Цель работы — освоить метод и получить практические навыки анализа процессов в резистивной цепи с безынерционным нелинейным двухполюсником.
Изучаются следующие основные вопросы:
1) понятие безынерционного резистивного нелинейного элемента; 2) метод анализа статического режима в цепи с резистивным нелинейным двухполюсником; 3) принцип действия диодного ограничителя напряжения.
Домашнее задание
Изучите вышеперечисленные основные вопросы. Рекомендуются учебные пособия [1] (§§ 6.1÷6.2), [2] и конспект лекций.
1. Для снятия вольтамперной характеристики диода в работе собирается цепь из последовательно соединенных миллиамперметра и диода (выходное напряжение снимается с диода).
Изобразите схему этой цепи. На схеме укажите стрелками напряжение на диоде (u) и ток диода (i).
2. В работе изучается цепь из последовательно соединенных нагрузочного резистора и полупроводникового диода (выходное напряжение снимается с диода).
Изобразите схему изучаемой цепи. На схеме укажите стрелками входное (u вх) и выходное (u вых) напряжения.
3. Приведите рисунок, поясняющий процессы в изучаемой цепи. На рисунке изобразите вольтамперную характеристику диода, нагрузочную прямую и рабочую точку, а также укажите характерные значения напряжения и тока (u вх, u вых= u р.т., i р.т.).
4. Изобразите вид семейства зависимостей u вых(u вх) для различных значений сопротивления нагрузки R.
5. Изобразите вид осциллограмм напряжений на входе u вх(t) и на элементах изучаемой цепи u вых(t) и uR (t) при подаче на ее вход гармонического напряжения.
Лабораторное задание
Подготовка установки к работе
Для сборки цепи из имеющихся элементов подберите полупроводниковый диод и два резистора (1÷2 кОм и 20¸50 кОм).
На стенде «Сигнал–1», используя имеющийся в нем источник постоянного напряжения и внешний миллиамперметр, соберите цепь для снятия вольтамперной характеристики диода.
1. Измерение вольтамперной характеристики диода
Снимите по точкам вольтамперную характеристику полупроводникового диода. Постройте ее график в необходимых для дальнейшей работы пределах (от –4 до 4 В и от 0 до 5 мА).
2. Измерение характеристики uвых (uвх) исследуемой цепи
Соберите исследуемую цепь из нагрузочного резистора (R=20¸50 кОм) и полупроводникового диода. Подключите к цепи генераторно-измерительную систему: напряжение с генераторного выхода системы подайте на вход цепи, а напряжение с выхода цепи (с диода) — на измерительный вход системы.
Включите генераторно-измерительную систему (ее ярлык — на рабочем столе) и подготовьте ее к измерениям:
· установите режим изучения характеристик (осциллограмм) сигналов и удобную для дальнейшей работы шкалу напряжения (от –4 до 4 В);
· оставьте отображение только расчетного входного сигнала и сформируйте постоянное напряжение u вх(t)= u 0, где u 0=0;
· включите отображение реального генерируемого сигнала. Проверьте, что генерируемое напряжение действительно равно нулю. Если это не так, то выполните сервисную программу «калибровка»;
· включите отображение измеряемого сигнала (отображение генерируемого сигнала тоже оставьте, а расчетного входного — отключите).
Варьируя u 0, снимите по точкам зависимость u вых(u вх) (в пределах u вх от –4 до 4 В). Измеренные напряжения сведите в таблицу. Измеренные значения u вых.мин и u вых.макс сравните с рассчитанными по вольтамперной характеристике диода (п.1) и нагрузочной прямой.
3. «Автоматизированное» измерение характеристики uвых (uвх) исследуемой цепи
Освойте методику «автоматизированного» измерения характеристики u вых(u вх) безынерционной нелинейной цепи с помощью генераторно-измерительной системы:
· в режиме изучения осциллограмм сигналов оставьте отображение только расчетного входного сигнала;
· сформируйте пилообразное напряжение:
где u 0 = 0, U И = 8 В, Т И = 8 мс, t 0 = 0, период 8 мс. Установите удобные для дальнейшей работы шкалы времени (от –4 до 4 мс) и напряжения (от –4 до 4 В) (это удобно сделать поочередным автомасштабированием по горизонтали и вертикали);
· включите отображение реального генерируемого сигнала (отображение расчетного входного сигнала отключите). Проверьте, что мгновенные значения реального входного напряжения (в вольтах) численно совпали с соответствующими значениями времени (в миллисекундах). Если это не так, то добейтесь такого совпадения, скорректировав введенные параметры входного напряжения (u 0 и U и);
· включите отображение измеряемого сигнала (отображение генерируемого сигнала отключите). При этом осциллограмма измеряемого выходного напряжения u вых(t) (если время в мс) численно совпадает с характеристикой безынерционной нелинейной цепи u вых(u вх).
4. Изучение характеристики диодного ограничителя напряжения
Наблюдайте измеряемую характеристику собранного диодного ограничителя и зарисуйте ее (со шкалами u вых и u вх в вольтах). Сравните результаты измерений «автоматизированным» способом и «по точкам»; для этого измеренные в п.2 точки нанесите на зарисованную характеристику (выделите эти точки любыми хорошо заметными символами).
5. Влияние сопротивления нагрузки на характеристику ограничителя напряжения
Параллельно резистору нагрузки подключите шунтирующий резистор (1÷2 кОм) и наблюдайте изменение характеристики ограничителя при подключении и отключении шунта. Новую характеристику нанесите на тот же рисунок (п.4). Дальнейшие исследования проводите при сопротивлении нагрузки, обеспечивающем более четкое ограничение напряжения.
6. Изучение возможности управления уровнем ограничения
Изобразите схему цепи, в которой последовательно с диодом включен источник постоянного напряжения, а выходное напряжение снимается с последовательного соединения диода и источника. Соберите такую цепь. Наблюдайте влияние постоянного напряжения на уровень ограничения. Зарисуйте семейство характеристик ограничителя для трех значений управляющего напряжения (0 и ±1,5 В).
7. Изучение возможности ограничения напряжения «снизу»
Продумайте, как изменить схему цепи, чтобы получить ограничение напряжения «снизу» (сохранив возможность управления уровнем ограничения). Изобразите предлагаемую схему и соберите цепь. Аналогично п.6 наблюдайте характеристики ограничителя и зарисуйте их семейство.
8. Изучение ограничения большого гармонического напряжения
Сформируйте гармоническое напряжение с амплитудой 8 В и частотой 1 кГц. Наблюдайте осциллограммы входного и выходного напряжений и зарисуйте их (со шкалами напряжения и времени) для двух – трех характерных случаев (на ваш выбор).
Контрольные вопросы
1. В чем заключается метод расчета напряжений и тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных источника постоянного напряжения, нелинейного двухполюсника и резистивной нагрузки?
2. Может ли вышеуказанный метод быть применен к нелинейной цепи, содержащей реактивные элементы? к нелинейной цепи, находящейся под воздействием переменного напряжения? Если нет, то почему? Если да, то при каких условиях и каким образом?
3. Изложите примененный в работе метод «автоматизированного» измерения характеристики безынерционной нелинейной цепи.
4. Объясните принцип действия диодного ограничителя напряжения.
5. Предложите схему ограничителя напряжения «снизу», отличающуюся от схемы п.7.
6. Предложите схему «двухстороннего» ограничителя напряжения.
_____________
Лабораторная работа № 14
