Последовательная цепь переменного тока Трехфазные нагрузочные цепи

Лабораторные работы по теории электрических цепей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №13

Исследование полупроводниковых выпрямителей

Цель работы:

Изучить свойства маломощных полупроводниковых выпрямителей при одно- и двухполупериодном выпрямлении, путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего амплитудного значений выпрямленного напряжения.

Изучить свойства C- и LC-фильтров при работе в схемах однофазного одно- и двухполупериодного выпрямителей путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего и амплитудного значений напряжения.

1. Указания к работе

Если в кристалле полупроводника существуют области с различным типом проводимости, то граница между этими областями называется электронно-дырочным или p-n переходом. При отсутствии внешнего напряжения основные носители заряда (электроны в n-области и дырки в p-области) диффундируют из области с одним типом проводимости в другую. Электроны, попадая в область с проводимостью типа p, становятся там неосновными носителями и рекомбинируют с дырками. Аналогично ведут себя дырки, попадая в область с проводимостью типа n. При уходе основных носителей в полупроводнике остаются нескомпенсированные ионы - положительно заряженные в полупроводнике типа n и отрицательно заряженные в полупроводнике типа p, которые лишены подвижности. Неподвижные разноименные заряды по обе стороны границы раздела создают электрическое поле, его называют диффузионным. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей, поэтому его называют потенциальным барьером. Обеднение области p-n перехода основными носителями зарядов приводит к возрастанию сопротивления этой области, поэтому p-n переход называется еще запирающим слоем (рис. 1,б).

Если к p-n переходу подключить источник энергии положительным полюсом к p области (такое включение называется прямым), то электрическое поле, создаваемое этим источником внутри полупроводника, будет противоположно по направлению диффузионному, в результате чего большее количество основных носителей, чем при равновесном состоянии, перейдут через границу раздела. Так как скорость рекомбинации электронов и дырок конечна, основные носители, перешедшие через границу раздела будут уменьшать толщину запирающего слоя (рис. 1,в) и его сопротивление, в результате чего через p-n переход потечет ток, величина которого будет очень быстро увеличиваться при возрастании приложенного напряжения.

 

Рис. 1. Распределение носителей при контакте полупроводников с разным типом проводимости

Если источник энергии подключить положительным полюсом к n области (такое подключение называется обратным), то высота потенциального барьера увеличится, т.к. направление поля, создаваемого источником, будет совпадать с направлением диффузионного поля. Основные носители будут уходить от границы слоев (рис. 1,г), а сопротивление запирающего слоя расти. В этих условиях ток через контакт определяется только движением по направлению к контакту неосновных носителей, для которых поля источника энергии и диффузионное являются ускоряющим. Однако концентрация неосновных носителей обычно много меньше концентрации основных, поэтому ток в обратном направлении на много порядков меньше тока в прямом направлении, несмотря на то, что обратное напряжение может достигать нескольких сотен вольт. Следовательно, можно считать, что электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью электрического тока.

Чрезмерное увеличение обратного напряжения приводит к пробою p-n перехода. Сущность пробоя заключается в том, что не основные носители, двигаясь в сильном электрическом поле, могут приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника, в результате которой происходит умножение носителей в переходе и резкое увеличение обратного тока; p-n переход теряет при этом свойство односторонней проводимости.

Существование в определенном диапазоне напряжений свойства односторонней проводимости позволяет рассматривать p-n переход как нелинейный элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. При увеличении прямого напряжения сопротивление p-n перехода уменьшается, при изменении полярности приложенного напряжения сопротивление p-n перехода резко возрастает. Нелинейные свойства p-n переходов лежат в основе работы полупроводниковых диодов или вентилей, которые используются в устройствах преобразования переменного тока в постоянный, называемых выпрямителями.

Рис. 2

Основными электрическими параметрами вентилей, характеризующими их качество и возможность работы в том или ином устройстве, являются максимальный выпрямленный ток Im выпр., максимальное допустимое обратное напряжение Um обр. доп., амплитуда обратного тока при максимальном допустимом напряжении Im обр., прямое падение напряжения при максимальной величине выпрямленного тока Uпр.. Вентили высокого качества должны пропускать большой выпрямленный ток при малом падении напряжения в прямом направлении и малый обратный ток при высоком обратном напряжении.

Условное графическое изображение вентиля приведено на рис. 2.

Рис. 3

Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа p, маркируется знаком + и называется анодным. Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа n, называется катодным.

Рис. 4

Выпрямитель состоит из четырех основных элементов: силового трансформатора, который трансформирует напряжение сети до величины, необходимой для получения заданного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя; системы вентилей, преобразующих переменный ток в постоянный; сглаживающего фильтра, который уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя; стабилизатора, который поддерживает неизменным напряжение на нагрузке при изменениях напряжения сети или сопротивления нагрузки Здесь к одной диагонали моста, образованного вентилями В1-В4, подведено переменное напряжение, а к другой подключен нагрузочный резистор Rн Ознакомьтесь с оборудованием стенда. Запишите технические характеристики электроизмерительных приборов, используемых в работе, в таблицу 1. Включите П-образный фильтр, замкнув все три тумблера, показанных на схеме (рис. 9); выполните пункты 8-10.

Трехфазные выпрямители, являясь устройствами средней и большой мощности, применяются для питания электроприводов постоянного тока, гальванических ванн, зарядки аккумуляторов и т.д. Наибольшее распространение получили трехфазные выпрямители с нейтральным (нулевым) выводом и мостовые.

По типу характеристики можно также разделить все нелинейные элементы на элементы с однозначной  и неоднозначной характеристиками. Однозначной называется характеристика , у которой каждому значению х соответствует единственное значение y и наоборот. В случае неоднозначной характеристики каким-то значениям х может соответствовать два или более значения  y или наоборот. У нелинейных резисторов неоднозначность характеристики обычно связана с наличием падающего участка, для  которого , а у нелинейных индуктивных и емкостных элементов – с гистерезисом.

Наконец, все нелинейные элементы можно разделить на управляемые и неуправляемые. В отличие от неуправляемых управляемые нелинейные элементы (обычно трех- и многополюсники) содержат управляющие каналы, изменяя напряжение, ток, световой поток и др. в которых, изменяют их основные характеристики: вольт-амперную, вебер-амперную или кулон-вольтную.

Нелинейные электрические цепи постоянного тока

Нелинейные свойства таких цепей определяет наличие в них нелинейных резисторов.

В связи с отсутствием у нелинейных резисторов прямой пропорциональности между напряжением и током их нельзя охарактеризовать одним параметром (одним значением ). Соотношение между этими величинами в общем случае зависит не только от их мгновенных значений, но и от производных и интегралов по времени.


Испытание асинхронного короткозамкнутого двигателя