Сухов Михаил Юрьевич, канд техн наук, доцент учебно-методический комплекс
| Вид материала | Учебно-методический комплекс |
- Гост 17623-87, 138.94kb.
- Надійності та безпеки в будівництві, 692.13kb.
- Гост 5382-91, 1729.88kb.
- Д. М. Лаковский (руководитель темы); И. В. Колечицкая; С. А. Резник, канд техн наук;, 203.82kb.
- Гост 14637-89: Прокат толстолистовой из углеродистой стали обыкновенного качества Технические, 310.23kb.
- Государственный стандарт союза сср здания и сооружения Методы измерения яркости, 278.78kb.
- Гост 26824-86, 248.28kb.
- Строительные нормы и правила отопление, вентиляция и кондиционирование, 2477.63kb.
- Строительные нормы и правила отопление, вентиляция и кондиционирование сниП 04. 05-91*, 1856.14kb.
- Б. В. Баркалов ), Государственным проектным конструкторским и научно-исследовательским, 2674.7kb.
7. ЭЛЕМЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
Оптоэлектроника – это раздел электроники, в котором изучаются вопросы генерации, передачи и хранения информации на основе совместного использования оптических и электрических явлений. Элементная база:
1. Фотоэлектрические полупроводниковые приборы – преобразователи световой энергии в электрическую.
2. Светодиодные оптоизлучатели– преобразователи электрической энергии в световую.
3. Оптоэлектрические пары (оптопары, оптроны) – приборы для электрической изоляции при передаче информации по световому каналу.
Обратный ток утечки в p-n переходе обусловлен неосновными носителями. Обычно пары электрон-дырка образуются за счет тепловой энергии. Но если на p-n переход падает свет, то это приводит к значительному увеличению концентрации неосновных носителей. Электроны и дырки, освобожденные энергией фотонов, вызывают значительное увеличение обратного тока утечки.
Фотодиод – это p-n переход, помещенный в корпус с прозрачным окном. Обычно такой диод работает со смещением в обратном направлении и типичное значение его тока в темноте равно 1нА. При освещении с интенсивностью 1мВт/см2 ток увеличивается до 1 мкА. Такую интенсивность дает лампа мощностью 60 Вт на расстоянии 30 см.
Фототранзистор – это обычный транзистор с прозрачным окном в корпусе. Когда свет падает на транзистор, в обоих p-n переходах освобождаются неосновные носители, но увеличение фототока дают те из них, которые образуются у смещенного в обратном направлении перехода коллектор-база. Как тепловой ток утечки IКО перехода коллектор-база усиливается транзистором и дает больший ток утечки коллектор-эмиттер, так же усиливается и фототок. Чувствительность фототранзисторов обычно в сто раз выше, чем у фотодиода. Базовый вывод у фототранзистора часто не используется. Светодиоды – это полупроводниковые диоды на основе фосфида галлия и арсенида галлия, которые излучают свет при протекании прямого тока. Обычно прямой ток составляет 5…80 млА и для ограничения его последовательно с диодом включают резистор. Имеются светодиоды с красным, зеленым, желтым и довольно слабым синим свечением. Срок службы светодиодов практически не ограничен. Для индикации цифр на цифровых дисплеях применяют светодиодные индикаторы. Наиболее распространены семисегментные индикаторы.
Оптроны – это приборы, содержащие в одном корпусе оптоизлучатель и фотоприемник, оптически связанные друг с другом. В качестве оптоизлучателя используются светодиоды, работающие в инфракрасном диапазоне излучения. В качестве фотоприемников используются фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Т.к. между приемником и излучателем существует только оптическая связь, это позволяет передавать сигналы при разности потенциалов между приемником и излучателем до нескольких кВ. При этом практически полностью исключаются паразитные емкостные и индуктивные связи в канале передачи информации, поэтому оптический канал связи обладает высокой помехоустойчивостью и надежностью.
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
1. ХАРАКТЕРИОГРАФ
1.1. Назначение
Харктериограф, рассчитан на совместную работу с осциллографом Н3013, предназначен для снятия вольтамперных характеристик полупроводниковых диодов, полевых и биполярных транзисторов малой и средней мощности, тиристоров, резисторов, фоторезисторов и других элементов (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Схема характериографа
1.2. Технические данные стенда
Диапазон изменения напряжения на исследуемом элементе от +30 до -30 В.
Частота изменения напряжения – 50 Гц.
Диапазон регулирования тока смещения от 0 до 15 мА при напряжении до 12 В.
1.3. Устройство и работа стенда
Электрическая схема прибора выполнена на печатной плате, установленной на обратной стороне передней панели.
На лицевой панели расположены:
- переключатели шкалы прибора для изменения предела измерения силы тока по шкале прибора;
- переключатель «Полярность» для изменения полярности напряжения или тока на выходных контактах источника тока смещения;
- переключатель «И1» для включения источника тока смещения;
- переключатель «И2» для включения источника тока прибора;
- переключатель «Кал» для включения режима калибровки;
- переключатель «мА» для изменения масштаба по оси «Y»;
- переключатель «Плюс» для изменения напряжения на исследуемом элементе от 0 до + 30 В;
- переключатель «Минус» для изменения напряжения на исследуемом элементе от 0 до - 30 В;
- переключатель «Инверсия Y» для перемещения графика относительно оси «Y»;
- переключатель «Инверсия Х» для перемещения графика относительно оси «Х»;
- ручки регуляторов источника тока смещения и источника тока прибора;
- микроамперметр для измерения тока смещения исследуемого элемента;
- разъём для подключения блока исследуемых полупроводниковых приборов.
Характериограф, схема которого приведена на рис. 1.1, состоит из двух функционально обособленных узлов: источника тока и источника тока смещения исследуемого элемента, подключаемого к контактам «ХS3», «ХS5».
Напряжение на источники тока подаётся с клемм вторичных обмоток трансформаторов блока многофазного трансформатора (МТ) универсального лабораторного стенда.
Источник тока смещения состоит из выпрямителя VD1, который питает параметрический стабилизатор R1, VD2; регулятора тока смещения R2; шунтов R4, R5; микроамперметра PА1; переключателей шкалы прибора S2 и полярности S3.
Постоянное напряжение поступает на электроды исследуемого элемента через резистор R3, микроамперметр PА1, переключатель полярности S3 и контакты ХS3, ХS5. Резистор ограничивает ток в цепи, а микроамперметр PА1 измеряет этот ток. Переключатель S2, резистор R3 и микроамперметр можно зашунтировать резисторами R4 или R5 для изменения предела измерения силы тока по шкале прибора PА1.
Источник тока исследуемого элемента состоит из ограничительного резистора R6, диодов VD3, VD4, определяющих полярность напряжения на исследуемом элементе, регулятора амплитуды напряжения R7, стабилитронов VD5, VD6, используемых для калибровки, резисторов R8, R9, используемых в качестве датчиков тока, переключателей S5 - S8, используемых для калибровки и работы прибора.
При замкнутых контактах переключателя S5 напряжение на исследуемом элементе изменяется с частотой 50 Гц от 0 до + 30 В, при замкнутых контактах только переключателя S6 – от 0 до – 30 В. Если замкнуты контакты обоих переключателей, то напряжение на исследуемом элементе изменяется от + 30 до - 30 В.
1.4. Подготовка устройства к работе
Установите органы управления в следующее положение:
- ручки регуляторов источника тока смещения и источника тока прибора – в крайнее левое;
- все кнопки переключателей – отпущены.
Соедините две вторичных обмотки одной из фаз блока МТ с контактами ХS1, ХS2 (см. рис. 1.1), расположенными в нижней части лицевой панели осциллографа.
Включите автоматический выключатель блока защитной аппаратуры универсального стенда, обеспечивающий подачу трёхфазного напряжения 380 В к блоку МТ.
1.5. Подготовка осциллографа к работе
Установите органы управления в следующее положение:
- «Яркость» – против часовой стрелки до отказа;
- «Фокус» – в среднее положение;
- «Х» и «Y» - против часовой стрелки до отказа;
- кнопки «Разв.», «Синхр.», «1Н – 10 кН» - отпущены.
Включите тумблер «Сеть».
Через 2 – 3 минуты, после включения отрегулируйте яркость и фокусировку ручками «Яркость» и «Фокус». Если луча не будет на экране при максимальной яркости, то ручками ↨ и ↔ переместите луч в желаемую точку экрана.
1.6. Калибровка осциллографа по напряжению и току
Включите переключатель «И2», «Минус», «Кал». Ручку регулятора источника тока прибора установите в крайнее правое положение. Ручками «Y Плавно», «Y Грубо», «Х Плавно» «Х Грубо», а если потребуется, то и ↨, ↔ добейтесь того, чтобы осциллограмма, представляла собой обратную ветвь характеристики стабилитрона. Осциллограмма должна находится в удобной для калибровки части экрана осциллографа, при этом длина горизонтальной линии графика будет соответствовать напряжению 10 В, а вертикальной – 1 мА или 10 мА (переключатель «МА» включен).
По данным значениям напряжения и тока и числу делений масштабной сетки, которое им соответствует, определяется чувствительность осциллографа по оси «Х», «Y». Рекомендуемая чувствительность при исследовании полупроводниковых приборов приведена в таблице 1.1.
После окончания калибровки выключите переключатели «И2», «Минус», «Кал», ручку регулятора источника тока прибора установите в крайнее левое положение.
Таблица 1.1
Рекомендуемая чувствительность при исследовании полупроводниковых приборов
| Работа | Чувствительность по оси | |
| Х, В/дел | Y, мА /дел | |
| Исследование полупроводниковых диодов | 0,2 - 5 | 0,4 - 4 |
| Исследование тиристора | 5 | 0,5 |
| Исследование входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ, ОБ | 0,2 | 0,4 |
| Исследование выходных характеристик транзистора, включенного по схеме ОЭ, ОБ | 2 - 4 | 2 - 4 |
1.7. Лабораторная работа 1. Исследование полупроводниковых
диодов
1.7.1. Цель работы
Снятие вольтамперных характеристик германиевого и кремниевого диода, стабилитрона, определение их параметров по характеристикам.
1.7.2. Порядок проведения лабораторной работы
- подключите исследуемый диод в блоке диодов;
- вставьте в разъём прибора блок диодов;
- включите переключатель «И2»;
- включите переключатель «Плюс», если необходимо получить прямую ветвь вольтамперной характеристики;
- включите переключатель «Минус», если необходимо получить обратную ветвь вольтамперной характеристики;
- включите переключатель «Плюс», «Минус», если необходимо получить обе ветви характеристики;
- ручкой регулятора источника тока прибора установите необходимое напряжение или ток;
Окончив исследование, установите ручки переключателей и регулятора в исходное положение.
1.8. Лабораторная работа 2. Исследование тиристоров
1.8.1. Цель работы
Снятие вольтамперных характеристик тиристора, определение его параметров по характеристикам.
1.8.2. Порядок проведения лабораторной работы
- управляющий электрод, анод и катод тиристора подключите соответственно к контактам ХS1, ХS2, ХS3 тиристорно-транзисторного блока;
- вставьте в разъём прибора тиристорно-транзисторный блок;
- включите переключатель «Плюс», если необходимо получить прямую ветвь вольтамперной характеристики;
- включите переключатель «Минус», если необходимо получить обратную ветвь вольтамперной характеристики;
- включите переключатель «Плюс», «Минус», если необходимо получить обе ветви характеристики.
Положение переключателей «Предел шкалы прибора» и положение регуляторов источника тока смещения и источника тока прибора устанавливают опытным путём.
Окончив исследование, установите ручки переключателей и регуляторов в исходное положение.
1.9. Лабораторная работа 3. Исследование транзисторов
1.9.1. Цель работы
Снятие вольтамперных характеристик транзисторов, определение их параметров по характеристикам.
1.9.2. Порядок проведения лабораторной работы
- подключите исследуемый транзистор в тиристорно-транзисторном блоке согласно таблице 1.2.
- вставьте в разъем характериографа транзисторно-тиристорный блок;
- положение переключателей характериографа установите согласно таблице 1.2;
- включите переключатель И1,И2;
- ручками регуляторов источника тока смещения и источника тока характериографа установите необходимые напряжение и ток. Получите вольтамперную характеристику исследуемого транзистора.
Окончив исследование, установите ручки переключателей и регуляторов в исходное положение.
Таблица 1.2
Рекомендуемые способы подключения транзистора
| Тип структуры транзистора | Положение переключателей характериографа | Коммутация контактов тиристоро-транзисторного блока | |||||||||
| Пол. | + | - | Инверсия | ХS1 | ХS2 | ХS3 | |||||
| У | Х | ОБ | ОЭ | ОБ | ОЭ | ОБ | ОЭ | ||||
| p - n - p | Вкл. | Откл. | Вкл. | Вкл. | Вкл. | К/Э | К/Б | Э/К | Б/К | Б | Э |
| n - p - n | Откл. | Вкл. | Откл. | Откл. | Откл. | ||||||
Примечание:
1. Слева от косой черты обозначения для исследования входных характеристик транзистора, включенного по схеме ОБ, ОЭ.
2. Справа от косой черты обозначения для исследования выходных характеристик транзистора, включенного по схеме ОБ, ОЭ.
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ И ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Методические указания разработаны в соответствии с рабочей программой для дисциплины «Электроника», составленной в соответствии с государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог».
Цели выполнения курсовой работы следующие:
а) закрепить теоретические сведения и увязать их с практическими задачами;
б) ознакомиться с методикой расчета электронных устройств на современной элементной базе и с возможностями применения в расчетах ЭВМ;
в) выработать практические навыки выполнения расчетов принципиальных электрических схем электронных устройств.
В курсовой работе должна быть рассчитана принципиальная схема электронного устройства, тип и исходные данные которого определяются заданием. Должен быть сделан анализ перегрузочной способности силового полупроводникового прибора.
1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Выполнение курсовой работы является завершающим этапом изучения дисциплины и связано с вопросами применения полупроводниковых приборов в схемах однофазных регуляторов мощности.
Исходные данные к расчету берутся из таблицы 1.1, 1.3 по последней цифре индивидуального шифра студента и из таблицы 1.2, 1.4 по предпоследней цифре шифра. Результаты оформляется в виде расчетно-пояснительной записки, к которой прилагается необходимый графический материал. Курсовая работа должна быть подписана исполнителем. Работа, выполненная по варианту, не соответствующему шифру студента, не проверяется и зачету не подлежит.
Пояснительная записка должна содержать:
1) титульный лист;
2) оглавление;
3) исходные данные к работе;
4) введение;
5) основную часть работы;
6) заключение;
7) список использованных источников.
В записке должна быть полная принципиальная схема устройства с указанием элементов принципиальной схемы. Пояснительная записка должна быть набрана на ПЭВМ на листах формата А4 и сброшюрована. Текст записки необходимо разбить на разделы и подразделы и озаглавить [3].
При расчетах следует приводить принципиальные схемы с необходимыми исходными данными и характеристиками элементов (параметрами и вольтамперными характеристиками диодов, транзисторов, микросхем и т.п.). Формулы, по которым производится расчет, должны приводиться полностью, с пояснением входящих в них величин [3]. При подстановке числовых значений необходимо указывать их в единицах системы СИ: в вольтах - В; амперах - А; генри - Гн; фарадах - Ф; омах - Ом и т.д. Окончательный результат должен быть вычислен с точностью до трех значащих цифр и приведен с размерностью (мкФ, к0м, мА, В и т.п.). Рассчитанные величины резисторов и конденсаторов (элементов схем) должны быть заменены ближайшими номинальными значениями, для них должен быть выбран тип элемента в соответствии с приложенным напряжением (для конденсаторов) и рассеиваемой мощностью (для резисторов).
1.1. Задание на курсовую работу
1. По исходным данным, приведенным в таблицах 1.1, 1.2, 1.3 требуется:
- рассчитать полупроводниковую схему управления тиристорным силовым однофазным ключом регулятора мощности;
Таблица 1.1
| Последняя цифра учебного шифра | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Схема силового однофазного ключа | Тиристор – диодный мост | Тиристор – диод | Два тиристора – два диода | Тиристор – тиристор | ||||||
| Угол управления , эл. град. | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | |||||
Таблица 1.2
| Предпоследняя цифра учебного шифра | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Напряжение питания схемы управления, В | 5 | 7 | 9 | 12 | 15 | 18 | 20 | 22 | 24 | 27 |
- выполнить полную схему регулятора мощности и описать его работу;
- построить временные диаграммы работы регулятора мощности для заданного режима.
2. Рассчитать рабочие перегрузки полупроводникового прибора с охладителем при заданной температуре охлаждающей среды, скорости охлаждающего воздуха, предназначенного для роботы в схеме силового однофазного ключа регулятора мощности, и построить семейство перегрузочных характеристик для предварительной нагрузки, равной значениям 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 максимально допустимого среднего тока полупроводникового прибора и длительности перегрузки, равной значениям 0,1; 1,0; 10; 100 с. Результаты расчёта представить в виде таблиц и графиков.
Исходные данные к расчету берутся из таблиц 1.3, 1.4. Для расчета рабочих перегрузок из таблицы 1.3 выбирается полупроводниковый прибор, отмеченный звездочкой «*».
Таблица 1.3
| Последняя цифра учебного шифра | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Тип полупровод-никового прибора | Т253-1250; Д143-630* | Т253-1000; Д133-500* | Т153-800*; Д133-400 | ТБ253-1000; Д143-1000* | ТБ153-800*; ДЛ153-1600 | Т253-800; Д253-1600* | Т153-630*; Д143-630 | ТБ253-800; Д143-800* | ТБ153-630* | Т253-1250* |
Таблица 1.4
| Предпоследняя цифра учебного шифра | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Температура охлаждающей среды, ◦С | 0 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 0 |
| Скорость охлаждающего воздуха, м/с | 0 | 3 | 6 | 12 | 0 | 3 | 6 | 12 | 0 | 3 |
2. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ
РАБОТЫ
2.1. Расчет схемы управления тиристорными ключами
Правильный выбор схемы управления и ее точный расчет в большой степени определяют долговечность и надежность тиристорного регулятора.
При расчете схемы управления тиристорами учитывают требования, определяемые параметрами проектируемой системы и физикой работы самих тиристоров.
2.1.1. Требования, определяемые параметрами системы
Диапазон управления определяется пределами регулирования выходного напряжения регулятора и схемой силового ключа. В общем случае максимальный диапазон регулирования
, (2.1)где
- идеальный диапазон регулирования схемы управления, определяемый периодом следования синхроимпульсов; 
— угол коммутации тиристора; 
— угол восстановления тиристора; 
— наибольшее допустимое значение асимметрии управляющих импульсов.Для полного использования тиристоров диапазон управления должен быть максимальным. Однако это требование усложняет проектирование системы управления.