Dioden – Gleichrichtung und Stabilisierung
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Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Praktikum für Messtechnik u. Elektronik Semester: Prof. Dr.-Ing. Heckmann Name: Gruppe: Fach: BME, MME Matr. Nr.: Datum: Versuch 2 Testat: Dioden – Gleichrichtung und Stabilisierung 1. Einleitung Halbleiterdioden werden in elektronischen Schaltungen an vielen Stellen eingesetzt. Neben typischen Anwendungen gibt es eine Vielzahl von Sonderanwendungen. So werden Dioden in integrierten Schaltungen mit ihrer temperaturabhängigen Durchlassspannung als Temperaturmesser verwendet, in Tunern oder Modulatoren dienen Kapazitätsdioden als steuerbare Kapazitäten und der Fotoeffekt ermöglicht in Fotodioden die Umsetzung von Lichtleistung in einen proportionalen Fotostrom. In diesem Versuch sollen 2 typische Anwendungen von Dioden simuliert werden: Im ersten Teil des Versuches werden Dioden in Gleichrichterschaltungen untersucht. Hierbei ist zunächst ein Netzteil mit einem Einweggleichrichter zu simulieren und der Einfluss des Ladekondensators auf die Ausgangsbrummspannung zu untersuchen. Anschließend ist in einem Netzteil bei einem Brückengleichrichter die Strombelastung der Dioden und erneut die Brummspannung zu ermitteln. In Teil 2 des Versuches soll die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters mit Hilfe von Zenerdioden stabilisiert werden. Die Schaltung ist für einen vorgegebenen Lastwiderstand auszulegen und die simulierte Stabilisierung mit Datenblattangaben zu vergleichen. 1. Gleichrichtung 1.1. Einweggleichrichtung Zunächst soll ein Netzteil mit einem Einweggleichrichter simuliert werden. Das Netzteil besteht aus einem Netztransformator, dem Gleichrichter und einem Ladekondensator. Mit dem Netztransformator wird eine Wechselspannung Unetz mit einer Amplitude von 10 V erzeugt. Berechnen Sie den Effektivwert der Wechselspannung Unetz des Transformators. Effektivwert der Wechselspannung Unetz: .............. Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 1 Das Netzteil ist gemeinsam mit einem Lastwiderstand R L in Bild 1 dargestellt. Geben Sie Schaltung von Bild 1 ein. Bild 1: Netzteil mit Einweggleichrichter, variablem Ladekondensator CL und Lastwiderstand RL Die Spannungsquelle VSIN in Bild 1 erzeugt die Spannung Unetz. Wählen Sie die Parameter der Spannungsquelle VSIN wie folgt: VOFF = 0V, VAMPL = 10V, FREQ = 50Hz. Variieren Sie die Kapazität von CL wie folgt: Start 100F; End 500F; Increment 200F. Hierzu ist der Kondensator Cbreak aus „Get New Part“ aufzurufen. Cbreak ist anschließend in der Schaltung anzuklicken und Value auf 1 zu setzen. Bild 2 und 3: Einstellungen für die Variation der Kapazität CL Unter „Setup Analysis“ und „Parametric“ kann der Variationsbereich für die Kapazität eingestellt werden. Führen Sie eine Transientenanalyse über einen Zeitbereich von 50ms durch und stellen Sie die Spannung Unetz und die Gleichspannung UGL am Lastwiderstand RL = 170 dar (siehe Bild 1 und Bild 4). Bestimmen Sie die größte vorkommende Gleichspannung UGL = UGLmax.. Warum ist die Spannung UGLmax. kleiner als die Amplitude der Wechselspannung Unetz? ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 2 Bild 4: Typisches Simulationsergebnis des Netzteils mit Einweggleichrichter Messen Sie die Brummspannung UBR für jeden der 3 Kapazitätswerte des Ladekondensators. Die Brummspannung UBR ergibt sich aus der Differenz der maximalen und der minimale Gleichspannung U GLmax – UGLmin. Tragen Sie die Werte in die mittlere Spalte der folgenden Tabelle ein. Ladekondensator CL: Kapazitäten Brummspannungen UBR (Simulation) Brummspannungen UBR (Abschätzung) 100F 300F 500F Schätzen Sie die Brummspannung UBR mit der folgenden Gleichung ab: UGLmin = UGLmax * e - ( t / RLCL) Nehmen Sie für die Abschätzung an, dass der Ladekondensator C L den Strom für den Lastwiderstand RL über die gesamte Periodendauer (T = 1/50Hz = 20ms) erzeugt. Tragen Sie die berechneten Werte in die rechte Spalte der Tabelle ein und vergleichen Sie die Werte der Simulation und der Abschätzung. Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 3 1.2. Zweiweg- oder Brückengleichrichtung In diesem Teil des Versuches soll ein Brückengleichrichter im Netzteil untersucht werden. Im Netzteil soll derselbe Netztransformator wie bei der Einweggleichrichtung eingesetzt werden. Geben Sie die Schaltung nach Bild 5 ein. Bild 5: Netzteil mit Brückengleichrichter, Ladekondensator CL und variablem Lastwiderstand RL Variieren Sie den Lastwiderstand RL wie folgt: Start 20; End 270; Increment 50. Hierzu ist der Widerstand Rbreak aus „Get New Part“ aufzurufen. Rbreak ist anschließend wieder in der Schaltung anzuklicken und Value auf 1 zu setzen. Im Menu „Parametric“ von Bild 3 ist CAP durch RES, Cbreak durch Rbreak und C durch R zu ersetzen. Führen Sie erneut eine Transientenanalyse über eine Zeit von 50ms durch und stellen Sie die Gleichspannung am variablen Widerstand RL sowie die Spannung Unetz = Unetz1-Unetz2 dar (siehe Bild 5 und Bild 6 unten). Bild 6: Typisches Simulationsergebnis des Netzteils mit Brückengleichrichter Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 4 Warum ist die Spannung UGLmax. kleiner als bei der Einweggleichrichtung? ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Warum ist die Brummspannung UBR = UGLmax. - UGLmin kleiner als bei der Einweggleichrichtung? ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Suchen Sie die Ströme durch die Diode D1 und D2 in den Simulationsergebnissen und stellen Sie die Ströme wie in Bild 6 oben gezeigt dar. Wählen Sie hierzu im Probe-Menu unter „Plot“ „Add Plot to Window“. Warum ist der erste Pulsstrom durch die Diode D1 höher als die weiteren Pulsströme und warum ist der Stromfluss jeweils auf einen kurzen Zeitraum begrenzt? ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Vergrößern Sie den Ladekondensator von 500F auf 5000F und führen Sie eine weitere Transientenanalyse über einen Zeitbereich von 50ms durch. Tragen Sie für den Lastwiderstand RL=20 die Stromspitzenwerte des 1. Strompulses und der weiteren Strompulse in die folgende Tabelle ein. Tragen Sie in die Tabelle ebenfalls den maximal zulässigen Strom laut Datenblatt ein. Lastwiderstand RL = 20 Maximale Pulsströme Maximal zulässige laut Simulation Pulsströme laut Datenblatt 1. Pulsstrom durch die Diode D1 Weitere Pulsströme durch die Dioden Prüfen Sie, ob der Betrieb der Dioden in der vorliegenden Schaltung zulässig ist. Vergleichen Sie hierzu den Höchstwert des ersten Stromimpulses mit den Angaben des anliegenden Datenblattes der Diode 1N4002. Der Betrieb der Diode 1N4002 ist (nicht) zulässig, weil ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Vergleichen Sie die Werte der weiteren Pulsströme mit den Angaben im Datenblatt. Der Betrieb der Diode 1N4002 ist (nicht) zulässig, weil ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 5 2. Stabilisierung Bei dem Netzteil mit Brückengleichrichter und Ladekondensator CL = 500F (Punkt 1.2) soll jetzt die Ausgangsspannung zusätzlich mit 2 Zenerdioden 1N750 stabilisiert werden. Zunächst müssen hierzu die Eigenschaften der Zenerdiode ermittelt werden. Simulieren Sie die Kennlinie der Zenerdiode 1N750 mit der Schaltung aus Bild 7. Bild 7 und 8: Kennlinie der Zenerdiode Wählen Sie im „Analysis Setup“ „DC-Sweep“ aus und verwenden Sie die Parameter aus Bild 8. Bestimmen Sie aus der ermittelten Kennlinie den dynamischen Widerstand rD der Zenerdiode bei einem Strom von 20mA. Benutzen Sie hierzu die beiden Cursor und vergleichen Sie zur Bestimmung von rD beispielsweise die Spannungen zu den Strömen 15mA und 25mA. Dynamischer Widerstand rD der Diode 1N750 Wert laut Simulation Maximaler Wert laut Datenblatt Verwenden Sie bei den weiteren Untersuchungen nicht den maximalen (worst case) Wert von rD aus dem Datenblatt, sondern den Wert laut Simulation. Vergrößern Sie in der Schaltung von Bild 9 die vom Netztransformator erzeugte Amplitude der Wechselspannung Unetz von 10V auf 20V. Wie groß wird die maximale Gleichspannung UGLmax. näherungsweise sein, wenn Sie die Ergebnisse aus Punkt 1.2 berücksichtigen? UGLmax (geschätzt): ..............V Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 6 Geben Sie die Schaltung nach Bild 9 ein. Mit dem beiden Zenerdioden soll eine stabile Lastspannung UL von 9-10V erzeugt werden. Dimensionieren Sie den Widerstand R1 mit Hilfe der geschätzten Spannung U GLmax so, dass gerade der maximale Diodenstrom laut Datenblatt erreicht wird, wenn der Lastwiderstand R L große Werte annimmt oder fehlt. R1: ................. Bild 9: Brückengleichrichter mit Ladekondensator CL und Zenerstabilisierung Führen Sie eine Transientenanalyse über einen Zeitbereich von 50ms durch und bestimmen Sie die Brummspannungen UBRV = UGLmax. - UGLmin vor der Stabilisierung und UBRN = ULmax. - ULmin nach der Stabilisierung. Berechnen Sie den Stabilisierungsfaktor UBRV / UBRN. Tragen Sie die Werte in die nachfolgende Tabelle ein. Brummspannung UBRV: ................. Brummspannung UBRN / Stabilisierungsfaktor UBRV / UBRN Werte laut Simulation Werte laut Rechnung UBRN UBRV / UBRN Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild (KESB) der Stabilisierungsschaltung: Berücksichtigen Sie im KESB die Brummspannung UBRV als Spannungsquelle, den Widerstand R1 und die dynamischen Widerstände rD der beiden Zenerdioden. Berechnen Sie mit Hilfe des KESBs die Spannung UBRN sowie den theoretische Stabilisierungsfaktor UBRV / UBRN und tragen Sie die Ergebnisse ebenfalls in die obige Tabelle ein. Vergleichen Sie die theoretischen und die simulierten Ergebnisse. Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 7 Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 8 Copyright © Siegfried Heckmann, CEI-Labor, Hochschule Bochum 9
