Kauno technologijos universitetas...gr. stud... Elektros energetikos sistemų katedra p =..., n =... 6 laboratorinis darbas DIODAS IR KINTAMOSIOS ĮTAMPOS LYGINTUVAI Darbo tikslas Susipažinti su diodo veikimo principu ir su vienfazių lygintuvų vienpusio bei dvipusio lyginimo schemomis ir savybėmis. Susipažinti su išlygintos įtampos pulsacijos mažinimo būdais, filtrų schemomis ir savybėmis. 1. Pasirengimas darbui (namuose) 1.1. Išstudijuokite reikiamą literatūrą (Masiokas. Elektrotechnika. 6 ir 7 sk. bei 7.1 lentelė 178 psl.) ir šio darbo aprašymą, pasirenkite atsakyti į kontrolinius klausimus. 1.2. Pagal individualiųjų užduočių 6.2 lentelės savo varianto p ir n bei literatūros duomenis: a surašykite dydžių vertes į 6.1 lentelę; srovės stiprį IF ir įtampą URm įrašykite, išreikšdami I0 bei U0 vertėmis: pvz., IF = 0,51 U0; URm = 3,14 U0 ir pan. b nubraižykite lygintuvo schemą ir išlygintosios įtampos kreivę. 6.1 lentelė Pulsacijos k p Pulsacijos dažnis f p, Hz (f = 50 Hz) Vidutinė išlyginta diodo srovė IF Didžiausia atgalinė diodo įtampa U R m Lyginamoji įtampa U 2 Antrinės apvijos išnaudojimo k tr Lygintuvo schema: Išlygintosios įtampos kreivė u(t): 1
Skyriaus pagrindai Puslaidininkinis diodas Paprastai diodas praleidžia elektros srovę viena kryptimi, kaip pavaizduota paveikslėlyje. Kai n tipo puslaidininkinė medžiaga yra sujungiama su p tipo medžiaga, jų sandūroje atsiranda erdviniai jonų krūviai (vadinamasis potencialinis barjeras). Todėl reikalinga papildoma įtampa šiam barjerui įveikti, kad pradėtų tekėti srovė. Įtampos dydis, reikalingas tam, kad diode pradėtų tekėti srovė, yra vadinamas potencialinio barjero įtampa. Ši įtampa germanio dioduose yra apie 0,3V, o silicio 0,6V (0,5-0,7V) ir ji dar vadinama tiesioginiu įtampos kritimu diode (U F ). Kai neigiamas potencialas (įtampa) yra prijungtas prie diodo katodo, elektronai n tipo medžiagoje priverčiami judėti sandūros link. Panašiai, anode p tipo medžiagoje esantys teigiami krūvininkai (skylės), dėl padidėjusio teigiamo anodo potencialo, taip pat stumiamos sandūros link Kai prijungta įtampa viršija potencialinio barjero įtampą, sandūros plotis sumažėja, ir elektronai praeina pro barjerą teigiamo anodo link. Didėjant paduodamai įtampai ir jai viršijus barjero įtampą, elektros srovė teka ir diodas yra pilnai tiesiogiai įjungtas, arba tiesiog įjungtas. Kuomet teigiama įtampa prijungiama prie katodo, o neigiama įtampa prie anodo, elektronai n tipo medžiagoje yra atitraukiami nuo barjero link teigiamo poliaus. Skylės p tipo medžiagoje taip pat atitraukiamos nuo barjero link neigiamo poliaus. Sandūros zona,kurioje nėra laisvų elektronų ir skylių, praplatėja- diodas yra prijungtas atgaline kryptimi ir diodu srovė neteka. Vienfazis vienpusis lygintuvas Jeigu tiesioginė įtampa yra pakankamai didelė, kad įveiktų diodo potencialinį barjerą, diodas teigiamo pusperiodžio metu yra laidus. Neigiamo pusperiodžio metu diodas yra nelaidus, todėl juo srovė neteka Todėl, už diodo įtampa arba srovė yra nuolatinė pulsuojanti, kuri teka tik viena kryptimi arba iš viso neteka. Procesas, paverčiantis vienfazę kintamąją įtampą į nuolatinę pulsuojančią įtampą, yra vadinamas vienfaziu vienpusiu lyginimu. 2
Tiesioginės įtampos kritimas diode U F sumažina vienfazio vienpusio lygintuvo maksimalią išėjimo įtampą U max. Galima suskaičiuoti maksimalią grandinės išėjimo įtampą U max iš maksimalios įėjimo įtampos U~max atimant diodo įtampą U F (apie 0,6 V silicio diodams): U max = U~max U F. Vienfazio vienpusio lygintuvo diodas būna laidus šiek tiek mažiau nei pusę kiekvieno kintamosios įtampos periodo. Oscilografas brėžia kintamosios (įėjimo) įtampos kreivę nuo teigiamo įtampos pusperiodžio pradžios iki neigiamo pusperiodžio pabaigos, o išlygintos įtampos -tik vieno pusperiodžio kreivę. Naudodamiesi šiais samprotavimais ir tam tikrais koeficientais, oscilografu išmatuotus dydžius galima paversti apytikslėmis efektinėmis ar vidutinėmis vertėmis. U0 = 0,318 U~max. Vidutinės vertės skaičiavimo yra pritaikytas visam 180 o pusperiodžiui, kai įėjimo įtampa yra sinusinė. Kadangi išlygintos įtampos pusperiodis yra šiek tiek mažesnis nei 180 o, suskaičiuotos vidutinės vertės bus didesnės nei reikšmės, išmatuotos matuokliu. Tokia diodo savybė kaip atsikūrimo trukmė (t RR ) gali neigiamai veikti vienfazio vienpusio lygintuvo darbą, ypač jei įėjimo dažnis didesnis nei 1 khz. Kuomet įėjimo įtampos poliarumas keičiasi, ta įtampa sukelia srovės tekėjimą priešinga kryptimi, kadangi kurį laiką diodas lieka laidus. Diodo atsikūrimo trukmė nulemia išlygintos įtampos impulsą priešinga kryptimi nei normalios išlygintos įtampos pusbangė. Vienfazis dvipusis lygintuvas Išmokę kitą skyrių, jūs įsisavinsite vienfazio dvipusio (titelinio) lygintuvo ir talpinio filtro veikimo principus bei savybes. Vienfazis dvipusis (tiltelinis) lygintuvas kintamosios įtampos tiek teigiamus, tiek neigiamus pusperiodžius paverčia pulsuojančia nuolatine įtampa. Paveikslėlyje pavaizduotas vienfazis dvipusis (titelinis) lygintuvas, susidedantis iš transformatoriaus, tiltelinio lygintuvo ir apkrovos rezistoriaus. Į lygintuvo įėjimą iš antrinės transformatoriaus apvijos paduodama kintamoji įtampa. Transformatorius atskiria lygintuvą nuo tinklo ir aukština arba žemina įtampą. Vienfazis dvipusis (tiltelinis) lygintuvas kintamosios įtampos tiek teigiamus, tiek neigiamus pusperiodžius paverčia pulsuojančia nuolatine įtampa. Išėjimo įtampos pulsacijos dažnis yra du kartus didesnis nei įėjimo įtampos dažnis. Vienfaziame dvipusiame lygintuve keturi diodai yra 3
suporuoti taip, kad vienu metu srovė teka tik dviem iš jų. Du laidūs diodai įtampą nukreipia taip, kad išlyginta įtampa visuomet yra tos pačios krypties. Išlygintos įtampos amplitudė yra mažesnė nei įėjimo kintamosios įtampos amplitudė per tiesioginės įtampos kritimo dviejuose laidžiuose dioduose dydį. Išėjimo įtampos vidutinė vertė yra lygi 0,636 amplitudinės išėjimo įtampos vertės. U0 = 0,636 U~max. Talpinio filtro veikimas Daugumai elektronikos prietaisų reikalinga išlyginta nuolatinė nepulsuojanti įtampa, todėl pulsacijai sumažinti iki labai mažų reikšmių, už lygintuvo yra įjungiami filtrai. Schemoje pavaizduotas, vienas iš daugelio šiuo metu naudojamų, talpinis filtras. Tai paprastas elektrolitinis kondensatorius (C1), prijungtas prie tiltelinio vienfazio dvipusio lygintuvo išėjimo lygiagrečiai apkrovos varžai (RL). Talpinis filtras sumažina vienfazio dvipusio lygintuvo išlygintos įtampos pulsaciją nuo voltų iki milivoltų ir palaiko aukštą vidutinę išlygintos įtampos vertę Neįkrautas kondensatorius labai greitai įsikrauna iki maksimalios vienfazio dvipusio lygintuvo išėjimo įtampos. Kuomet išlyginta įtampa pasiekia maksimalią vertę ir pradeda mažėti iki nulio, kondensatorius ima išsikrauti per apkrovos varžą (tiekia srovę imtuvui). Kondensatoriaus išsikrovimo metu srovė iš kondensatoriaus per lygintuvą neteka, nes visi diodai yra prijungti atgaline kryptimi. Kol kondensatoriaus įtampa dar nenukrito per žemai, kitas, iš lygintuvo atėjęs, pusperiodis vėl padidina kondensatoriaus įtampą iki pradinės (maksimalios) vertės. Kondensatoriaus įkrovimo laikas yra mažas ir pastovus, kadangi šaltinio vidinė varža yra labai maža, o išsikrovimo laikas yra žymiai ilgesnis ir priklauso nuo rezistoriaus varžos R ir kondensatoriaus talpos C. Kuo varža didesnė (mažesnė lygintuvo apkrovos srovė), tuo talpinis filtras yra efektyvesnis. KONTROLINIAI KLAUSIMAI 1.Normaliai diodas praleidžia: a) kintamąją srovę; b) srovę viena kryptimi. 2.Silicio diodo potencialinis barjeras yra: a) 6,0 V; b) 0,6 V; c) 0,3 V. 3.Diodas tampa pilnai laidus: a) kai diodo įtampa viršija potencialinį barjerą; b) kai diodu neteka srovė. 4.Diodas yra prijungtas atgaline kryptimi kai: a) teigiamas polius yra prijungtas prie katodo,o neigiamas prie anodo; b) kai diodu teka didelė srovė. 5.Stiprus atgalinės srovės padidėjimas gaunamas kai atgalinė įtampa pasiekia: a) potencialinio barjero įtampą; b) diodo elektrinio pramušimo įtampą. 6.Tiesiogine kryptimi diodo varža yra: a) maža; b) didelė. 7.Vienfazis vienpusis lygintuvas gali praleisti: a) tik neigiamą pusperiodį; b) tik teigiamą pusperiodį; c) ir neigiamą, ir teigiamą pusperiodį priklausomai nuo to, kaip diodas sujungtas. 8.Vienfazio vienpusio lygintuvo išėjime yra: a) kintamoji įtampa; b)pulsuojanti nuolatinė įtampa. 9.Viršijus diodo potencialinio barjero įtampą: a) srovė sparčiai didėja ir diodas gali būti sugadintas; b) tiesioginė srovė sparčiai didėja; c) atgalinė srovė labai silpna; d) atgalinė įtampa sparčiai didėja. 10.Vienfazio vienpusio lygintuvo išėjime išlygintos įtampos pulsacijos yra: a) to paties dažnio, kaip ir įėjimo įtampa; b) pusė įėjimo įtampos dažnio; c) dvigubai didesnio dažnio nei įėjimo įtampos dažnis; d) nepriklauso nuo įėjimo įtampos dažnio. 4
11.Vienfazis dvipusis (tiltelinis) lygintuvas išlygina: a) tik teigiamus įėjimo įtampos pusperiodžius; b) tik neigiamus įėjimo įtampos pusperiodžius; c) ir teigiamus, ir neigiamus įėjimo įtampos pusperiodžius. 12.Vienfazio dvipusio lygintuvo išlygintos įtampos dažnis yra: a) lygus įėjimo įtampos dažniui; b) du kartus didesnis nei įėjimo įtampos dažnis. 13.Kuri frazė apie vienfazį dvipusį tiltelinį lygintuvą yra teisinga? a) vienfazio-dvipusio lygintuvo išlyginta srovė visuomet yra tos pačios krypties; b) išlygintos įtampos amplitudė yra mažesnė nei kintamosios įtampos amplitudė, dydžiu, lygiu tiesioginės įtampos kritimui ant dviejų laidžių diodų; c) vidutinė išlygintos įtampos vertė yra 0,636 amplitudinės vertės; d) visos anksčiau išvardintos. 14.Pulsacija su 20 μf talpiniu filtru yra didesnė ar mažesnė nei pulsacija su 10-μF talpiniu filtru? a) didesnė b) mažesnė. 15.Talpinis filtras yra jungiamas: a) nuosekliai apkrovos varžai; b) lygiagrečiai,,tiltelinio lygintuvo įėjimui; c) lygiagrečiai apkrovos varžai; d) nuosekliai, tiltelinio lygintuvo įėjimui. 16.Vienfazio dvipusio tiltelinio lygintuvo grandinėje (schemoje) yra: a) 6 diodai; b)4 diodai ; c) 2 diodai; d) 6, 4, arba 2 diodai, priklausomai nuo to kaip sujungti. 17.Vienas iš vienfazio dvipusio lygintuvo privalumų yra tas, kad: a) jis išlygina vieną įėjimo įtampos pusperiodį; b) jis išlygina abu įėjimo įtampos pusperiodžius; c) jis susideda iš daugiau komponentų; d) išėjimo įtampos filtravimas nėra būtinas. Laboratorinio darbo atlikimas 1 dalis Diodas ir vienfaziai lygintuvai 1 pratimas - Diodas ir jo charakteristikos (kaip gauta) 8 U R1 = 16 U R2 = 9 U R2 = 20 I R2 = 15 U R1 = 21 I R2F 2 pratimas Vienfazis vienpusis lygintuvas (kaip gauta) 11 U max = 23 U 0 = 12 U = 24 U 0 = 14 U = 2 dalis Vienfazis dvipusis lygintuvas ir filtrai 1 pratimas Dvipusio lyginimo tiltelinis lygintuvas (kaip gauta) 11 f = 13 U 0 = 12 U max = 14 U 0 = 2 pratimas Filtrai (kaip gauta) 8 U max = 23 pulsacija = 12 U 0 = 24 U 0 = 19 pulsacija = 27 pulsacija = 20 U 0 = 28 U 0 = 5
6.2 lentelė. Individualiosios užduotys p n Lygintuvo schema Išlygintosios įtampos oscilograma Lygintuvo schema Pulsacijos k p Išlygintosios įtampos pulsacijos dažnis f p (f = 50 Hz) 1 Trifazis tiltelinis???? Vidutinė išlyginta diodo srovė I F Didžiausioji atgalinė diodo įtampa U R m Lyginamoji įtampa U 2 Transf. antrinės apvijos išnaudojimo k tr 1 2????? 3????? 2 3 4 5 6 7 8 1??? 0,25? 2???? 100 3,14 U 0 3?????? 0,83 1?????? 0,29 2????? 0,855 U 0 3???? 50? 1?????? 0,58 2 Vienfazis tiltelinis????? 3??? 0,057?? 1????? 1,57 U 0 2??????? 0,58 3???? 300? 1????? 0,95 2?????? 2,09 U 0 3?????? 0,427 U 0 1 Trifazis tiltelinis????? 2????? I 0 3???? 150 1??? 1,57? 2????? 0,68 3???? 3,14 U 0 6