|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Теоретическая частьИЗУЧЕНИЕ ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Цель работы: Получить навыки работы с осциллографом, генератором, цифровым вольтметром. Определить коэффициент чувствительности осциллографа по каналам. Провести измерение параметров синусоидальных и импульсных сигналов с помощью осциллографа. Провести визуальное изучение осциллограмм при работе простейших полупроводниковых выпрямителей и изучить методы фильтрации выпрямленного напряжения. Приборы и принадлежности: приставка-генератор ПГШ-1, осциллограф, цифровой вольтметр, стенды с емкостными и индуктивными фильтрами. Подготовка к работе проводится по конспекту лекций или учебникам [1], [2]. Теоретическая часть. 1.1. Основные понятия о переменном электрическом токе. Величиной, характеризующей электрические явления служит электрическое напряжение (U). Для того, чтобы в проводнике возник электрический ток (I), необходимо иметь на концах этого проводника различные по величине электрические потенциалы. Напряжение является причиной возникновения электрического тока. Электрический ток представляет собой упорядоченное движение электронов или ионов в замкнутой цепи. Постоянным током называется ток, который имеет неизменные значение и направление. Ток и напряжение для участка цепи связаны законом Ома: ток I прямо пропорционален напряжению U и обратно пропорционален сопротивлению R. Переменным называется ток, который изменяет величину и направление определенное число раз в секунду. При переменном токе электроны движутся вдоль проводника сначала в одном направлении, затем на какое-то время останавливаются, далее движутся в обратную сторону. Такой цикл повторяется во времени многократно. Наиболее часто встречается синусоидальный переменный ток, который можно выразить математически с помощью уравнения i=Imsin t, где =2 f -угловая частота, число =3,14. На рис.1 представлено графическое изображение синусоидального тока. Как правило, по горизонтальной оси откладывают время (в секундах), по вертикали - ток (в амперах). Временная шкала может быть выражена в миллисекундах (ms=0,001с), микросекундах (μs=0,000001с) и т. д.
Рис.1. График переменного синусоидального тока
Ток одного направления считается положительным, его значения откладывают вверх по вертикальной оси, ток противоположного направления считают отрицательным, его значения откладывают вниз. Как видно из рисунка, ток увеличивается от нулевого значения, достигает максимума (называемого амплитудным значением Im) и, затем, уменьшается до нуля. Далее, ток меняет направление и формируется отрицательная полуволна. Полный цикл заканчивается в момент времени t=T. Время одного колебания называют периодом и обозначают буквой T. Число периодов в секунду называется частотой f. Единицей измерения частоты служит герц. Значения переменного тока в различные моменты времени называются мгновенными значениями. Различные электроизмерительные приборы, как правило, градуированы в так называемых действующих (эффективных) значениях напряжения или тока.Под действующим (эффективным) значением переменного тока понимается значение такого постоянного тока, который в оммическом сопротивлении выделяет ту же мощность, что и переменный. Действующие и амплитудные значения переменного тока (напряжения) связаны соотношениями: I=Im / и U=Um / (1.1)
Амплитудное значение переменного тока можно измерить с помощью осциллографа. В радиоэлектронных устройствах широко используются пульсирующие токи, протекающие в одном направлении, как и постоянный ток, но изменяющие свои значения подобно переменному току. Например, если цепь постоянного тока разрывается с некоторой частотой, то в течение некоторых промежутков времени ток в цепи будет отсутствовать, т.е. ток будет состоять из отдельных импульсов. Импульсные токи отличаются друг от друга формой и длительностью импульсов, а также частотой их следования. Пульсирующий ток любого вида удобно рассматривать как сумму двух токов - постоянного и переменного, называемых составляющими токами. Если по одному и тому же проводу одновременно пропустить два тока - постоянный и переменный синусоидальный, то оказывается, что в этом проводе будет проходить пульсирующий ток. 1.2. Электронно-лучевой осциллограф Осциллограф предназначен для исследования электрических сигналов путем их визуального наблюдения на экране электронно-лучевой трубки. Электронно-лучевая трубка состоит из стеклянного баллона, в котором создается высокий вакуум. Схематично электронно-лучевая трубка изображена на рис.2.
Р и с. 2. Схема электронно-лучевой трубки. I - катод, 2,3 - фокусирующие электроды, 4,5 - отклоняющие пластины, 6 – анод, 7-экран.
Внутри трубки впаян ряд электродов, имеющих наружные выводы: нить накала, подогреваемый катод, фокусирующие электроды в виде цилиндрических стаканов с отверстиями, две пары отклоняющих металлических пластин, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостяхю, анод, флуоресцирующий экран. Катод служит источником электронов, которые эммитируют в вакуум вследствие термоэлектронной эмиссии. Между катодом и анодом приложено напряжение порядка нескольких тысяч вольт. Поэтому электроны ускоряются электрическим полем и попадают на экран, вызывая его свечение. Дополнительные электроды формируют узкий электронный луч и управляют перемещением луча в пространстве. Если на пару пластин подать напряжение, то электронный луч отклонится от своего первоначального направления, так как электроны будут притягиваться к пластине, заряженной положительно, и отталкиваться от пластины, заряженной отрицательно. Пусть под действием приложенного напряжения Ux след электронного луча на экране смещается на расстояние Δx в горизонтальном направлении, а под действием Uy - на величину Δy в вертикальном направлении. Величины kx= и ky= , называются чувствительностями трубки по напряжению, соответственно, в направлениях осей X и Y. В том случае, если на вертикальные отклоняющие пластины (Y) подать переменное синусоидальное напряжение, то световое пятно на экране будет совершать колебания, смещение луча по вертикали будет пропорционально амплитуде синусоиды. Вследствие инерции свечения экрана и способности нашего глаза сохранять некоторое время изображение предметов, на экране осциллографа будет видна неподвижная вертикальная линия. Если на горизонтальные отклоняющие пластины (X) подано напряжение, возрастающее по линейному закону, световое пятно на экране будет равномерно перемещаться слева направо. В том случае, если одновременно на пластины X и Y поданы два указанных выше напряжения, то результирующая траектория луча будет представлять собой синусоиду. Таким образом, осциллограф позволяет получить на экране график зависимости y=f(x). Калибровку осциллографа проводят путем подачи сигнала известной амплитуды от внешнего генератора на входы X и Y. Осциллограф кроме электронно-лучевой трубки содержит следующие блоки: 1) усилитель вертикального отклонения, который усиливает (или ослабляет) входной сигнал до значения, удобного для изучения; 2) генератор развертки, который создает линейно нарастающее напряжение заданной длительности; 3) блок питания, который позволяет управлять яркостью, фокусировкой, смещением луча по осям X и Y.
1.3. Электронно-дырочный переход в полупроводниках. Для выпрямления переменного тока используются вентильные ламповые или полупроводниковые приборы. При контакте полупроводников с различными типами проводимости начинается диффузное перемещение основных носителей зарядов через переход. Дырки из области полупроводника "p" - типа, где их концентрация велика, переходят в "n" область, где их концентрация мала, а электроны наоборот, переходят из области "n" в область "p". Это приводит к тому, что пограничный слой "n" области приобретает положительный заряд, а пограничный слой "р" полупроводника - отрицательный. (рис.3а) Между областями с электронной и дырочной проводимостью возникает контактная разность потенциалов (потенциальный барьер), препятствующая перемещению основных носителей. Пограничная область p-n перехода, где в отсутствии внешнего напряжения очень мало носителей заряда, называется запирающим слоем. Если к "p-n" переходу приложено напряжение Ua (рис. 3) так, что создаваемое в полупроводнике поле совпадает по направлению с контактной разностью потенциалов Uk, то потенциальный барьер увеличится (Uk+Ua), основные носители зарядов будут оттягиваться от границы "p-n" перехода, запирающий слой расширяется, переход основных носителей через барьер уменьшится и при некоторой величине барьера может почти прекратиться. Ток, который в этом случае пойдет через "p-n" переход, называется обратным током. Он возникает только за счет тепловой генерации электронно-дырочных пар в области p-n-перехода, концентрация которых мала. Величина обратного тока порядка 10-6A.
(a) (б) (в) Р и с. 3. Контактная разность потенциалов на границе двух полупроводников в отсутствие приложенного напряжения (а), при приложении обратного смещения (б) и прямого смещения (в).
Если приложенное напряжение будет иметь противоположный знак полярности, то потенциальный барьер уменьшится (Uk-Ua), а диффузия носителей зарядов через "p-n" переход увеличится. При определенном значении внешнего напряжения барьер вообще исчезнет и через переход пойдет большой ток, ограничиваемый только сопротивлением внешней цепи и площадью p-n-перехода. Этот ток называется прямым током. Величина прямого тока зависит от площади контакта и может достигать нескольких сотен ампер. Графическая зависимость (вольт-амперная характеристика) силы тока I от подаваемого на "p-n" переход напряжения U положительной и отрицательной полярности показана на рис. 4
Р и с. 4. Вольт-амперная характеристика "p-n" перехода.
1.4. Однополупериодная схема выпрямления. Если к схеме (рис.5), состоящей из диода и резистора приложить синусоидальное напряжение, то через нагрузочное сопротивление потечет ток в течение одного полупериода переменного напряжения, так как диод пропускает ток только в одном направлении. В цепи переменного тока "p-n" переход действует как выпрямитель (диод).
Р и с. 5. Схема однополупериодного выпрямителя. Тр. – трансформатор, Д – выпрямитель (диод), - сопротивление нагрузки.
В течение одного полупериода будет наблюдаться очень незначительный обратный ток (его не всегда можно заметить). выпрямленное напряжение на нагрузке , будет пульсирующим (рис. 6). Амплитуда пульсаций равна Um, период равен периоду синусоиды.
(а) (б)
Р и с. 6. Форма напряжения на входе (а) в точке и на выходе (б) в точках однополупериодного выпрямителя.
1.5 Двухполупериодная схема выпрямления с ответвлением средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис. 7): первый полупериод - работает один выпрямитель; второй полупериод - работает второй выпрямитель. На нагрузочном сопротивлении в точках будет пульсирующее напряжение, период пульсации которого в 2 раза меньше периода переменного напряжения (рис. 8) в точках .
Р и с. 7. Схема двухполупериодного выпрямителя от средней точки вторичной обмотки трансформатора (Тр); - сопротивление нагрузки, - диоды.
(а) (б) Р и с. 8. График выпрямленного напряжения для двухполупериодного выпрямителя (а - на обмотке трансформатора в точках , б - на нагрузке в точках ).
1.6. Выравнивающие (сглаживающие) фильтры. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения между выпрямителем и нагрузкой ставится фильтр. Фильтр обычно представляет собой реактивное сопротивление, которое подсоединено так, чтобы ослабить компоненту переменного напряжения. Емкостный фильтр. Состоит из конденсатора С, подключенного параллельно нагрузочному сопротивлению (рис. 9, а).
(а) (б) Р и с. 9. Схема подключения емкостного фильтра (а) и зависимость напряжения на нагрузке от времени (б) однополупериодного выпрямителя. (Пунктирная линия – напряжение на нагрузке в отсутствии фильтра, непрерывная линия – при подключении емкостного фильтра).
Емкостный фильтр "сглаживает" пульсации выпрямленного тока. Механизм работы емкостного фильтра следующий. Когда напряжение на нагрузочном сопротивлении возрастает, то конденсатор заряжается (в цепи конденсатора протекает зарядный ток). Энергия переходит из источника (электрического генератора) в конденсатор и запасается в его электрическом поле. Зарядный ток прекращается тогда, когда напряжение на нагрузке достигает максимального значения. Затем из-за того, что выпрямленное напряжение пульсирующее, напряжение на нагрузке начинает уменьшаться. А так как конденсатор был заряжен до максимального напряжения, то теперь он будет разряжаться на нагрузку, отдавая запасную энергию. Таким образом, в тот промежуток времени, когда напряжение на диоде имеет обратную полярность и ток от источника переменного тока через диод не проходит, конденсатор разряжается на нагрузку и поддерживает на ней напряжение, которое выше пульсирующего напряжения после диода. Заряд конденсатора происходит достаточно быстро, так как определяется прямым сопротивлением диода, разряд происходит медленно, так как сопротивление нагрузки обычно велико. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше пульсация напряжения на нагрузке. Следовательно, на выходе выпрямителя (после фильтра) можно получить постоянное по амплитуде напряжение. Индуктивный фильтр. Дроссель, включенный последовательно с нагрузкой (рис. 10) оказывает переменной составляющей пульсирующего тока большое сопротивление, равное (где L – индуктивность катушки) а постоянный составляющей - лишь омическое сопротивление провода катушки Действие индуктивного фильтра основано на явлении самоиндукции.
Р и с. 10. Схема подключения индуктивного фильтра. Д - выпрямитель, L - дроссель, - нагрузочное сопротивление. При протекании электрического тока по проводнику его энергия тратится на нагрев провода и создание магнитного поля в окружающем пространстве, в котором запасается некоторое количество энергии. При исчезновении тока в проводнике эта "запасенная" энергия возвращается из магнитного поля обратно в провод и создает в нем индуктивный ток, который течет даже после того момента времени, когда основной ток от источника не протекает. Явление самоиндукции противодействует любым изменениям тока в цепи. Когда ток нарастает, то электродвижущая сила ЭДС самоиндукции замедляет его нарастание, а когда ток в цепи уменьшается, то ЭДС самоиндукции затягивает его спадание. Таким образом, если после диода в цепь последовательно включить индуктивность, то пульсации на нагрузке сглаживаются.
Поиск по сайту: |
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.014 сек.) |