Sprawozdanie nr 4.docx

(122 KB) Pobierz

Sprawozdanie ze stanowiska nr IV

L=1,2H

2. Schemat obwodu

3. Wyznaczenie częstotliwości, amplitudy i okresu dla prostownika jednopołówkowego i dwupołówkowego

a) Dla prostownika jednopołówkowego

Okres: T=0,02s

Częstotliwość: f=1T=10,02Hz=50Hz

Amplituda: A=7,5*5V=37,5V

b) Dla prostownika dwupołówkowego

Okres: T=0,01s

Częstotliwość: f=1T=100Hz

c) Minimalne natężenie prądu w układzie I=UR=24V26kΩ=9,23*10-4A

4. Prostowanie prądu

Prostowanie prądu elektrycznego to zamiana prądu zmiennego na prąd stały (lub w przybliżeniu stały). Układ elektrotechniczny realizujący funkcję prostowania prądu elektrycznego nosi nazwę prostownika.

a) Jednofazowe prostowniki jednopołówkowe (półokresowe)

Najprostszym prostownikiem jest pojedyncza dioda prostownicza wpięta w układ napięcia przemiennego. Pomimo prostoty takiego układu jest on bardzo rzadko stosowany z uwagi na występowanie dużego tętnienia napięcia wyjściowego. Dodatkowo, energia dostarczana przez źródło wykorzystywana jest tylko przez pół okresu - podczas drugiej połowy okresu napięcie jest po prostu blokowane i prąd w układzie nie płynie. Wprowadza to niesymetrię obciążenia układu prądu przemiennego, co jest niekorzystne dla sieci prądu przemiennego. Z powyższych powodów rozwiązanie stosowane tylko w układach niewielkiej mocy.

Rozwiązanie to jest powszechnie stosowane w zasilaczach impulsowych małych mocy

Rysunek 1 Prostownik jednopołówkowy

Rysunek 2 Napięcie wyjściowe prostownika jednopołówkowego

b) Jednofazowe prostowniki dwupołówkowe (pełnookresowe)

Prostowniki dwupołówkowe umożliwiają wykorzystanie mocy źródła napięcia przemiennego przez cały okres. Napięcie wyjściowe takiego prostownika charakteryzuje się mniejszymi tętnieniami niż w przypadku prostowników jednopołówkowych. Jedyną wadą jest to, że układ elektryczny jest nieznacznie bardziej skomplikowany. Układ mostkowy, tzw. mostek Graetza, wykorzystuje cztery diody prostownicze, i pozwala na prostowanie napięcia z dowolnego źródła przemiennego. Istnieje również konstrukcja oparta na dwóch diodach, jednak wymaga ona specjalnego zasilania - uzwojenie wtórne transformatora musi być podzielone na dwie jednakowe części. Obecnie układy takie stosuje się niezwykle rzadko, ponieważ koszt dzielonego uzwojenia jest znacznie większy niż koszt diod użytych w układzie mostkowym.

Obecnie jednym z najczęściej stosowanych prostowników jednofazowych jest mostek Graetza. Proces prostowania napięcia przebiega w dwóch etapach. W pierwszej połówce okresu przewodzą tylko dwie diody tak jak to pokazano na rysunku obok (pozostałe dwie diody są spolaryzowane zaporowo). W drugiej połówce okresu sytuacja ulega odwróceniu - przewodzą dwie pozostałe diody . Napięcie wejściowe jest napięciem przemiennym czyli zmienia swój kierunek na dodatni i ujemny, natomiast układ mostka jest tak skonstruowany, że napięcie wyjściowe jest jednokierunkowe - płynie tylko w kierunku dodatnim . Pomimo faktu, że napięcie wyjściowe prostownika jest jednokierunkowe to jednak nie jest ono napięciem stałym i wykazuje znaczne tętnienie - dlatego też prostowniki najczęściej stosuje się z odpowiednimi filtrami dolnoprzepustowymi wygładzającymi przebieg

Rysunek 3 Czerodiodowy prostownik dwupołówkowy (mostek Graetza)

Rysunek 4 Napięcie wyjściowe prostownika dwupołówkowego

c) Dioda półprzewodnikowa

Dioda półprzewodnikowa to rzeczywiste złącze p-n. Złączem p-n nazywamy warstwę rozgraniczającą półprzewodnik typu „p” od półprzewodnika typu „n”. W półprzewodniku typu „n” jest większa koncentracja elektronów (nośniki większościowe), a w półprzewodniku typu „p” większa koncentracja dziur. Rozpatrzmy przebiegi fizyczne w złączu p-n.

Po zetknięciu półprzewodników typu „n” i „p” obserwujemy procesy dążące do wyrównania koncentracji swobodnych nośników ładunku w obu obszarach półprzewodnika. Elektrony dyfundują z obszaru „n” do „p”, a dziury z obszaru „p” do „n”. W wyniku tego procesu w pobliżu granicy złącza zanikają swobodne nośniki ładunku, a pozostają jedynie nieruchome jony domieszek w węzłach sieci krystalicznej półprzewodnika. Po obu stronach granicy złącza pojawiają się ładunki o różnych znakach. W półprzewodniku typu „n” pojawia się ładunek przestrzenny dodatni - tworzą go dodatnie jony domieszki donorowej. W półprzewodniku typu „p” powstaje ujemny ładunek przestrzenny - tworzą go ujemne jony domieszki akceptorowej.

Rozkład ładunku przestrzennego w obszarze złącza pokazany jest na rys.1. Wskutek istnienia ładunków elektrycznych na złączu p-n powstaje statyczna różnica potencjałów, nazywana „barierą potencjału”. Potencjał obszaru „n” jest wyższy od potencjału obszaru „p” (rys.1c). W następstwie tego średnia energia elektronów w obszarze „n” obniża się, a w obszarze „p” podwyższa się - doprowadza to do wyrównania poziomów Fermiego w obu obszarach. Model pasmowy złącza p-n pokazany jest na rys.1e. Powstałe w obszarze złącza pole elektryczne ma zwrot od „n” do „p” (rys.1d). Pole to przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych, natomiast sprzyja przepływowi nośników mniejszościowych w kierunku przeciwnym do ruchu dyfuzyjnego nośników większościowych. W stanie równowagi termicznej przez złącze p-n płyną dwa prądy: prąd dyfuzyjny - JD oraz prąd wsteczny - JW. Prąd dyfuzyjny JD utworzony jest przez ruch nośników większościowych: elektronów z „n” do „p” i dziur z „p” do „n”. Prąd wsteczny - JW , to ruch nośników mniejszościowych: dziur z „n” do „p”, elektronów z „p” do „n”. W stanie równowagi termicznej natężenie tych prądów są sobie równe.

Obszar złącza p-n jest pozbawiony swobodnych nośników ładunku, ma zwiększoną oporność i nazywany jest warstwą zaporową. Szerokość tej warstwy jest rzędu jednego mikrometra. Doprowadzenie do złącza p-n zewnętrznego napięcia wywołuje zmianę: szerokości warstwy zaporowej, wysokości bariery potencjału, natężenia pola elektrycznego oraz natężenia prądu dyfuzyjnego JD.

Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony dodatni biegun źródła SEM, a do obszaru „p” - ujemny, to wówczas zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot zgodny z polem E0 wytworzonym przez ładunek przestrzenny złącza (rys.2d. Swobodne nośniki większościowe, pod działaniem sił pola elektrycznego, odpływają z obszaru otaczającego warstwę zaporową - wzrasta jej szerokość (rys.2ab), zwiększa się tym samym opór wewnętrzny złącza. Mówimy, że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku zaporowym. Bariera potencjałów tak spolaryzowanego złącza zostaje zwiększona o U – napięcie zewnętrzne i jest równa sumie napięć U+U0 (rys.2c). Zwiększone pole elektryczne w warstwie zaporowej przeciwdziała prądowi dyfuzyjnemu JD, prąd ten maleje (rys.2e) i przy napięciu zewnętrznym rzędu dziesiątych części wolta zupełnie zanika. Pole to natomiast sprzyja przepływowi prądu wstecznego - natężenie jego jest niewielkie (10-6 - 10-7A) i nieznacznie zależy od przyłożonego napięcia. Prąd JW zależy od temperatury złącza, tzn. od koncentracji nośników mniejszościowych.

$C:\ACAD\RYS_BMP\diod_pn2.bmp$

$C:\ACAD\RYS_BMP\diod_pn1.bmp$
Rys.1. Złącze p-n niespolaryzowane: Rys.2. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku

a) model fizyczny złącza, b) rozkład ładunku zaporowym (a – e jak na rys.1).

przestrzennego, c) rozkład napięcia w stosunku

do powierzchni granicznej, d) rozkład pola elek-

trycznego, e) model pasmowy złącza p-n oraz

kierunki przepływu prądów - dyfuzyjnego JD

(ładunków większościowych) i wstecznego JW

(ładunków mniejszościowych).

Jeżeli do obszaru „n” zostanie podłączony ujemny biegun źródła SEM, a do „p” dodatni, wówczas mówimy, że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Zewnętrzne pole elektryczne E ma zwrot przeciwny do pola E0, wytworzonego przez ładunek przestrzenny złącza niespolaryzowanego. W wyniku tego zmniejsza się wypadkowe pole elektryczne w obszarze złącza (rys.3d), zmniejsza się szerokość warstwy zaporowej (rys.3ab) oraz opór złącza. Bariera potencjału zostaje zmniejszona o U - napięcie zewnętrzne, przyłożone do złącza i jest równa U0 - U (rys.3c). W wyniku zmniejszenia spadku napięcia na warstwie zaporowej, maleje natężenie pola elektrycznego ograniczającego dyfuzję nośników większościowych.

$C:\ACAD\RYS_BMP\diod_pn3.bmp$

$C:\ACAD\RYS_BMP\diod_pn4.bmp$

Rys.3. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku Rys.4. Charakterystyka prądowo-napięciowa przewodzenia (a-e jak na rys.1). diody półprzewodnikowej.

Im bardziej wzrasta napięcie zewnętrzne, tym bardziej zmniejsza się bariera potencjału - tym samym wzrasta dyfuzja, a z nią prąd płynący przez złącze w kierunku przewodzenia (rys.3e).

Opór złącza w kierunku przewodzenia jest 103-105 razy mniejszy od oporu w kierunku zaporowym. Złącze p-n charakteryzuje się zdolnością do jednokierunkowego przewodzenia prądu. Rzeczywiste złącza p-n nazywane są diodami półprzewodnikowymi. Statyczna charakterystyka prądowo-napięciowa takiej diody przedstawiona jest na rys. 4.

Zależność prądu złącza od przyłożonego napięcia zewnętrznego z dobrym przybliżeniem opisuje teoretycznie znaleziona funkcja:

gdzie:

Js - natężenie maksymalnego dopuszczalnego prądu w kierunku zaporowym

U - napięcie przyłożone do złącza

T - temperatura złącza

q - ładunek elektronu

k - stała Boltzmana.

d) Stan nieustalony

Rysunek 1

i) Załóżmy, że do obwodu szeregowego RL w chwili doprowadzono napięcie stałe, odpowiada to zamknięciu wyłącznika "W". Po zamknięciu wyłącznika w obwodzie powstaje stan nieustalony. Zgodnie z pierwszym prawem komutacji prąd "i" zmienia się od zera do wartości ustalonej. Wartość prądu wyraża się wzorem

τ – stała czasowa obwodu

Prąd ten ma dwie składowe:

- składową ustaloną iu=UR

- składową przejściową

Rysunek 2

Napięcie ma rezystencji opisane jest wzorem

Rysunek 3

Napięcie na cewce opisuje zależność

Rysunek 4

Zwarcie w dwójniku szeregowym RL przy warunkach początkowych niezerowych.

Rysunek 5

Załóżmy, że dwójnik RL włączony jest na napięcie stałe "U" (zwarte zaciski 1,2). Przez elementy obwodu płynie prąd stały

Przy przepływie prądu przez cewkę o indukcyjności "L" gromadzi się w niej energia

W chwili następuje umiar pozycji wyłącznika (zwarte zaciski 2z3) tj. zwarcie elementów RL oraz odłączenie ich od źródła. W obwodzie powstaje stan nieustalony. Wartość prądu w obwodzie opisana jest zależnością: