Лабораторно-практическая работа №2

Лабораторно-практическая работа №2

«Исследование диодных ключей и ограничителей»

Цель работы:

- изучение теоретического материала о работе диодных ключей и ограничителей;

- исследование работы диодных ключей и ограничителей.

Материальное оснащение:

- персональный компьютер (процессор 386 с ОЗУ не менее 1 Мб);

- монитор с разрешающей способностью не менее 640х480;

- видеокарта, работающая в режиме 640х480 с цветностью не менее 256 цветов;

- операционная система DOS 3.3 и выше;

- манипулятор "мышь";

- программа анализа электронных схем «Micro-Cap II».

Ход работы.

1. Теоретическая часть

Применение диодов в качестве коммутирующих приборов в ключах возможно благодаря их нелинейным свойствам – способности проводить ток только в одном направлении, когда к аноду диода приложено положительное напряжение по отношению к катоду.

В зависимости от способа подключения нагрузки различают схемы последовательного и параллельного ключей. Рассмотрим работу последовательного диодного ключа в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1

Ключ на диоде VD1 подключает нагрузку R1 к напряжению U_вх только при положительном U_вх. При отрицательном U_вх диод закрыт и напряжение на нагрузке R1 равно 0.

Анализ такого ключа не вызывает затруднений, однако для более сложных ключей он может представлять достаточные трудности, поэтому рассмотрим методы анализа на этой простейшей схеме. Для простоты будем считать, что мы имеем дело с идеальным диодом, т.е. в открытом состоянии сопротивление диода равно нулю и, следовательно, падение напряжения на диоде также равно нулю. Другими словами, в открытом состоянии диод представляет собой короткозамкнутую перемычку. В закрытом состояния сопротивление диода бесконечно велико, эта ситуация тождественна разрыву проводника. Анализ предполагает вычисление выходного напряжения при заданном входном сигнале.

Анализируя электрическую схему ключа, определяем формулу (логику) его работы, т.е. зависимость входного напряжения от состояния ключа и приложенных к нему напряжений. Последовательно для различных моментов времени определяем состояние ключа и, используя его формулу, делаем заключение о величине выходного напряжения. По полученным величинам строим график U_вых(t).

Применительно к ключу в соответствии с рисунком 1 его логику (формулу) можно определить в виде двух высказываний:

- диод открыт и при этом U_вых= U_вх;

- диод закрыт и при этом U_вых= 0.

Выясним, в какие моменты времени диод открыт, а в какие закрыт. Диод открыт в те моменты времени, когда напряжение на входе и, следовательно, на аноде положительно. Для всего положительного полупериода входного сигнала диод открыт и, согласно логике схемы, U_вых= U_вх.

Очевидно, что для всего отрицательного полупериода к аноду приложен “минус” входного сигнала, а к катоду “плюс”. Все это время диод закрыт и, опять же согласно логике схемы, U_вых= 0. Результаты анализа в соответствии с рисунком не требует дополнительных пояснений.

Рисунок 2

Несколько иначе выглядит схема в соответствии с рисунок 3.

Рисунок 3

Это диодный ключ с дополнительным источником постоянного напряжения. Такую схему часто называют ограничителем. Запишем высказывания, определяющие логику работы этой схемы:

- диод открыт и при этом U_вых= U_вх;

- диод закрыт и при этом U_вых= E.

Источник Е, хотя и создает ток в цепи, но падение напряжения от него на выходных зажимах равно нулю, т.к. идеальный источник входного сигнала имеет нулевое внутренне сопротивление. При закрытом диоде единственным источником напряжения, действующим на вход, является дополнительный источник, с напряжением равным Е. Если выходные клеммы разомкнуты, т.е. нагрузка к ним не подключена, то напряжение на выходе равно Е.

В момента времени t = 0 напряжение на входе равно 0. Равенство нулю U_вх означает, что входные клеммы закорочены накоротко в соответствии с рисунком 4.

К аноду диода VD1 приложен “минус” источника “Е”, а к катоду (через R1) “плюс”. Для диода это напряжение обратной полярности и он закрыт.

Обращаясь к логике схемы, определяем, что U_вых= Е, что и отражено в соответствии с рисунком 5 на временном участке от 0 до t1.

Рисунок 4

Рисунок 5

Дальнейший анализ будем проводить, ориентируясь на уровень напряжения Е. В соответствии с рисунком 6 рассмотрим точку 1, для которой U_вх< Е.

Рисунок 6

К диоду подключены два последовательно соединенных источника напряжения U_вх и Е. Они включены встречно по отношению друг к другу. Напряжение на диоде равно:

U_vd = U_вх– E.

Т.к. U_вх< E, то U_vd < 0, т.е. диод закрыт и, согласно логике схемы, U_вых= Е.

Такая ситуация будет верна для любой точки U_вх от момента времени 0 до t₁. И для всех этих моментов времени U_вых= Е.

Рассмотрим точку 2. Схема не изменилась. Но этом случае U_вх> E. Напряжение на диоде:

U_vd = U_вх– E > 0.

Диод открыт и U_вых= U_вх. Диод будет открыт во все моменты времени от t₁ до t₂ пока U_вх> Е.

В соответствии с рисунком 7 рассмотрим точку 3, для которой U_вх< 0.

Рисунок 7

Два источника напряжения U_вх и Е включены согласно, и их напряжения складываются. Напряжение на диоде равно:

U_vd = – (U_вх+ E ).

Диод закрыт. Между точками t₂ и t₃ диод закрыт и U_вых= Е. Мы рассмотрели интервал для входного напряжения больше периода и т.к. U_вх периодическая функция, то и U_вых будет иметь тот же период.

В соответствии с рисунком 5 вполне очевидно, что если Е > U_вх, то диод будет всегда закрыт и U_вых= Е. При уменьшении Е линия уровня Е будет двигаться вниз, пока на дойдет до оси абсцисс при Е = 0. Такая ситуация рассмотрена в соответствии с рисунком 2. А что произойдет, если величина Е поменяет знак и станет отрицательной? Такая ситуация и схема изображены в соответствии с рисунком 8.

Рисунок 8

Линия уровня Е как бы отрезает часть синусоиды и ограничивает ее снизу. Поэтому такая схема имеет второе название – ограничитель снизу.

Если включить диод VD1 катодом к U_вх, т.е. включить диод в другом направлении, то получим ограничитель сверху. Анализ такой схемы аналогичен предыдущему.

Схемы одностороннего ограничителя с использованием резистора и диода представлены в соответствии с рисунками 9 и 10.

Рисунок 9

Рисунок 10

Схема двухстороннего ограничителя с использованием резистора и диодов представлена в соответствии с рисунком 11.

Рисунок 11

Если порог ограничения должен быть более долей вольта (от единиц до сотен вольт), ограничитель можно собрать на стабилитронах. Схемы одностороннего ограничителя с использованием резистора и стабилитрона представлены в соответствии с рисунками 12 и 13.

Схема двухстороннего ограничителя с использованием резистора и стабилитронов представлена в соответствии с рисунком 14.

В соответствии с рисунком 15 входной сигнал схемы представлен на верхнем графике, а возможные выходные сигналы, в зависимости от уровней ограничения (Е1, Е2), - на среднем и нижнем графиках.

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14

Рисунок 15

Изменяя величины напряжений Е₁ и Е₂, можно выделить любую часть входного сигнала.

2. Практическая часть

2.1. Изучить теоретическую часть лабораторно-практической работы.

2.2. Запустить на компьютере программу анализа электронных схем.

2.3. Провести исследования процессов в схемах диодных ключей и ограничителей.

2.4. Загрузить для исследования файл 3_0, для чего последовательно нажать клавиши “C”, “Y”, “F”, “1”, “3”, “_”, “0”, “Enter”. Последовательное нажатие клавиш “3”, “_”, “0”, - это имя файла.

2.5. Провести анализ схемы, представленной на экране монитора, для чего последовательно нажать клавиши “A”, “1”, “Y”.

2.6. На экране монитора будут графики процессов, происходящих в схеме, причем на нижнем графике - это входной сигнал, а на верхнем графике - это выходной сигнал. По оси абсцисс указано время в микросекундах (US), а по оси ординат - напряжение в вольтах (В). Напряжения для каждого графика указаны справа по оси ординат.

2.7. Зарисовать эти графики к себе в тетрадь.

2.8. Измерить на графике выходного сигнала положительные Е1 и отрицательные Е2 амплитуды ограничения, используя для примера графики в соответствии с рисунками 2, 5 и 15. Записать данные в тетрадь, используя форму таблицы 1. Если какое-либо ограничение не происходит в данной схеме, то в соответствующей графе ставить прочерк.

Таблица 1

Наименование схемы

Напряжение, В

Схема ограничения

Е1

Е2

2.9. Для выхода из режима анализа схемы и возврата в режим просмотра схемы необходимо нажать клавишу “3”.

2.10. Загрузить для исследования файл 3_1, для чего последовательно нажать клавиши “C”, “Y”, “F”, “1”, “3”, “_”, “1”, “Enter”.

2.11. Повторить пункты 2.5., 2.6., 2.7, 2.8, 2.9.

2.12. Аналогично схеме из файла 3_1 проведите исследование для схем из файлов 3_2 … 3_11. Обратить внимание на то, что в схемах файлов 3_9, 3_10, 3_11 используются стабилитроны.

2.13. Выйти из программы, для чего в режиме просмотра схемы необходимо последовательно нажать клавиши “Q”, “Y”.

2.14. На основании анализа измеренных напряжений и зарисованных графиков для каждой схемы, используя для примера графики в соответствии с рисунками 2, 5 и 15, сделать вывод об ограничении схемой входного сигнала (сверху, снизу) и записать его в таблицу.

3. Контрольные вопросы

3.1. Какое основное свойство диодов используется для применения в качестве коммутируемых приборов?

3.1.1. Миниатюрность исполнения.

3.1.2. Малый вес.

3.1.3. Небольшие габариты.

3.1.4. Нелинейные свойства характеристики.

3.1.5. Стоимость диодов.

3.2. Какие бывают схемы включения диодных ключей в зависимости от способа подключения нагрузки?

3.2.1. Встречно-последовательные.

3.2.2. Встречно-паралельные.

3.2.3. Обратные и прямые.

3.2.4. Инверсные и функциональные.

3.2.5. Последовательные и параллельные.

3.3. Как называют диодный ключ с дополнительным источником напряжения?

3.3.1. Инвертором.

3.3.2. Ограничителем.

3.3.3. Резервным ключом.

3.3.4. Аварийным ключом.

3.3.5. Функциональным ключом.

3.4. В зависимости от назначения выберите верное название ограничителя с одним диодом.

3.4.1. Интегральный.

3.4.2. Дифференциальный.

3.4.3. Обратный.

3.4.4. Прямой.

3.4.5. Односторонний.

3.5. В зависимости от назначения выберите верное название ограничителя с одним диодом.

3.5.1. Интегральный.

3.5.2. Дифференциальный.

3.5.3. Обратный.

3.5.4. Прямой.

3.5.5. Двухсторонний.

3.6. Какой элемент может использоваться в ограничителе кроме диода в качестве коммутирующего?

3.6.1. Конденсатор.

3.6.2. Индуктивность

3.6.3. Стабилитрон.

3.6.4. Разъем.

3.6.5. Проводник.

3.7. Чему равна величина сопротивления идеального диода в открытом состоянии?

3.7.1. Бесконечно велико.

3.7.2. 10000 Ом.

3.7.3. 1000 Ом.

3.7.4. 100 Ом.

3.7.5. Ноль.

3.8. Чему равна величина сопротивления идеального диода в закрытом состоянии?

3.8.1. Бесконечно велико.

3.8.2. 10000 Ом.

3.8.3. 1000 Ом.

3.8.4. 100 Ом.

3.8.5. Ноль.

3.9. Какое название имеет схема, которая не пропускает на выход сигнал ниже определенного уровня?

3.9.1. Ограничитель сверху.

3.9.2. Формирователь уровня.

3.9.3. Блокиратор сигнала.

3.9.4. Коммутатор сигнала.

3.9.5. Ограничитель снизу.

3.10. Какое название имеет схема, которая не пропускает на выход сигнал выше определенного уровня?

3.10.1. Ограничитель сверху.

3.10.2. Формирователь уровня.

3.10.3. Блокиратор сигнала.

3.10.4. Коммутатор сигнала.

3.10.5. Ограничитель снизу.

4. Оформление отчёта

Отчет должен содержать полученные данные в результате выполнения практической части работы и ответы на контрольные вопросы.