Главная / POLEKTRONIKA

POLEKTRONIKA

Артикул: нет
Рейтинг:
(0 голосов)

 

Оглавление

 

Введение........................................................................................................ 7

Цель практикума............................................................................................. 8

Предварительные условия.............................................................. 8

Электронные компоненты: Комплект POLEKTRONIKA........ 9

Меры предосторожности.................................................................................... 10

Лабораторная работа 1: Общие сведения.................................................................... 11

Цель работы................................................................................................. 11

Ожидаемые результаты...................................................................................... 12

Раздел 1: Закон Ома........................................................................................... 15

    1. Сведения из теории................................................................... 15
    2. Моделирование: Изучение Закона Ома................................. 16

Раздел        2: Последовательное, параллельное и смешанное соединение резисторов.................... 17

    1. Сведения из теории................................................................... 17
    2. Моделирование: Изучение методов соединения резисторов 21

Раздел 3: Принцип работы конденсатора...................................................................... 22

    1. Сведения из теории................................................................... 22
    2. Моделирование:Изучение принципа работы конденсатора  25
    3. Моделирование:       Последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов        26

Раздел 4: Принцип работы катушки индуктивности............................................................ 27

    1. Сведения из теории................................................................... 27
    2. Моделирование: Изучение свойств катушки индуктивности         30

Раздел 5: Понятие реактивного сопротивления.................................................................. 31

    1. Сведения из теории................................................................... 31
    2. Моделирование: Изучение реактивного сопротивления... 35

Раздел 6: Низкочастотные и высокочастотные RC фильтры................................................. 36

    1. Сведения из теории................................................................... 36
    2. Моделирование: Изучение свойств RC фильтров.............. 39

Лабораторная работа 2: Диоды............................................................................... 40

Цель работы................................................................................................. 40

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 41

Ожидаемые результаты...................................................................................... 42

Раздел 1: Диоды................................................................................................ 43

    1. Сведения из теории................................................................... 43
    2. Моделирование: Изучение свойств диода............................ 46
    3. Экспериментальное исследование реального диода.......... 47
    4. Моделирование: Диоды в схеме ограничителя.................... 51

Раздел 1: Диоды в однополупериодном выпрямителе........................................................ 55

    1. Сведения из теории................................................................... 55
    2. Упражнение: Диоды в однополупериодном выпрямителе 57
    3. Заключение.................................................................................. 61

Лабораторная работа 2: Диоды в выпрямителе............................................................... 64

Цель работы................................................................................................. 64

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 65

Ожидаемые результаты:..................................................................................... 66

    1. Сведения из теории................................................................... 67
    2. Моделирование: Двухполупериодный выпрямитель........... 70
    3. Экспериментальное исследование реального двухполупериодного

выпрямителя...................................................................................... 72

    1. Упражнение: Фильтрация в выпрямителе.......................... 75
    2. Заключение.................................................................................. 79

Лабораторная работа 3: Стабилитроны......................................................................... 82

Цель работы................................................................................................. 82

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 83

Ожидаемые отчетные материалы:.......................................................................... 84

    1. Сведения из теории................................................................... 85
    2. Моделирование: Свойства стабилитрона.......................... 88
    3. Упражнение: Стабилитрон в стабилизаторе напряжения 91
    4. Заключение.................................................................................. 92

Лабораторная работа 4: Биполярные транзисторы............................................................. 95

Цель работы................................................................................................. 95

Необходимые инструментальные средства и технологии................................................... 96

Ожидаемые результаты:..................................................................................... 97

Раздел 1: Биполярные транзисторы............................................................................ 98

    1. Сведения из теории.................................................................. 98
    2. Моделирование: Исследование свойств транзистора...... 101
    3. Экспериментальное исследование свойств реального биполярного транзистора.............................................................. 104
    4. Анализ.......................................................................................... 107

Раздел 2: Биполярный транзистор в ключевом режиме...................................................... 108

    1. Сведения из теории.................................................................. 108
    2. Упражнение: Транзистор как ключ...................................... 110
    3. Заключение.................................................................................. 113

Лабораторная работа 5: Транзисторные усилители............................................................. 115

Цель работы................................................................................................. 116

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 117

Ожидаемые результаты..................................................................................... 118

Раздел 1: Усилители на  транзисторах.......................................................................... 119

    1. Сведения из теории.................................................................. 119
    2. Моделирование: Исследование транзисторного усилителя  125
    3. Экспериментальное исследование реального транзисторного усилителя........................................................................................... 127
    4. Анализ.......................................................................................... 130

Раздел 2: Эмиттерные повторители............................................................................ 131

    1. Моделирование: Эмиттерные повторители - коэффициент передачи по напряжению............................................................... 131
    2. Заключение.................................................................................. 134
 
 

Цель работы................................................................................................. 131

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 132

Ожидаемые отчетные материалы:.......................................................................... 132

    1. Сведения из теории................................................................... 139
    2. Моделирование: Свойства МОП-транзистора на постоянном токе141
    3. Экспериментальное исследование рабочих областей реального МОП- транзистора...................................................... 144
    4. Упражнение: МОП-транзистор как ключ........................... 146
    5. Заключение.................................................................................. 147

Лабораторная работа 7: Тиристоры............................................................................ 150

Цель работы................................................................................................. 151

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 152

Ожидаемые отчетные материалы:.......................................................................... 153

Раздел 1: Тиристоры............................................................................................ 154

    1. Моделирование: Исследование свойств тиристора......... 156
    2. Упражнение: Использование тиристора для защиты схемы         159
    3. Анализ........................................................................................... 162

Лабораторная работа 9: Операционные усилители............................................................ 163

Цель работы................................................................................................. 163

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 164

Ожидаемые результаты...................................................................................... 165

    1. Сведения из теории................................................................... 166
    2. Моделирование: Исследование операционного усилителя с разомкнутой обратной связью....................................................... 169
    3. Экспериментальное исследование реального операционного усилителя с разомкнутой обратной связью................................ 171
    4. Упражнение: Ограничение сигнала....................................... 173
    5. Заключение.................................................................................. 177

Лабораторная работа 10: Схемы на операционных усилителях.............................................. 180

Цель работы................................................................................................ 180

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 181

Ожидаемые результаты:..................................................................................... 182

    1. Сведения из теории.................................................................. 183
    2. Моделирование повторителя на операционном усилителе    186
    3. Моделирование неинвертирующего усилителя................... 187
    4. Упражнение: Инвертирующий усилитель........................... 188
    5. Заключение.................................................................................. 191

Лабораторная работа 11: Инструментальные усилители....................................................... 194

Цель работы.................................................................................................. 195

Необходимые инструментальные средства и технологии.................................................... 196

Ожидаемые результаты:..................................................................................... 197

Раздел 1: Инструментальные усилители...................................................................... 198

    1. Сведения из теории.................................................................. 198
    2. Моделирование пасивного интегратора на ОУ.................. 202
    3. Разработка инструментального усилителя....................... 204
    4. Упражнение: Интегратор - инструментальный усилитель 208
 

Раздел 2: Ток, потребляемый инструментальным усилителем от источника сигнала.............................. 212

    1. Когда используются инструментальные усилители?...... 212
    2. Моделирование: Ток, потребляемый инструментальным и

дифференциальным усилителями от источника сигнала...... 213

    1. Исследование тока, потребляемого от источника сигнала реальным инструментальным усилителем................................. 215
    2. Заключение.................................................................................. 217

Лабораторная работа 12: Самостоятельная работа студентов.................................................. 220

Цель работы................................................................................................ 221

Ожидаемые результаты:..................................................................................... 222

Раздел 1: Компаратор на ОУ.................................................................................. 223

Раздел 2: Триггер Шмитта на ОУ ......................................................................... 224

Раздел 3: Инвертирующий сумматор.......................................................................... 225

Раздел 4: Пассивный дифференциатор........................................................................ 226

Раздел 5: Генератор прямоугольных импульсов на ОУ....................................................... 227

Раздел 6: Логарифмический усилитель на ОУ................................................................ 228

Раздел 7: Антилогарифмический усилитель на ОУ........................................................... 229

Раздел 8: Выпрямители на ОУ............................................................................... 230

Раздел 9: Ограничители на ОУ................................................................................ 231

Раздел 10: Стабилизаторы напряжения на ОУ................................................................ 232

 

Введение

 

Настоящий курс посвящен полупроводниковым компонентам, таким, как диоды и биполярные транзисторы. Курс предоставляет возможность студентам собирать электронные схемы, чтобы помочь  им лучше понять различные функции и характеристики аналоговых электронных схем. Студенты узнают о каждом компоненте из раздела Сведения из теории, а затем на макетной плате студенты создадут из компонентов образцы схем. Студенты будут

экспериментировать со схемами с помощью измерительных приборов платформы POLEKTRONIKA. В конце каждой лабораторной работы приведены упражнение и заключение, содержащее вопросы, требующие развернутых ответов для оценки общего понимания лабораторной работы.

 

Цель практикума

 

После выполнения лабораторных работ и проектов, описанных в этом руководстве, студенты смогут:

 

      1. Объяснять принцип действия, характеристики и применение диодов, транзисторов или тиристоров.
      2. Анализировать и проверять свойства компонента, используя моделирование и измерительные приборы.
      3. Разрабатывать усилители без обратной связи, буферный, неинвертирующий, инвертирующий или инструментальный усилители, соответствующие заданным характеристикам, и тестировать их свойства с помощью моделирования и измерительных приборов.
      4. Обсуждать применение типовых аналоговых компонентов в аналоговых схемах, таких как источник питания постоянного тока или индикатор уровня напряжения.

 

Предварительные условия

 

Данное руководство к лабораторному практикуму предназначено для студентов, завершивших первый семестр курса электроники, в котором изучались основы схемотехники и базовые компоненты электронных схем.

 

Инструментальные средства и технологии

 

Платформа: POLEKTRONIKA

 

 
 
 

 

 

 

Рисунок 0-2: Вы будете использовать лабораторную станцию POLEKTRONIKA

 

fritzing

 

Комплект POLEKTRONIKA это инженерная лаборатория для проектного обучения, которая сочетает в себе встроенные средства измерений с веб- интерфейсом для создания активной учебной среды в лабораториях и студиях, а также для обучения по системе "перевернутый класс", предоставляя лучшее понимание основ инженерии и системного проектирования. Станция POLEKTRONIKA ориентирована на обучение инженерии, позволяя интегрировать проектное обучение, работу в команде и проектирование на основе специализированных плат, специфичных для каждого курса, а также лабораторных работ, разработанных специалистами из сферы образования и промышленности. Являясь программируемой платформой, POLEKTRONIKA предоставляет преподавателям возможность масштабирования для будущих междисциплинарных приложений, способствующих трудоустройству студентов.

 

Электронные компоненты: Комплект TI Electronics:

 

Комплект POLEKTRONIKA Electronics Kit - это набор компонентов для обучения схемотехнике и электронике. В этот комплект входят основные элементы для любой лабораторной работы по основам электроники, в том числе - типовые пассивные компоненты,    различные    усилители,    компараторы,    регуляторы,    цифровые логические элементы, таймеры, датчики температуры, преобразователи данных, провода и многое другое. Комплект POLEKTRONIKA используется для вовлечения студентов в проектирование - от изучения основ до разработки собственных проектов, которые выходят за рамки традиционной аудитории.

 

Компоненты, используемые в данном курсе:

 

Резисторы:

 

  • 1 резистор сопротивлением 47 Ом
  • 2 резистора сопротивлением 100 Ом
  • 1 резистор сопротивлением 220 Ом
  • 1 резистор сопротивлением 560 Ом
  • 5 резисторов сопротивлением 1 кОм
  • 1 резистор сопротивлением 2 кОм
  • 1 резистор сопротивлением 5 кОм
  • 1 резистор сопротивлением 8,2 кОм
  • 2 резистора сопротивлением 10 кОм
  • 1 резистор сопротивлением 18 кОм
  • 2 резистора сопротивлением 20 кОм
  • 1 резистор сопротивлением 33 кОм Конденсаторы
  • 2 конденсатора емкостью 1 мкФ
  • 1 конденсатор емкостью 10 мкФ
  • 2 конденсатора емкостью 22 мкФ
  • 1 конденсатор емкостью 47 мкФ
  • 1 конденсатора емкостью 100 мкФ
  • 1 конденсатора емкостью 470 мкФ

Диоды:

 

  • 1 стабилитрон N4735
  • 1 диод 1N4001
  • 4 светодиода Прочие компоненты:
  • 1 МОП-транзистор IRF510
  • 1 кремниевый управляемый вентиль (тиристор), 10 VRM, 4A
  • 1 оптопара
 
  • 1 однополюсный переключатель на одно направление
  • 1 инструментальный усилитель INA217
  • 1 операционный усилитель TL074

 

 

 

Меры предосторожности

 

Примите во внимание необходимость следующих мер предосторожности для обеспечения безопасности при выполнении лабораторных работ.

 

    • Всегда убеждайтесь, что макетная плата отключена от станции при замене на ней компонентов.
    • Держите подальше любые жидкости при сборке схемы.
    • При разборке схемы сначала отключите источник питания
 

Лабораторная работа 1: Общие сведения

 

В этой лабораторной работе вы изучите основные характеристики и назначение резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов, а также некоторые их особенности применения в реальном мире.

 

Сначала вы рассмотрите основную функцию резистора, промоделируете схему, чтобы пронаблюдать, за законом Ома. Затем вы узнаете, как использовать катушки индуктивности и конденсаторы в схемотехнике.

 

Данная лабораторная работа не включает в себя использование POLECTRONIKA, поскольку предназначена для ознакомления студентов с первоначальными знаниями схемотехники, однако вы можете провести лабораторные работы с помощью POLECTRONIKA, под наблюдением преподавателя.

 

 
 
 

 

 

 

 

Цель работы

 

Рисунок 1 RCL

 

 

После выполнения данной лабораторной работы вы сможете:

 

  1. Объяснять принцип действия и применение резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов.
  2. Определять свойства низкочастотных и высокочастотных RC фильтров подтверждать их с помощью измерительных приборов.
  3. Наблюдать за поведением простой прикладной схемы, такой как схема реактивного сопротивления, и обсуждать роль всех элементов в ней.
 

Ожидаемые результаты

 

В этой лабораторной работе вы должны собрать для отчета:

 

    • Расчеты значений напряжения
    • Ответы на вопросы из раздела Анализ
    • Результаты исследований характеристик LCR

 

 

Преподавателю, скорее всего, необходимо предъявить полный отчет о работе. Узнайте у вашего преподавателя, есть ли конкретные требования к отчету или шаблон для его оформления.

 

Раздел 1: Закон Ома

 

    1. Сведения из теории

 

Закон Ома — это формула, которая используется для расчета соотношения между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи.

 

 

Для студентов, которые изучают электронику, закон Ома (E = IR) так же важен, как уравнение относительности Эйнштейна (E = mc²) для физиков.

 

 

E = I x R

 

 

Иными словами, напряжение равно произведению силы тока и сопротивления ( В = A × Ом).

 

 

Закон Ома назван в честь немецкого физика Георга Ома (17891854 гг.). Этот закон учитывает ключевые количественные характеристики цепей:

 

 

Величина

 

Обозначение в законе Ома

Единица измерения (сокращение)

 

Роль

в цепях

 

Пояснение:

 

 

Напряжение

 

 

E

 

 

вольт (В)

Давление, которое запускает поток электронов

E =

электродвижущая сила (традиционный термин)

 

Сила тока

 

I

 

ампер (A)

Скорость потока электронов

 

I = интенсивность

 

Сопротивление

 

R

 

Ом (Ω)

Препятствует потоку электронов

 

Ω = греческая буква омега

 

Если известны два из этих значений, технические специалисты могут рассчитать третье значение на основе закона Ома. Для этого достаточно изменить пирамиду следующим образом:

 

 

 

Способы записи формулы закона Ома.

 

Если известно напряжение (E) и сила тока (I) и нужно узнать сопротивление (R), вычеркните R в пирамиде и решите полученное уравнение (см. выше первую крайнюю левую пирамиду).

 

 

Самопроверка

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. Для чего используется закон Ома?

 

 

 

 

 

 

 

    1. Формула закона Ома?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. В случае если известен ток и напряжение как найти сопротивление?

 

 

 

.

 
    1. Моделирование: Изучение Закона Ома

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для изучения закона Ома.

 

      1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему.
      2. https://www.multisim.com/content/sZ2Da8WmAn6mXq23mHC9NP/ohms-law/
      3. Исследуйте закон Ома, моделируемый в Multisim Live.
      4. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
      5. При необходимости добавьте измерительные приборы
      6. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.
 

Раздел 2: Последовательное, параллельное и смешанное соединение резисторов

 

    1. Сведения из теории Последовательное соединение

Значительное число приемников, включенных в электрическую цепь (электрические лампы, электронагревательные приборы и др.), можно рассматривать как некоторые элементы, имеющие

определенное сопротивление.

Это обстоятельство дает нам возможность при составлении и изучении электрических схем заменять конкретные приемники резисторами с определенными сопротивлениями. Различают следующие способы соединения резисторов (приемников электрической энергии): последовательное, параллельное и смешанное.

 
  https://electrono.ru/wp-content/uploads/2020/11/Bildschirmfoto-2020-11-20-um-15.06.35-300x126.png

При последовательном соединении нескольких резисторов конец первого резистора соединяют с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. При таком соединении по всем элементам последовательной цепи проходит один и тот же ток I.

 

 

 

Заменяя лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2 и R3, получим схему, показанную на рис. 25. Если принять, что в источнике Ro = 0, то для трех последовательно соединенных резисторов согласно второму закону Кирхгофа можно написать:

E = IR1 + IR2 + IR3 = I(R1 + R2 + R3) = IRэк

Следовательно, эквивалентное сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений всех последовательно соединенных резисторов. Так как напряжения на отдельных участках цепи согласно закону Ома: U1=IR1; U2 = IR2, U3 = IRз  и в данном случае E = U, то для рассматриваемой цепи:

U = U1 + U2 +U3

В случае если последовательно соединяются несколько, например п,

 

резисторов с одинаковым сопротивлением R1, эквивалентное сопротивление цепи Rэк будет в п раз больше сопротивления R1, т. е. Rэк = nR1. Напряжение U1 на каждом резисторе в этом случае в п раз меньше общего напряжения U:

U1 = U/n

При последовательном соединении приемников изменение сопротивления одного из них тотчас же влечет за собой изменение напряжения на других связанных с ним приемниках. При выключении или обрыве электрической цепи в одном из приемников и в остальных приемниках прекращается ток.

Поэтому последовательное соединение приемников применяют редко — только в том случае, когда напряжение источника электрической энергии больше номинального напряжения, на которое рассчитан потребитель.

Например, напряжение в электрической сети, от которой питаются вагоны метрополитена, составляет 825 В, номинальное же напряжение электрических ламп, применяемых в этих вагонах, 55 В. Поэтому в вагонах метрополитена электрические лампы включают последовательно по 15 ламп в каждой цепи.

 

 

Параллельное соединение резисторов.

 

 

 
  https://electrono.ru/wp-content/uploads/2020/11/Bildschirmfoto-2020-11-20-um-15.10.46-300x107.png

При параллельном соединении нескольких приемников они включаются между двумя точками электрической цепи, образуя параллельные ветви

 

Заменяя лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2, R3, получим схему, показанную на рис. 26, б.

При параллельном соединении ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение U. Поэтому согласно закону Ома:

I1=U/R1; I2=U/R2; I3=U/R3.

Ток в неразветвленной части цепи согласно первому закону Кирхгофа I = I1+I2+I3, или:

I = U / R1 + U / R2 + U / R3 = U (1/R1 + 1/R2 + 1/R3) = U / Rэк

Таким образом, при увеличении числа параллельно включаемых резисторов результирующая проводимость электрической цепи увеличивается, а результирующее сопротивление уменьшается.

 

При параллельном соединении приемников, все они находятся под одним и тем же напряжением, и режим работы каждого из них не зависит от  остальных. Это означает, что ток, проходящий по какому-либо из приемников, не будет оказывать существенного влияния на другие приемники. При всяком выключении или выходе из строя любого приемника остальные приемники остаются включенными.

Поэтому параллельное соединение имеет существенные преимущества перед последовательным, вследствие чего оно получило наиболее широкое распространение. В частности, электрические лампы и двигатели, предназначенные для работы при определенном (номинальном) напряжении, всегда включают параллельно.

 

 

Смешанным соединением называется такое соединение, при котором часть резисторов включается последовательно, а часть — параллельно.

Например, в схеме рисунке имеются два последовательно включенных резистора сопротивлениями R1 и R2, параллельно им включен резистор сопротивлением Rз, а резистор сопротивлением R4 включен последовательно с группой резисторов сопротивлениями R1, R2 и R3.

 
  https://electrono.ru/wp-content/uploads/2020/11/Bildschirmfoto-2020-11-20-um-15.14.40-300x75.png
 

 

Эквивалентное сопротивление цепи при смешанном соединении обычно определяют методом преобразования,  при котором  сложную цепь последовательными этапами преобразовывают в простейшую.

 

 

Самопроверка

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. Назовите особенности последовательного соединения резисторов?

 

 

 

 

 

 

 

    1. Назовите особенности паралельного соединения резисторов?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Назовите особенности смешанного соединения резисторов?

 

 

 

.

 
    1. Моделирование: Изучение методов соединения резисторов

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для изучения разных способов соединения резисторов.

 

      1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему.
      2. https://www.multisim.com/content/LKwspCUepvtDzG5nDmJRZE/kcl-tb/
      3. Исследуйте схему, моделируемую в Multisim Live.
      4. Добавьте измерительные приборы в основные узлы схемы (Амперметр и Вольтметр)
      5. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
      6. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.
 

Раздел 3: Принцип работы конденсатора

 

3.1    Сведения из теории

 

Конденсаторы выполняют множество полезных функций в схемах электронных устройств, несмотря на их простую конструкцию. Если разобрать до деталей несколько радиоэлектронных устройств, и сосчитать их, то окажется, что количество, рассматриваемых в данной статье элементов, превысит количество других отдельных радиоэлектронных приборов, в том числе

и резисторов. Ввиду такого обстоятельства, нам следует уделить особое внимание конструкции, устройству и принципу работы конденсаторов.

Принцип работы конденсатора

 

Для большего понимания принципа работы конденсатора рассмотрим его конструкцию. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин, называемых обкладками. Между обкладками расположен диэлектрик, то есть веществом, которое практически не пропускает электрический ток.

Обкладки, как правило, имеют одинаковые геометрические размеры (квадрат, прямоугольник, круг) и равны по площади. Пластинки выполняются из алюминия, меди или драгоценных металлов. Наличие в составе обкладок драгоценных металлов вызывает повышенную охоту на радиорынках за советскими образцами данного радиоэлектронного элемента.

В качестве диэлектрика, расположенного между пластинами, применяют сухую бумагу, керамику, фарфор, воздух и т.п.

Принцип работы конденсатора состоит в следующем. Если одну пластину подключить к плюсу источника электрического тока, а втору – к минусу, то обе пластины зарядятся разноименными зарядами. Заряды будут продолжать удерживаться на обкладках даже после отсоединения источника питания. Это поясняется тем, что заряды разных знаков («+» и «-») стремятся притянуться друг к другу. Однако этому препятствует диэлектрик (материал, не проводящий заряды), расположенный на их пути. Поэтому заряды, распределенные по всей площади обкладок, остаются на своих местах и удерживаются силами взаимного притяжения.

 

 

Принцип работы конденсатора | Поляризация диэлектрика

 

Поляризация диэлектрика

 

Такое явление называется накоплением электрических зарядов. А конденсатор называют накопителем электрического поля, так как вокруг каждого заряд действует электрическое поле, под действием которого диэлектрик поляризуется, то есть молекулы его становятся полярными – имеют четко выраженные положительный и отрицательный полюса. Полюса молекул непроводящего вещества ориентированы вдоль линий электрического поля, созданного зарядами, расположенными на обкладках. Причем отрицательный полюс молекулы направлен к положительной пластинке, а положительный – к отрицательной.

Способность накапливать электрические заряды характеризуется емкостью конденсатора, отсюда происходит обозначение его на чертежах электрических схем C ( англ. capacitor – накопитель). Аналогично емкости сосуда – чем больше емкость сосуда, тем больше в нем помещается жидкости.

 

 

Самопроверка

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. Принцип работы конденсатора?

 

 

 

 

 

 

 

    1. Как происходит заряд конденсатора?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 В чем измеряется емкость конденсатора?

 

 

 

.

 
    1. Моделирование: Изучение принципа работы конденсатора

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для изучения принципа работы конденсатора.

 

      1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему. https://www.multisim.com/content/AvizgRZrpUJbxg2ky8AmQV/capacitor-vs- resistor/
      2. Исследуйте схему, моделируемую в Multisim Live.
      3. При необходимости добавьте измерительные приборы
      4. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
      5. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.
 
    1. Моделирование: Последовательное, параллельное и смешанное соединение конденсаторов

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для изучения методы соединения конденсаторов.

 

      1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему. https://www.multisim.com/content/KnjrH94bSXGDgav6u6VDqC/combined- capacitance-schematic/
      2. Исследуйте схему, моделируемую в Multisim Live.
      3. При необходимости добавьте измерительные приборы
      4. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
      5. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.
 

Раздел 4: Принцип работы катушки индуктивности

 

    1. Сведения из теории Определение и принцип действия

Катушка индуктивности — это катушка смотанного в спираль или другую форму изолированного проводника. Основные особенности и свойства: высокая индуктивность при низкой ёмкости и активном сопротивлении.

Она накапливает энергию в магнитном поле. На рисунке ниже вы видите её условное графическое обозначение на схеме (УГО) в разных видах и функциональных назначениях.

 
 
 

 

Она может быть с сердечником и без него. При этом с сердечником индуктивность будет в разы больше, чем если его нет. От материала, из которого изготовлен сердечник, также зависит величина индуктивности. Сердечник может быть сплошным или разомкнутым (с зазором).

Напомним один из законов коммутации:

Ток в индуктивности не может измениться мгновенно.

 

Это значит, что катушка индуктивности — это своего рода инерционный элемент в электрической цепи (реактивное сопротивление).

Давайте поговорим, как работает это устройство? Чем больше индуктивность,

 

 
 

тем больше изменение тока будет отставать от изменения напряжения, а в цепях переменного тока — фаза тока отставать от фазы напряжения.

 

В этом и заключается принцип работы катушек индуктивности – накопление энергии и задерживание фронта нарастания тока в цепи.

Из этого же вытекает и следующий факт: при разрыве в цепи с высокой индуктивностью напряжение на ключе повышается и образуется дуга, если ключ полупроводниковый — происходит его пробой. Для борьбы с этим используются снабберные цепи, чаще всего из резистора и конденсатора, установленного параллельно ключу.

 
 
 

 

 

 

Самопроверка

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. Для чего используется катушка индуктивности?

 

 

 

 

 

 

 

    1. Как обозначается катушка индуктивности?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. В чем измеряется индуктивность?

 

 

 

.

 
    1. Моделирование: Изучение свойств катушки индуктивности

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для изучения свойств катушки индуктивности.

 

      1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему.
      2. https://www.multisim.com/content/ib4m93ojWvNfmExFTWLevj/rl-circuit/
      3. Исследуйте закон Ома, моделируемый в Multisim Live..
      4. При необходимости добавьте измерительные приборы
      5. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
      6. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.
 

Раздел 5: Понятие реактивного сопротивления

 

    1. Сведения из теории

 

Если электрическая цепь не изменяет направления прохождения тока и его вектор по фазе полностью совпадает с приложенным напряжением, то такой участок обладает чистым активным сопротивлением. Когда же наблюдается отличие во вращении векторов, то говорят о реактивном характере сопротивления.

Различные электротехнические элементы обладают неодинаковой способностью отклонять направление тока, протекающего через них и изменять его величину.

Реактивное сопротивление  катушки

 

Возьмем источник стабилизированного переменного напряжения и отрезок длинной изолированной проволоки. Вначале подключим генератор на всю расправленную проволоку, а затем на ее же, но смотанную кольцами  вокруг магнитопровода, который используется для улучшения прохождения магнитных потоков.

Точно замеряя в обоих случаях ток, можно заметить, что при втором эксперименте будет замечено значительное снижение его величины и отставание по фазе на определенный угол.

Это происходит за счет возникновения противодействующих сил индукции, проявляющихся под действием закона Ленца.

 

 
  Индуктивное сопротивление
 

 

 

На рисунке прохождение первичного тока показано красными стрелками, а создаваемое им магнитное поле — синими. Направление его движения определяется по правилу правой руки. Оно же пересекает все соседние витки внутри обмотки и индуцирует в них ток, показанный зелеными стрелками, который ослабляет величину приложенного первичного тока, одновременно сдвигая его направление по отношению к приложенной ЭДС.

Чем большее число витков намотано на катушке, тем сильнее создается индуктивное сопротивление XL, уменьшающее первичный ток.

Его величина зависит от частоты f, индуктивности L, рассчитывается по формуле:

XL= 2πfL = ωL

За счет преодоления сил индуктивности ток на катушке отстает от напряжения на 90 градусов.

Реактивное сопротивление трансформатора

 

У этого устройства на общем магнитопроводе расположены две или большее количество обмоток. Одна из них получает электроэнергию от внешнего источника, а другим она передается по принципу трансформации.

Первичный ток, проходящий по силовой катушке, наводит в магнитопроводе и вокруг него магнитный поток, который пересекает витки вторичной обмотки и формирует в ней вторичный ток.

Поскольку идеально создать конструкцию трансформатора невозможно, то часть магнитного потока будет рассеиваться в окружающую среду и создаст потери. Они называются потоком рассеивания и влияют на величину реактивного сопротивления рассеяния.

К ним добавляется активная составляющая сопротивления каждой обмотки. Полученная суммарная величина называется электрическим импедансом трансформатора или его комплексным сопротивлением Z, создающим перепады напряжения на всех обмотках.

Для математического выражения взаимосвязей внутри трансформатора активное сопротивление обмоток (обычно изготавливаемых из меди) обозначают индексами «R1» и «R2», а индуктивное — «Х1» и «Х2».

Импеданс в каждой обмотке имеет вид:

  • Z1=R1+jX1;
  • Z2=R1+jX2.

В этом выражении индексом «j» обозначена мнимая единица, расположенная на вертикальной оси комплексной плоскости.

 

Наиболее критичный режим в отношении индуктивного сопротивления и возникновении реактивной составляющей мощности создается при параллельном подключении трансформаторов в работу.

Реактивное сопротивление  конденсатора

 

Конструктивно в его состав входят две или несколько токопроводящих пластин, отделенных слоем материала, обладающего диэлектрическими свойствами. За счет этого разделения постоянный ток не может пройти через конденсатор, а переменный — способен, но с отклонением от первоначальной величины.

 
  Емкостное сопротивление
 

 

Ее изменение объясняется принципом работы реактивного — емкостного сопротивления.

Под действием приложенного переменного напряжения, изменяющегося по синусоидальной форме, на обкладках происходит всплеск, накопление зарядов электрической энергии противоположных знаков. Общее их количество ограничено габаритами устройства и характеризуется емкостью. Чем она больше, тем дольше времени идет заряд.

В течение следующего полупериода колебания полярность напряжения на обкладках конденсатора меняется на противоположное. Под его воздействием происходит смена потенциалов, перезарядка сформированных зарядов пластин. Таким способом создается протекание первичного тока и противодействие его прохождению, когда он уменьшается по величине и сдвигается по углу.

 

 

Самопроверка

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. Какие виды реактивных сопротивлений вам известны?

 

 

 

 

 

 

 

    1. Что такое реактивное сопротивление трансформатора?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Что такое реактивное сопротивление конденсатора?

 

 

 

.

 
    1. Моделирование: Изучение реактивного сопротивления

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для изучения закона Ома.

 

Примечание: В Multisim Live есть прибор под названием DC Sweep Analysis (Анализ с разверткой напряжения постоянного тока), который сканирует значения напряжения и измеряет выходные параметры.

      • Этот прибор сконфигурирован для изменения напряжения V1 источника напряжения постоянного тока.
      • Значения начинаются с 0 В и заканчиваются 1,2 В с шагом 0,1 В.
      • На графике отображается зависимость тока, протекающего в цепи, от напряжения источника.

 

  1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему.
  2. https://www.multisim.com/content/Qv4TD5dj7aCtg6DS43AwX4/rlc-schematic/
  3. Исследуйте реактивное сопротивление, моделируемое в Multisim Live..
  4. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
  5. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.
 

Раздел 6: Низкочастотные и высокочастотные RC фильтры

 

    1. Сведения из теории

 

Фильтры — это схемы, которые пропускают без затухания (ослабления) определенную полосу частот и подавляют все остальные частоты. Частота, на которой начинается подавление, называется частотой среза fс

Влияние фильтра на прямоугольный сигнал

 

прямоугольный сигнал представляет собой сложное колебание, состоящее из основной гармоники и бесконечного количества нечетных гармоник.

Низкочастотные составляющие формируют основание и плоскую вершину импульса, а высокочастотные — его фронт и срез.

огда прямоугольный сигнал проходит через фильтр, его форма искажается. Фильтр нижних частот (ФНЧ) будет искажать главным образом Фронты и срезы, делая их менее крутыми и скругляя углы. ФНЧ оказывает на прямоугольный сигнал такое же Действие, как усилители с недостаточной шириной полосы пропускания. Фильтр верхних частот (ФВЧ), наоборот, искажает плоскую вершину и снование прямоугольного сигнала.

RC- фильтры

 

Простейшим среди фильтров является RC-фильтр. Принцип его работы основан на том, что при изменении частоты реактивное сопротивление конденсатора изменяется обратно пропорционально частоте, а сопротивление резистора остается неизменным. На схеме конденсатор соединен последовательно с резистором. При подаче на вход такого фильтра низкочастотного сигнала реактивное сопротивление конденсатора С будет гораздо больше, чем сопротивление резистора R. В результате падение напряжения Vc на конденсаторе будет большим, а на резисторе Vr малым.

При подаче на вход этого фильтра высокочастотного сигнала картина будет обратная: Vc будет малым, а Vr большим.

 
  RC-фильтр верхних (а) и нижних (б) частот
 

 

 

Интегрирующая RC-цепь

 

Интегрирующая RC-цепь (интегратор) является фильтром нижних частот (ФНЧ) и при подаче на его вход прямоугольного сигнала выдает на выходе сигнал треугольной (пилообразной) формы. При подаче на его вход  фронта прямоугольного импульса конденсатор начинает заряжаться до напряжения

+10 В. Если задать постоянную времени RC, большую в сравнении с периодом входного сигнала, то срез CD импульса поступит прежде, чем конденсатор успеет полностью зарядиться. После этого конденсатор начинает заряжаться в обратном направлении. И опять в связи с большой постоянной времени фронт FE следующего импульса придет прежде, чем конденсатор успеет полностью зарядиться в отрицательном направлении и т.д. В результате на выходе получается сигнал треугольной формы, амплитуда которого меньше, чем амплитуда входного сигнала.

Обратите внимание, что и в интеграторе, и в дифференциаторе постоянная времени всегда сравнивается с периодом входного сигнала. Например, постоянная времени 100 мкс является большой по сравнению с периодом, ска- жем, 5 мкс (частота входного сигнала 200 кГц), но малой в сравнении с периодом 5 мс (частота входного сигнала 200 Гц).

 

 

Самопроверка

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. Для чего используются RC фильтры?

 

 

 

 

 

 

 

    1. Чем характеризуются высокочастотные RC фильтры?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Чем характеризуются низкочастотные RC фильтры?

 

 

 

.

 
    1. Моделирование: Изучение свойств RC фильтров

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для изучения свойств RC фильтров.

 

      1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему.
      2. https://www.multisim.com/content/vhZUwMkFhDqBBGJ6L23Qg3/rc-schematic
      3. Самостоятельно добавьте источник питания и измерительные устройства.
      4. Исследуйте свойства RC фильтров, моделируемые в Multisim Live.
      5. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
      6. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.
 

 

Лабораторная работа 2: Диоды

 

В этой лабораторной работе вы изучите основные характеристики и назначение диода, а также некоторые его важные применения в реальном мире.

 

Сначала вы рассмотрите основную функцию диода, промоделируете и соберете схему, чтобы пронаблюдать, как диод ограничивает ток. Затем вы узнаете, как использовать диод в схеме ограничителя.

 

В разделе 2 вы узнаете об использовании диода в однополупериодном выпрямителе, а затем соберете выпрямитель самостоятельно.

 

 

 
 
 

 

 

 

 

Цель работы

 

 

Рисунок 1 Диоды

 

 

После выполнения данной лабораторной работы вы сможете:

 

  1. Объяснять принцип действия и применение диода.
  2. Определять свойства диода по вольтамперной характеристике, сначала в среде моделирования, а затем подтверждать их с помощью измерительных приборов.
  3. Наблюдать за поведением простой прикладной схемы, такой как однополупериодный выпрямитель или схема ограничения, и обсуждать роль диодов в ней.
 

Необходимые инструментальные средства и технологии

Платформа POLEKTRONIKA Измерительные приборы:

  1. Анализатор   вольтамперных  характеристик
  2. Цифровой мультиметр
  3. Регулируемый источник питания
  4. Осциллограф
  5. Функциональный генератор
 

Электронные компоненты:

 

Компоненты, используемые в этой лабораторной работе: Компоненты для раздела 1:

    • 1 диод 1N4001
    • 1 резистор номиналом 47 Ом Компоненты для раздела 2:
    • 1 резистор номиналом 1 кОм
    • 1 красный светодиод
    • 1 диод 1N4001
 

Ожидаемые результаты

 

В этой лабораторной работе вы должны собрать для отчета:

 

  • Расчеты значений напряжения
  • Ответы на вопросы из раздела Анализ
  • Результаты исследований  характеристик  диодов

 

 

Преподавателю, скорее всего, необходимо предъявить полный отчет о работе. Узнайте у вашего преподавателя, есть ли конкретные требования к отчету или шаблон для его оформления.

 

Раздел 1: Диоды

 

  1. Сведения из теории Как работают диоды?

Диод - это полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь в одном направлении.

 

Функционирование диода определяется двумя режимами:

 

    • Если к диоду приложено напряжение в прямом направлении, ток течет от анода к катоду.

 

    • Когда к диоду приложено обратное напряжение, ток через схему не протекает.

 

Когда ток течет через диод, потенциал положительного вывода выше, чем отрицательного. Падение напряжения на диоде в этом случае называется прямым падением напряжения. Значение падения напряжения является функцией полупроводникового материала диода и изменяется в зависимости от материала.

 

При достаточно большом положительном напряжении на диоде, через диод может протекать большой ток. Но если напряжение, приложенное к диоду отрицательное, ток через диод не протекает.

 

Почему диоды важны?

 

Питание, которое поступает в наши дома, использует переменный ток (AC), но большинству домашних электронных устройств для работы требуется постоянный ток (DC). Диоды играют решающую роль в преобразовании переменного тока в постоянный, позволяя электронным устройствам получать питание из настенных розеток.

 

Функция передачи тока в одном направлении используется не только для преобразования переменного тока в постоянный, но также для извлечения модулирующего сигнала из радиосигналов в радиоприемниках.

 

Диоды в однополупериодном выпрямителе

 

Выпрямители - это устройства, которые преобразуют переменный ток в постоянный. В однополупериодном выпрямителе используется один диод, который позволяет половине сигнала переменного тока проходить к нагрузке. Поскольку только половина входного сигнала достигает выхода, среднее значение напряжения уменьшается. Входной сигнал может быть положительным или отрицательным, а выходное напряжение, в зависимости от ориентации диода, будет однонаправленным и пульсирующим.

 

 

Самопроверка

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. Что такое диод?

 

      1. Полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь в нескольких направлениях.
      2. Полупроводниковое устройство, которое не позволяет току течь в любом направлении.
      3. Полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении.
      4. Полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь в двух противоположных направлениях.

 

    1. Какое из следующих утверждений о нормальной работе диода верно?

 

      1. Когда падение напряжения на диоде положительное, через диод может протекать ток, если это напряжение станет достаточно большим. Когда падение напряжения отрицательное, ток не протекает.
      2. Однако когда падение напряжения на диоде отрицательное, ток может протекать через диод. Когда падение напряжения на диоде положительное, ток не протекает.
      3. Ток не протекает через диод, независимо от того, положительное на нем напряжение или отрицательное.
 
  1. Моделирование: Изучение свойств диода

 

Теперь вы будете использовать Multisim Live для измерения напряжения на диоде и тока диода.

 

Примечание: В Multisim Live есть прибор под названием DC Sweep Analysis (Анализ с разверткой напряжения постоянного тока), который сканирует значения напряжения и измеряет выходные параметры.

    • Этот прибор сконфигурирован для изменения напряжения V1 источника напряжения постоянного тока.
    • Значения начинаются с 0 В и заканчиваются 1,2 В с шагом 0,1 В.
    • На графике отображается зависимость тока, протекающего в цепи, от напряжения источника.

 

  1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему.
  2. https://www.multisim.com/content/ftGYw2D2jXU6HWtagxMPMD/diodes-lab- circuit/
  3. Исследуйте простую схему с диодом, моделируемую в Multisim Live..
  4. Щелкните по кнопке Run для запуска моделирования DC Sweep.
  5. Когда моделирование завершится, сделайте скриншот, фотографию или зарисуйте график зависимости тока через диод от напряжения питания. Включите это изображение в отчет.

 

 

    1. При каком примерно напряжении через диод начинает протекать ток?
 
  1. Экспериментальное исследование реального диода

 

Как вы уже знаете, диод - это электронный компонент, который проводит ток только в одном направлении. У диода два вывода, он обладает низким сопротивлением в одном направлении и высоким - в другом.

 

Порядок выполнения:

 

    • Включите POLEKTRONIKA и откройте CURRENT AND VOLTAGE ANALYZER (Анализатор вольтамперных характеристик)

 

    • Соберите на платформе схему в соответствии с чертежом

 
 
 

 

 

 
 
 

 

В качестве источника питания выберите ADJUSTABLE POWER SUPPLY.

 

Формирование графика зависимости тока от напряжения

 
 

Убедитесь, что выбран прибор CURRENT AND VOLTAGE ANALYZER

 

 

  1. В приборе ADJUSTABLE POWER SUPPLY настройте выходной ток, начальное и конечное напряжение, а также шаг изменения напряжения.

 

  1. Прибор сформирует напряжение (x), а затем измерит ток (y). Затем увеличит напряжение и повторит процедуру, пока напряжение не достигнет заданного пользователем предела. На графике четко отображается увеличение тока при достижении определенного значения напряжения.

 

  1. Повторите предыдущий пункт, начиная измерения с 0 В с инкрементом 0,1 В. Оставьте конечное значение равным

1,75 В.

 

  1. Сделайте скриншот, сфотографируйте или зарисуйте ваш график и включите его в отчет.
 
    1. Запишите результаты измерений в таблицу:

 

Таблица 1-3

Source Voltage (VS) (Напряжение источника, В)

Total Current I (Полный ток I, мА)

Diode Voltage (V) (Напряжение на диоде, В)

0,0

 

 

0,1

 

 

0,2

 

 

0,3

 

 

0,4

 

 

0,5

 

 

0,6

 

 

0,7

 

 

0,8

 

 

0,9

 

 

1,0

 

 

 

 

      1. Нарисуйте график зависимости тока (I) от напряжения источника (VS). Напряжение источника должно откладываться по оси Х. Ток  и напряжение на диоде должны откладываться по оси Y.
 

Диод в обратной полярности

 

  1. Измените сопротивление резистора в схеме ниже на 1 МОм.
  2. Измените подключение диода, как показано на рисунке.
  3.        
       

    Подайте на схему напряжение 10 В С от регулируемого источника питания.

Рисунок 1-5 Сборка схемы (обратная полярность)

 

 

    1. Какой ток протекает через диод?

 

    1. Чему равно падение напряжения на диоде?
 
  1. Моделирование: Диоды в схеме ограничителя

 

Теперь вы ознакомитесь с применением диодов. В этой схеме используется свойство диодов ограничивать напряжение.

 

    1. Щелкните по ссылке и ознакомьтесь со схемой диодного ограничителя в Multisim Live:
    2. https://www.multisim.com/content/onwjkUgd7XfxwwW46MHHg5/diode- clipper-circuit/
    3. Обратите внимание, что в схеме используется источник питания переменного тока.
    4. Запустите моделирование, чтобы построить график результатов измерения напряжения.

 

 

    1. Что произошло с синусоидальным сигналом амплитудой 5 В?

 

 

 

 

 

 

    1. Измените напряжение источника питания V2 с 2 В до 3 В и запустите моделирование. Как изменился сигнал?

 

 

 

 

 

 

    1. Измените напряжение источника питания V2 с 3В до 0 В и запустите моделирование. Как изменился сигнал?
 
    1. Обратите внимание, что даже при напряжении питания 0 В, сигнал ограничивается на уровне 0,7 В. Чему соответствует уровень 0,7В?

 

 

 

 

 

 

    1. звлеките диод D1 из схемы. Что произошло с сигналом? Почему?
 
    1. Анализ

 

Эти вопросы помогут вам повторить и уяснить принципиальные моменты, изученные в этой части лабораторной работы.

 

 

    1. Какова максимальная мощность, рассеиваемая диодом? Используйте для ответа данные из таблицы 1-3.

 

 

 

 

 

 

    1. Как вел себя диод при обратном включении?

 

 

 

 

 

 

    1. Сравните процедуры из разделов "Моделирование: Изучение свойств диода", "Экспериментальное исследование реального диода" и "Упражнение: Измерения в схеме с диодом" и заполните таблицу 1-4.

 

Таблица 1-4

 

Достоинства

Недостатки

Моделирование: Изучение свойств диода

 

 

Экспериментальное исследование свойств диода

 

 

Упражнение: Измерения в схеме с диодом

 

 

 
    1. Какую процедуру было реализовать легче всего и почему?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. С какими проблемами вы столкнулись при работе с реальной схемой, которых не было при работе с моделью? Как вы преодолевали эти трудности?
 

Раздел 2: Диоды в однополупериодном выпрямителе

 

    1. Сведения из теории

 

Выпрямитель - это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Однополупериодный выпрямитель пропускает только половину синусоиды.

 

Основное применение выпрямителя - получение энергии постоянного тока от источника переменного тока. Электрическое напряжение в розетке - переменное, но для многих электронных устройств нужен постоянный ток.

Поэтому у этих устройств, как правило, есть собственный источник питания, в котором для преобразования переменного тока в постоянный используется выпрямитель.

 

Диоды в однополупериодном выпрямителе необходимы для блокирования протекания тока в отрицательном направлении. Выпрямители часто используются в источниках питания и в других приложениях, где нужно фильтровать фазу сигнала.

 

В этом разделе лабораторной работы вы пронаблюдаете, как однополупериодный выпрямитель преобразует синусоидальный сигнал.

 

 

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. В чем разница между выпрямителем и однополупериодным выпрямителем?

 

      1. Выпрямитель полностью пропускает синусоидальный сигнал без изменений. Однополупериодный выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный ток.
      2. Выпрямитель - это электрическое устройство, которое используется для преобразования переменного тока в постоянный. Однополупериодный выпрямитель пропускает только половину синусоиды.
      3. Выпрямитель - это электрическое устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный. Однополупериодный выпрямитель пропускает только половину синусоиды.
      4. Выпрямитель - это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. Однополупериодный выпрямитель полностью пропускает синусоидальный сигнал.
 
    1. Упражнение: Диоды в однополупериодном выпрямителе

 

Порядок выполнения:

 

  1.  
     

    Используйте POLEKTRONIKA для сборки следующей схемы:

Рисунок 2-1 Создание схемы

Где А, С – Осциллограф, В – функциональный генератор

  1. Откройте следующие приборы:

 

    • Функциональный генератор
    • Осциллограф

 

  1. Сконфигурируйте функциональный генератор в соответствии с настройками, приведенными в таблице ниже:
 

Таблица 2-1 Настройки функционального генератора

Frequency (Частота)

0,5 Гц

Amplitude (Амплитуда)

10 Вп-п

 

 

 

  1. Запустите функциональный генератор и наблюдайте за светодиодом.

 

    1. Зная, как диод (например, светодиод) ведет себя при отрицательном напряжении, как вы думаете, что происходит в каждом периоде синусоидального сигнала?

 

 

 

 

 

  1. Когда закончите, щелкните по кнопке Stop функционального генератора.
 

Замена светодиода обычным диодом

 

Порядок выполнения:

 

 
 

1. Далее вы измерите параметры диода в схеме. Замените светодиод диодом 1N4001:

 

Рисунок 2-2 Сборка схемы

 

Настройка осциллографа

 

Таблица 2-2 Настройки осциллографа

Trigger (Запуск)

Type (Тип)

Analog Edge

(Запуск по аналоговому "фронту")

Каналы

Channel 2 (Канал 2)

Активен

 

 

  1. Запустите осциллограф и функциональный генератор.

 

  1. Наблюдайте за графиком на осциллографе.

 

  1. Сделайте скриншот, сфотографируйте или зарисуйте ваш график. Включите это изображение в отчет.
 
    1. Заключение

 

Эти вопросы помогут вам повторить и уяснить принципиальные моменты, изученные в этой части лабораторной работы.

 

 

    1. Опишите любые наблюдения, сделанные вами при выполнении работы, но не обсуждавшиеся ранее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Своими словами опишите работу диода и его применение.
 
    1. Объясните свойства диода, наблюдаемые на графиках зависимости тока от напряжения, полученных при моделировании и в процессе измерений. Одинаково ли вел себя диод?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Своими словами опишите роль диода в однополупериодном выпрямителе.
 

Ответы - только на вопросы из раздела "Самопроверка"

 

Проверьте себя

    1. C
    2. A
    1. B
 

Лабораторная работа 2: Диоды в выпрямителе

 

В этой лабораторной работе вы рассмотрите применение диодов в выпрямителях и исследуете компоненты и функционирование двухполупериодного выпрямителя. Сначала с помощью моделирования и создания схемы вы узнаете о роли диода в двухполупериодном выпрямителе и пронаблюдаете за выходными сигналами схемы. Затем вы исследуете схемы фильтрации в выпрямителях. Наконец, вы рассмотрите их влияние на выходные сигналы собранной вами схемы.

 
 
 

 

Рисунок 1 Диод в выпрямителе

 

 

 

Цель работы

 

После выполнения данной лабораторной работы вы сможете:

 

      1. Объяснять принцип действия и применение выпрямителей.
      2. Определять пути протекания тока через выпрямитель и описывать, как диоды управляют протеканием тока.
      3. Реализовывать двухполупериодный выпрямитель с фильтрацией для преобразования переменного тока в постоянный.
 

Необходимые инструментальные средства и технологии

Платформа: POLEKTRONIKA Измерительные приборы:

1: Функциональный генератор

2: Осциллограф

Примечание: для работы с приборами требуется набор кабелей и аксессуаров для POLEKTRONIKA

(приобретается отдельно).                                     Технические средства:

Макетная плата POLEKTRONIKA

 

Электронные компоненты: Набор TI Electronics:

 

Компоненты, используемые в этой лабораторной работе:

  • 4 диода 1 N4001
  • 1 резистор 1 кОм
  • 1 резистор 10 кОм
  • 1 конденсатор 10 мкФ
  • 1 конденсатор 47 мкФ
  • 1 конденсатор 470 мкФ
 

Ожидаемые результаты:

 

В этой лабораторной работе вы должны собрать для отчета:

 

    • Расчет пульсаций напряжения
    • Наблюдения схем, напряжений и токов светодиодов
    • Гипотезы о синусоидальных сигналах
    • Ответы на вопросы из раздела Анализ
    • Ответы на вопросы из раздела

 

Заключение

 

Преподавателю, скорее всего, необходимо предъявить полный отчет о работе. Узнайте у вашего преподавателя, есть ли конкретные требования к отчету или шаблон для его оформления.

 
    1. Сведения из теории

 

 

Что делают диоды в выпрямителе?

Выпрямители преобразуют переменный ток (AC) в постоянный (DC), используя компонент, который позволяет электронам течь в одном направлении. Этим компонентом является диодом. В предыдущей лабораторной работе вы исследовали однополупериодные выпрямители. Выпрямитель этого типа использует один диод и, как следует из названия, пропускает только половину сигнала переменного тока. Поскольку только половина входного сигнала достигает выхода, среднее значение напряжения получается ниже. А т.к. ток протекает в одном направлении, выходной сигнал пульсирует. Для получения от однополупериодного выпрямителя сигнала более высокого качества требуется более глубокая фильтрация, чем при использовании двухполупериодного выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует все части входного сигнала в выходной сигнал одной полярности (отрицательной  или положительной).

Поэтому при преобразовании обеих полярностей входного сигнала будет получаться большее значение среднего напряжения. При этом пульсирующий однополярный выходной сигнал постоянного тока является более гладким, чем сигнал с выхода однополупериодного выпрямителя. Однако важно отметить, что ни один из выпрямителей не может создать постоянное напряжение. Для получения стабильного постоянного тока от источника переменного тока с выпрямителем необходима качественная сглаживающая цепь или фильтр.

Такую фильтрацию можно легко реализовать с помощью накопительного или сглаживающего конденсатора, подключенного на выходе выпрямителя.

Почему диоды в выпрямителе важны?

Без выпрямителя ни одна из повседневных электронных систем не будет работать, и вам потребуется генерировать и распределять энергию постоянного тока для ваших устройств. Раньше для непосредственной генерации энергии постоянного тока использовались динамо-машины. В конечном итоге их заменили более дешевыми генераторами переменного тока, которые производили энергию, которую было легче распределять. Отчасти именно изобретение выпрямителей привело к распространению электрической распределительной системы, которой мы все наслаждаемся сегодня.

До начала 1900-х годов устройства преобразования энергии были электромеханическими. Тогда были разработаны ламповые выпрямители, а затем был изобретен полупроводниковый диод. В первых системах использовался принцип вращательной или резонансной вибрации, а для

 

изменения направления тока - магнитный привод. Они были шумными, неудобными и требовали постоянного обслуживания.

 

Как использовать диоды в выпрямителе?

 

Основное назначение выпрямителей - это преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Поскольку для работы большинства электронных устройств требуется питание постоянным током, логично предположить наличие выпрямительных компонентов в электронных устройствах.

 

Более сложный вариант - преобразование одного напряжения постоянного тока в другое. Распространенным методом является предварительное преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока, но на частоте, намного превышающей частоту 60 Гц распределительной сети. Эта более высокая частота, обычно десятки килогерц, требует трансформатора меньших размеров, который, если частота достаточно высока, будет работать бесшумно для большинства людей. Затем используется трансформатор для изменения напряжения этого высокочастотного сигнала переменного тока.

Наконец, другой выпрямитель преобразует вновь полученное напряжение обратно в напряжение постоянного тока. Этот весьма распространенный тип источника питания известен как "импульсный" источник питания и встречается в большинстве современных электронных устройств.  Выпрямители используются для формирования энергии постоянного тока, необходимого при электросварке, для детектирования амплитудно-модулированных радиосигналов и др.

 

 

Примечание: Приведенные ниже вопросы должны помочь вам оценить, правильно ли вы поняли изложенную тему. Вы можете просмотреть ответы на вопросы из раздела "Самопроверка" в конце лабораторной работы.

 

    1. В чем главное назначение выпрямителя?

 

      1. Преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.
      2. Преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока.
      3. Предоставление только энергии постоянного тока.
      4. Предоставление только энергии переменного тока.

 

    1. Каково назначение диода в однополупериодном выпрямителе?

 

  1. В однополупериодном выпрямителе диод пропускает только половину сигнала переменного тока.
  2. В однополупериодном выпрямителе диод пропускает только половину сигнала постоянного тока.
  3. В однополупериодном выпрямителе диод пропускает весь сигнал переменного тока.
  4. В однополупериодном выпрямителе диод блокирует обе половины сигнала переменного тока.
 
    1. Моделирование: Двухполупериодный  выпрямитель

 

В этом упражнении вы промоделируете двухполупериодный выпрямитель с помощью Multisim Live. Во время лабораторной работы вы будете сравнивать результаты измерений с данными, полученными при моделировании, чтобы получить представление о различиях между реальной и моделируемой схемой.

 

      1. Щелкните по ссылке ниже, чтобы открыть схему Multisim Live.
      2. https://www.multisim.com/content/PxWFZubYPw354S96TYYvDX/diodes-in-a- rectifier/
      3. Ознакомьтесь со схемой, моделируемой в Multisim Live.
      4. Щелкните по кнопке Run для запуска интерактивного моделирования.
      5. Изучите последовательность мигания светодиодов.

 

 

    1. Сформулируйте гипотезу о пути протекания тока для отрицательной и положительной половин синусоидального сигнала.
 

Исследование графика для подтверждения гипотезы

 

  1. Переключите среду Multisim из режима Schematic в режим Split.
  2. Запустите моделирование и наблюдайте за результатами измерения напряжения.
    • Синусоидальный сигнал источника зеленого цвета.
    • Сигнал, проходящий через резистор - синего цвета.

Примечание: Напряжение измеряется между правым и левым выводами резистора.

 

    1. Подтверждают ли результаты измерения напряжения на резисторе вашу гипотезу о пути протекания тока для обеих фаз синусоидального сигнала?

Объясните, как диоды перенаправляют переменный ток через резистор.

 
    1. Экспериментальное исследование реального двухполупериодного выпрямителя

 

Теперь вы используете POLEKTRONIKA для реализации двухполупериодного выпрямителя на макетной плате.

 

      1. Включите POLEKTRONIKA и запустите следующие приборы:

 

  • Функциональный генератор
  • Осциллограф

 

      1. Соберите следующую схему:

 

  • Подключите щупы канала 1 к резистору, как показано на рисунке.
  • Подключите щупы канала 2 к функциональному генератору и общему контакту, как показано на рисунке.

 
 
 

 

Рисунок 1-2 Сборка схемы

Где А, С – Осциллограф, В – функциональный генератор

 

Запустите функциональный генератор и осциллограф

 

  1. Сконфигурируйте функциональный генератор в соответствии с настройками, приведенными в таблице ниже:

 

Таблица 1-1 Настройки функционального генератора

Frequency (Частота)

60 Гц

Amplitude (Амплитуда)

10 Вп-п

DC Offset (Напряжение смещения постоянного тока)

0 В

  1. Запустите функциональный генератор
  2. Сконфигурируйте осциллограф в соответствии с настройками, приведенными в таблице ниже:

 

Таблица 1-2 Настройки осциллографа

Trigger (Запуск)

 

Type (Тип)

Edge

(Запуск по аналоговому "фронту")

Channels (Каналы)

 

Channel 1 (Канал 1)

Активен

Channel 2 (Канал 2)

Активен

 

 

  1. Запустите осциллограф.

 

Настройка и анализ графика

 

  1. Настройте параметры Volts per division (Вольт/деление) и Time/Div (Время/деление), чтобы на графике отображалось два или три периода синусоидального сигнала.
  2. Сделайте скриншот, сфотографируйте или зарисуйте сгенерированный график.

 

    1. Совпадает ли этот график с графиком, полученным при моделировании?

A- Да B- Нет

 

Объясните ваш ответ.

 

    1. Амплитуда напряжения на резисторе выше или ниже, чем при моделировании?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Почему напряжение может отличаться? (Подсказка: подумайте о различии схем).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  1. Когда закончите эксперимент, щелкните по кнопкам Stop осциллографа и функционального генератора.
 
    1. Упражнение: Фильтрация в выпрямителе

 

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя одной полярности, пульсирующее. В этом разделе мы используем конденсатор, чтобы сгладить выходное напряжение выпрямителя.

 

      1. Откройте функциональный генератор и осциллограф, если они еще не открыты.
      2. В предыдущей схеме параллельно резистору подключите конденсатор емкостью 10 мкФ. Получившаяся схема должна выглядеть, как на рисунке ниже:

 
 
 

 

 

Рисунок 1-3 Сборка схемы

Где А, С – осциллограф, В – функциональный генератор

 

Запустите генератор функций и осциллограф.

 

  1. Сконфигурируйте функциональный генератор в соответствии с настройками, приведенными в таблице ниже:

 

Таблица 1-3 Настройки функционального генератора

Frequency (Частота)

60 Гц

Amplitude (Амплитуда)

10 Вп-п

 

 

 

 

 

  1. Запустите функциональный генератор.

 

  1. Сконфигурируйте осциллограф в соответствии с настройками, приведенными в таблице ниже:

Таблица 1-4 Настройки осциллографа

Trigger (Запуск)

 

Type (Тип)

Edge

(Запуск по аналоговому "фронту")

Channels (Каналы)

 

Channel 1 (Канал 1)

Активен

Channel 2 (Канал 2)

Активен

 

  1. Запустите осциллограф.
  2. Настройте параметры Volts per division и Time/Div, чтобы на графике отображалось два или три периода синусоидального сигнала.
 

Рассмотрите полученный график

 

  1. Обратите внимание, что конденсатор сохраняет заряд, поэтому напряжение на резисторе никогда не достигает 0.
    • Результирующий сигнал ближе к постоянному напряжению, но все еще присутствует переменная "пульсирующая" составляющая.
  2. Измерьте амплитуду пульсаций напряжения, используя режим Vpp в канале 1 осциллографа.
  3. Запишите напряжение пульсаций в таблицу 1-5.
  4. Когда закончите, остановите функциональный генератор и осциллограф.
 

Измерение напряжения пульсаций с конденсаторами 47 мкФ и 470 мкФ

 

  1. Замените конденсатор 10 мкФ на конденсатор 47 мкФ.
  2. Запустите функциональный генератор и осциллограф.
  3. Наблюдайте сигнал и запишите значение напряжения пульсаций с этим конденсатором в таблицу ниже.
  4. Остановите функциональный генератор и осциллограф.
  5. Замените конденсатор 47 мкФ на конденсатор 470 мкФ.
  6. Запустите функциональный генератор и осциллограф.
  7. Наблюдайте сигнал и запишите значение напряжения пульсаций с этим конденсатором в таблицу ниже.
  8. Остановите функциональный генератор и осциллограф.

 

    1. Заполните следующую таблицу результатами измерений напряжения пульсаций:

 

Таблица 1-5

Резистор 1 кОм

10 мкФ

47 мкФ

470 мкФ

Напряжение пульсаций

 

 

 

 

 

    1. Как напряжение пульсаций изменяется при увеличении емкости конденсатора?

 

 

 

 

 

    1. Замените резистор 1 кОм на резистор 10 кОм и повторите измерения напряжения.

 

Таблица 1-6

Резистор 1 кОм

10 мкФ

47 мкФ

470 мкФ

Напряжение пульсаций

 

 

 

    1. Как напряжение пульсаций изменяется при увеличении сопротивления?
 
    1. Заключение

 

Эти вопросы помогут вам повторить и уяснить принципиальные моменты, изученные в этой части лабораторной работы.

 

 

    1. Опишите любые наблюдения, сделанные вами при выполнении работы, но не обсуждавшиеся ранее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Своими словами опишите работу и применения выпрямителей.
 
    1. Своими словами определите путь для протекания тока через выпрямитель и опишите, как диоды управляют протеканием тока.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Объясните, как вы преобразовали сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока с помощью двухполупериодного выпрямителя с фильтрацией.
 

Ответы - только на вопросы из раздела "Самопроверка"

 

Проверьте себя

    1. B
    2. A
    1. B
 

Лабораторная работа 3: Стабилитроны

 

В этой лабораторной работе вы ознакомитесь со стабилитронами (диодами Зенера). Вы рассмотрите отличие стабилитронов от обычных диодов  и узнаете о некоторых их приложениях и применениях, например, о стабилизаторе Зенера.

 

Сначала вы рассмотрите специальные функции стабилитрона в режиме моделирования и с использованием макетной платы. Затем соберете схему, которая демонстрирует реальное применение стабилитронов в качестве стабилизаторов напряжения.

 
 
 

 

Рисунок 1 Стабилитроны

 

 

 

Цель работы

 

После выполнения данной лабораторной работы вы сможете:

 

      1. Объяснять принцип действия и применение стабилитронов.
      2. Обсуждать потенциальное применение стабилитронов в таких приложениях, как стабилизация напряжения.
      3. Разрабатывать и реализовывать схему стабилизации напряжения с помощью стабилитрона.
 

Необходимые инструментальные средства и технологии

Платформа: POLEKTRONIKA Измерительные приборы:

  1. Анализатор вольтамперных характеристик
  2. Цифровой мультиметр
  3. Регулируемый источник питания

Примечание: для работы с приборами

требуется набор кабелей и                                                                              

 

аксессуаров для POLEKTRONIKA (приобретается отдельно).

 

 

 

Электронные компоненты: Набор TI Electronics

 

Технические средства: Макетная плата POLEKTRONIKA

 

 

Компоненты, используемые в этой лабораторной работе:

  • 1 резистор 1 кОм
  • Потенциометр 10 кОм
  • 1 стабилитрон 1N4735
 

Ожидаемые отчетные материалы:

 

В этой лабораторной работе вы должны собрать для отчета:

 

    • Расчеты значений напряжения
    • Ответы на вопросы из раздела Анализ
    • Наблюдения, сделанные в процессе исследований стабилитрона

 

Преподавателю, скорее всего, необходимо предъявить полный отчет о работе. Узнайте у вашего преподавателя, есть ли конкретные требования к отчету или шаблон для его оформления.

 
    1. Сведения из теории

 

Краткое содержание видео

 

      • Стабилитрон может проводить ток в прямом или обратном направлении в зависимости от