МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА” ДОСЛІДЖНЕННЯ СХЕМИ ОБМЕЖУВАЧІВ АМПЛІТУДИ НА ДІОДАХ І КРЕМНІЄВИХ СТАБІЛІТРОНАХ. ІНСТРУКЦІЯ до лабораторної роботи №2 з курсу "ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ" для студентів спеціальності 7.0914.02 "Комп’ютеризовані системи управління і автоматики" усіх форм навчання Затверджено на засіданні кафедри "Автоматика і телемеханіка" Протокол № від Львів-2000 Дослідження обмежувача амплітуди на діодах і кремнієвих стабілітронах з курсу "Елементи дискретних пристроїв автоматики" для студентів спеціальності “Комп’ютеризовані системи управління і автоматики” усіх форм навчання / Укл. В.Б.Дудикевич, В.М.Максимович, О.С.Вітер. - Львів: ДУЛП, 2000. - с. Укладачі: В.Б.Дудикевич, докт. техн. наук, проф.,В.М.Максимович, канд. техн. наук, доц.,О.С.Вітер, ст. викл. Відповідальний за випуск: І.М.Ковела, к.т.н., доц. Рецензенти: З.Р.Мичуда , З.М.Стрілецький кандидати техн. наук, доценти МЕТА РОБОТИ Метою роботи є ознайомлення з практичними схемами схеми обмежувачів амплітуди на діодах і кремнієвих стабілітронах ,а також вивчення роботи обмежувачів і вплив параметрів схем на форму обмеженої напруги. ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП Обмежувачем називається схема , напруга на виході якої повторює форму вхідної напруги до певного значення Eобм ,який називається рівнем,обме- ження після якого вихідна напруга не залежить від вхідної напруги і залишається постійною. В пристроях імпульсної техніки обмежувачі застосовуються в схемах форму- вання напруги імпульсів майже прямокутної форми із синусоїдної напруги, селекції імпульсів по амплітуді і полярності , обмеження максимального значення амплітуди імпульсів, для отримання пікоподібних або прямокутних імпульсів малої тривалості із пікоподібних імпульсів великої тривалості. Принцип роботи діодних обмежувачів заснований на використанні власти- востей односторонньої провідності діодів.В залежності від схеми включення і режиму , в якому застосовують напівпровідниковий прилад або електронну лампу , розрізняють три види обмеження: Обмеження зверху , при якому вихідна напруга залишається постійною після наростання вхідної напруги понад поріг обмеження (рис. 1а). б) Обмеження знизу , при якому вихідна напруга залишається постійною після зменшення вхідної напруги нижче порогу обмеження (рис. 1б). в) Двостороннє , при якому обмеження відбувається зверху і знизу (рис.1в). Послідовний діодний обмежувач. На рис.2а,б приведені схеми послідовного обмежувача зверху і знизу.Під час додатнього півперіоду вхідної напруги діод відкритий і його внутрішній опір при цьому малий.Опір навантаження Rн вибирається в межах Rн>>Rд.пр Тому всі вхідні напруги виділяються на опорі Rн майже повністю, повторю- ючи форму вхідної напруги. Uвих=Um

=
так як
<<1 , то Uвих(Um При від’ємній півхвилі синусоїдної напруги діод закривається , і розмах від’ємної півхвилі буде рівний Uвих(=
=
так як
>>1 , то Uвих-<<Um В багатьох випадках величину опору навантаження можна визначити як середнє геометричне між Rд.пр. i Rд.об. : Rн=Rд.пр
. = Rд.пр
, де К=
К(104 ( 105 При роботі на високих частотах або з імпульсами , які мають крутий фронт , слід враховувати вплив паразитних ємностей схеми .До них відносяться прохідна ємність Спрох і вихідна ємність, яка складається з ємностей навантаження Сн і монтажу См , Сп= См + Сн .Особливо сильний вплив паразитних ємностей проявляється при закритому діоді, коли його опір є великий , тобто уторюється інтегруюча ланка з опором Rд.об. і ємності Сn . Тому зріз імпульса спотворюється більше , коли діод закритий. Якщо задана допустима тривалість зрізу вихідного імпульсу tc. , то обчислене попередньо значення опору навантаження Rн слід пере- вірити за формулою: Rн
Обмежувач зображенний на рис. 2а пропускає на вихід сигнали до- датньої полярності. Для виділення від’ємних значень вхідного сигналу необхідно змінити полярність включення діоду ( рис. 2б ). Розглянуті вище схеми обмежують вхідний сигнал на рівні , який відповідає нульовій лінії. При необхідності зміни рівня обмеження в схему вводять джерело постійного зміщення Eзм. ( рис. 3а ). В цій схемі на діод діє алгебраїчна сума напруг Um + Eзм. , тобто діод відкривається тільки тоді , коли додатнє миттєве значення вхідної напруги перевищить величину Eзм. : Um > Eзм. . При Um < Eзм діод закритий . На рис. 3б представлена така ж схема обмежувача , але з іншою полярністю вклю- чення джерела зміщення. Для двостороннього обмеження застосовується схема з двокаскадним включенням діодів (рис. 3в). При подачі на вхід такої схеми синусоїдальної напруги на виході одержують біполярні прямокутні імпульси. При |Eзм1| = |Eзм2| , повний розмах вихідних імпульсів Uвих = 2Езм . Паралельні діодні обмежувачі. Схеми паралельних діодних обмежувачів зверху і знизу , а також часові діаграми , які ілюструють їх роботу приведені на рис. 4а,б,в причому величина обмежуючого опору Rобм. вибирається в межах Rд.пр. << Rобм. < Rн. , а значення опору навантаження Rд.пр. << Rн. < Rд.об. . При подачі на вхід схеми імпульсу додатньої полярності з амплітудою Um розмах напруги на виході складе : Uвих.=
де
, а так як Rд.пр. << Rн , то Re ( Rд.пр. тобто Uвих+ =
Отже обмежувач буде шунтувати додатні імпульси , не пропускаючи їх на вихід.В цьому випадку відкритий діод закорочує вхід схеми . При від’ємній полярності імпульса діод закриється і розмах напруги на виході буде рівний : Uвих.--=
Для зменшення паразитного сигналу на виході корисно збільшити Rобм. . Але Rобм. разом з паразитною ємністю утворює інтегруючий контур і якщо фронти вхідних імпульсів повинні мати тривалість tф , то опір Rобм. вибирають з умови : R
Якщо потрібно пропускати на вихід імпульси додатньої полярності , слід змінити полярність включення діода. Для зміни рівня обмеження включають додаткове джерело опорної напруги Eзм. (рис. 4в). Двосторонній діодний обмежувач представляє собою об’єднання двох схем паралельних діодних обмежувачів , які працюють на одне спільне навантаження ( рис. 6 ). Для схеми обмежувачів , які працюють на низьких частотах і зі значеннями амплітуд 100 ( 300 В застосовуються площинні діоди типу Д206 – Д211 , Д7 , Д217 , Д218 , Д226 для більш вищих частот застосо- вують діоди типу Д2 , Д9 , Д11 , Д14 , Д101 – Д106. Обмежувачі на кремнієвих стабілітронах. Обмежувачі на одному або декількох , послідовно включенних кремнієвих стабілітронах , застосовують для обмеження однополярного сигналу . Для симетричного обмеження знакозмінного вхідного сигналу необхідне зустрічне включення стабілітронів. На рис. 7а , б , в приведені схеми , характеристики і форми вхідних і вихідних напруг паралельних обмежувачів на кремнієвих стабілітронах. Обмеження додатнього імпульса зверху на рівні Eб. ( рис. 7а ) відбувається тоді коли вхідна напруга , прикладена до стабілітрона , досягає цього рівня і опір стабілітрона різко падає . При подальшому збільшенні вхідної напруги струм через стабілітрон і падіння напруги на резисторі Rобм. будуть збільшуватись , а вихідна напруга , яка знімається зі стабілітрона , лишається незмінною і рівною Ео . Для обмеження від’ємного імпульса знизу на рівні Ео необхідно змінити полярність включення стабілітрона ( рис. 7б ) . Для обмеження знизу і зверху застосо- вують паралельний двосторонній обмежувач ( рис. 7а ). Схеми послідовних обмежувачів на кремнієвих стабілітронах приведені на рис. 8а , б, в . На відміну від схем паралельних обмежувачів , які обмежують вершини імпульсів , в схемах послідовних обмежувачів відбу- вається обмеження основи імпульса . Поєднання схем паралельного і послідовного обмежувачів на кремнієвих стабілітронах дозволяє обмежувати вершину і основу вхідного сигналу , пропустивши на вихід тільки його середню частину ( рис. 9 ) . Обмежувачі на кремнієвих стабілітронах дозволяють отримати чітке обмеження оскільки динамічний опір стабілітрона дуже малий . Недоліки кремнієвих стабілітронів заключаються у великій власній ємності стабілі- тронів ( 80 ( 150 пФ ) , що ускладнює їх застосування для обмеження коротких імпульсів , а також складність регулювання рівнів обмеження . Опис лабораторної установки . Дослідження діодних обмежувачів проводиться на лабораторному столі , де встановлені слідуючі прилади . 1. Макет діодних обмежувачів , на якому збираються досліджувані схеми. 2. Набір монтажних провідників . 3. Звуковий генератор , який використовується в якості джерела напруги, яку треба обмежити . 4. Блок живлення для подачі опорної напруги . 5. Осцилограф . Структурна схема дослідження діодних обмежувачів приведена на рис . 3. ЗМІСТ РОБОТИ 1. По завданню викладача розрахувати схему послідовного обмежувача . 2. Ознайомитись з лабораторною установкою . 3. Скласти структурну схему дослідження . 4. Скласти схему послідовного діодного обмежувача знизу на нульовому рівні , включити прилади в мережу і подати напругу на обмежувач . 5. Отримати на екрані осцилографа осцилограму напруги з частотою порядку 1000 Гц . Замалювати отриману осцилограму . 6. Подати синусоїдальну напругу на обмежувач . Підключити осцилограф до виходу обмежувача і отримати осцилограму обмеженої напруги .В даному випадку обмеження здіснюється знизу на нульовому рівні . 7. Змінити полярність включення діода Д на зворотню , отримати осцилограму вихідної напруги і замалювати її . В даному випадку обмеження здійснюється зверху на нульовому рівні . 8. Включити діод Д в прямому напрямку . Включити джерело постійної напруги Е . Встановлюючи почергово , наприклад Е = 10 , 20 , 30 В , замалювати осцилограми отриманих напруг . У випадку використання інших діодів величини опорних напруг треба підбирати в залежності від їх типів . В даному випадку обмеження здіснюється знизу на додатньо- му рівні . 9. Скласти схему досліджуваного діодного обмежувача зверху на додатньому рівні , включивши діод Д в оберненому напрямку . Замалювати осцилограми напруг на виході обмежувача при трьох значеннях опорної напруги . 10. Скласти схеми послідовного діодного обмежувача на від’ємному рівні знизу і зверху і повторити виконані дії в п. 6 і 7 . Паралельне діодне обмеження . По завданню викладача розрахувати схему паралельного обмежувача. Скласти схему паралеьного діодного обмеження на додатньому рівні зверху і знизу і повторити виконані дії в п. 6 і 7 . 3. Скласти схему паралеьного діодного обмеження на від’ємному рівні зверху і знизу і повторити виконані дії в п. 6 і 7 . Двостороннє обмеження . Скласти схему двостороннього діодного обмеження і отримати обмеження синусоїдальної напруги з двох сторін . Замалювати осцилограму напруги на виході схеми . Опорна напруга вибирається в залежності від типу діодів , що використовуються . Контрольні запитання . Які пристрої називаються обмежувачами ? Для чого застосовують діодні обмежувачі ? Накреслити схему послідовних діодних обмежувачів і пояснити призначення роботи елементів схеми . Пояснити роботу схеми послідовного діодного обмежувача . Як змінюють поріг обмеження ? Накреслити схему паралельного діодного обмежуавча і пояснити призначення елементів схеми . Яке співвідношення між величинами повинне бути в схемі паралельного діодного обмежувача ? Накреслити схему двостороннього діодного обмежувача і пояснити призначення елементів схеми . Пояснити роботу двостороннього діодного обмежувача . Прослідкувати шляхи і напрямки струмів в схемах діодних обмежувачів . 4. ВКАЗІВКИ ДО ЗВІТУ Звіт повинен містити : Назву і мету роботи . Технічне завдання . Структурну схему досліджень . Досліджувані схеми діодних обмежувачів . Осцилограми напруг на вході і на виході досліджуваної схеми . Короткі висновки по роботі . Приклад розрахунку схеми . 1.Рохрахувати обежувач з діодом Д 9 по схемі 2а . Параметри діода: Rд.пр. ( 10 Ом , Rд.об. ( 0,1 Мом . Вхідна напруга – синусоїда з амплітудою 5 В . Визначаєм Rн : Rн=
ком Амплітуда додатньої півхвилі
2. Розрахувати обмежувач з діодом Д 9Б по схемі на рис. 5 Дано : Rд.пр. ( 10 Ом , Rд.об. ( 0,1 Мом , Um=5В tф=10 мксек , Cп ( 25 пФ , Спрох ( 1 пФ Визначаєм Rобм. по формулі
Приймаєм Rобм. = 150 кОм Амплітуда додатньої півхвилі
Амплітуда від’ємної півхвилі
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ Л .М . Гольденберг . Теорія і розрахунок імпульсних пристроїв на напівпровідникових приладах . Видавництво “Зв’язок” Москва , 1972 . А . Н. Старостін . Імпульсна техніка . Видавництво “Вища школа” , Москва , 1973 . Л . М . Гольденберг . Імпульсні і циірові пристрої . Видавництво “Зв’язок” , Москва , 1973 . В . Ю . Лавриненко . Довідник по напівпровідникових приладах . Видавництво “Техніка” , Київ , 1973 . Схеми паралельних обмежувачів на діодах і кремнієвих стабілітронах Схеми послідовних обмежувачів на кремнієвих стабілітронах