пределы измерения!

После выполнения эксперимента перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

в) по построенной вольтамперной характеристике определить основные параметры диода: пороговое напряжение U₀, дифференциальное сопротивление r_д, обратный ток I_обр, прямое падение напряжение U_{a max} при максимальном анодном токе I_a max;

г ) собрать схему для исследования выпрямительного диода на переменном токе с целью получения ВАХ диода на экране осциллографа (рис. 3). Вход СН2(Y) осциллографа подключить к шунту R_ш (гнездо X13), а корпус осциллографа «» соединить с гнездом X12. Вход СН1(X) осциллографа подключить к гнезду X3. При этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение Х/Y. Подать питание – переключатель SA1 установить в положение «~». Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат. Вращать ручку потенциометра RP1 до положения «5». Зарисовать ВАХ диода. Определить масштабы по току и напряжению.

После выполнения эксперимента перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

д) определить по осциллограмме параметры диода: пороговое напряжение U₀, дифференциальное сопротивление r_д, обратный ток I_обр, прямое падение напряжение U_a max при максимальном анодном токе I_a max. Сравнить с параметрами определенными в п. 2 в, объяснить причину различий.

3. Экспериментальное исследование однополупериодного выпрямителя на диоде:

а) собрать схему выпрямителя (рис. 3) – это не потребует никаких переключений на модуле. Переключатель развертки осциллографа перевести на временную развертку. Установить синхронизацию от сети. На экране осциллографа Вы увидите осциллограммы анодного тока i_a и напряжения на диоде u_a ;

б) исследовать выпрямитель, для этого установить на входе напряжение с амплитудой U_m, указанной в таблице вариантов. Измерение напряжения производить при помощи осциллографа, подключив вход СН2 осциллографа к гнезду X10, а корпус осциллографа «» – к гнезду Х12. Канал СН1 осциллографа рекомендуется отключить от модуля;

в) снять осциллограммы напряжения на диоде u_a (вход СН1 осциллографа подключить к гнезду X3) и анодного тока i_a (вход СН2 осциллографа подключить к гнезду X13, а корпус осциллографа «» уже соединен с гнездом X12). Переключить осциллограф в двухканальный режим «Dual». Зарисовать с экрана осциллографа временные диаграммы сигналов друг под другом. Снять осциллограмму напряжения на нагрузке u_н. Для этого корпус осциллографа подключить к гнезду X3, а вход канала СН2 к гнезду X1 (не забудьте определить масштабы по току и напряжению).

После выполнения эксперимент перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0».

4. Экспериментальное исследование диода Шоттки:

а ) собрать схему для исследования диода Шоттки на постоянном токе (рис. 4). Соединить перемычкой гнезда X3, X7. Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр (модуль «Миллиамперметры») на пределе «1000» (максимальный ток 100 мА) между гнездами X1 – X10. Для измерения анодного напряжения между гнездами X2 – X14 включить двухпредельный вольтметр (модуль «Вольтметры») на пределе «2 В», при больших напряжениях перейти на предел «20 В». Переключить тумблер SA1 в положение «+»;

б) снять по точкам вольтамперную характеристику диода Шоттки на постоянном токе. Для этого потенциометром RP1 изменять напряжение на входе, фиксируя анодный ток I_a и анодное напряжение U_a на диоде VD2. ВАХ снять сначала для прямой, а затем обратной ветви, установив переключатель SA1 на «–». При смене ветви не забыть изменить полярности миллиамперметра и вольтметра и их пределы измерения!

После выполнения эксперимента перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

в) по построенной вольтамперной характеристике определить основные параметры диода Шоттки: пороговое напряжение U₀, дифференциальное сопротивление r_д, обратный ток I_обр, прямое падение напряжение U_a max при максимальном анодном токе I_a max. Сравнить с параметрами выпрямительного диода.

5. Экспериментальное исследование стабилитрона:

а ) собрать схему для исследования стабилитрона VD4 на переменном токе (рис. 5). Соединить перемычкой гнезда Х5 – Х9. Вход СН2(Y) осциллографа подключить к шунту R_ш (гнездо X13), а корпус осциллографа «» соединить с гнездом X12. Вход СН1(X) осциллографа подключить к гнезду X4. При этом переключатель развертки осциллографа должен быть переведен в положение Х/Y. Подать питание – переключатель SA1 установить в положение «~». Светящуюся точку на экране осциллографа поместить в начало координат. Вращать ручку потенциометра RP1 до положения «5». Зарисовать ВАХ стабилитрона, определить масштабы по току и напряжению.

После выполнения эксперимент перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

б) по снятой ВАХ определить напряжение стабилизации U_ст стабилитрона и дифференциальное сопротивление r_д на участке стабилизации.

6. Экспериментальное исследование параметрического стабилизатора:

а) собрать схему параметрического стабилизатора напряжения (рис. 6). Включить вольтметры на пределе «20 В» на вход и выход стабилизатора, соответственно между гнездами X10 – X11 и X4 – X15. Подать постоянное напряжение переключателем SA1 (см. рис. 6, обратите внимание на полярность).

б) снять и построить зависимость выходного напряжения от напряжения источника питания U_вых = f(U_п). Для этого, изменяя потенциометром напряжение питания U_п на входе стабилизатора, замерять соответствующее ему выходное напряжение U_вых. Определить напряжение стабилизации стабилизатора U_вых. Сравнить его с напряжением U_ст, найденным в п. 5 б.

П еревести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0»;

в) определить коэффициент стабилизации стабилизатора К_ст и выходное сопротивление R_вых на участке стабилизации.

7. Экспериментальное исследование светодиода:

а) собрать схему для исследования светодиода на постоянном токе.

С оединить перемычкой гнезда Х4 – Х8 (рис. 7). Для измерения анодного тока включить многопредельный миллиамперметр (модуль «Миллиамперметры») на пределе «100» (максимальный ток 10 мА) между гнездами X1 – X10. Для измерения анодного напряжения между гнездами X5 – X15 включить двухпредельный вольтметр (модуль «Вольтметры») на пределе «2 В», при больших напряжениях перейти на предел «20 В». Переключить тумблер SA1 в положение «+»;

б) снять по точкам вольтамперную характеристику светодиода на постоянном токе. Для этого, вращая ручку потенциометра RP1 до положения «5», изменять напряжение на входе, фиксируя анодный ток I_a и анодное напряжение U_a на светодиоде VD3.

Снимать только прямую ветвь ВАХ светодиода. Записать значение анодного тока I_a при котором становится заметным свечение.

Перевести переключатель SA1 в положение «Выкл». Ручку потенциометра RP1 установить в положение «0».

Содержание отчета

Отчет должен содержать следующие пункты:

а) наименование и цель работы;

б) принципиальные электрические схемы для выполненных экспериментов в соответствии с мнемосхемой, представленной на рис. 1;

в) результаты экспериментальных исследований и проведенных по ним расчетов, помещенные в соответствующие таблицы;

г) экспериментально снятые и построенные характеристики;

д) обработанные осциллограммы;

е) выводы по работе. Обязательно ответить на контрольные вопросы 7, 12 – 15, указать причины отличий результатов, полученных на постоянном токе и с помощью осциллографа.