Лабораторна робота № 2

МОДЕЛЮВАННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЄМНІСНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ

У результаті виконання роботи студент повинен знати:

- конструктивні особливості ємнісних елементів ЕА та технологічні основи їхнього виробництва, діелектричні та напівпровідникові матеріали та їхні властивості, методику моделювання та дослідження основних характеристик;

вміти:

- експериментально визначати основні характеристики ємнісних елементів ЕА, будувати їхні моделі та досліджувати основні функціональні властивості цих елементів на ЕОМ.

Зміст роботи

Вивчити конструкції ємнісних елементів ЕА по кресленнях, ескізах та довідкових матеріалах. Виміряти параметри моделей конденсаторів постійної ємності, варикондів, варикапів, характеристики заданих схем з ємнісними елементами ЕА. Дослідити основні характеристики ємнісних елементів ЕА та характеристики заданих схем на ЕОМ.

Основні теоретичні та експериментальні положення

Теоретичні відомості. Моделювання ємнісних елементів розглянемо на прикладі конденсаторів постійної ємності.

Модель із зосередженими параметрами конденсаторів постійної ємності як з неорганічним, так і з органічним діелектриком представлена схемою заміщення (рис.2.1).

Рис. 2.1. Схема заміщення конденсатора.

Модель відображає зосереджену ємність C_R конденсатора постійної ємності і розподілену індуктивність, наявність яких моделюється введенням у схему заміщення зосереджених елементів L_с, R_m, R_с. Значення цих параметрів залежать від зовнішніх факторів: температури, прикладеної напруги, вологості, часу та ін. Ця залежність враховується в моделях шляхом введення відповідних коефіцієнтів (ТКС, ТКНС, коефіцієнтів вологості, старіння та ін.).

Виходячи зі структури схеми заміщення та не беручи до уваги нелінійні властивості елемента C_R, адмітанс моделі постійного конденсатора описується так:

Y_C = |Y_C|•e^-φ_с,

де |Y_C|, φ_с - відповідно амплітудно-частотна та фазочастотна характеристики ємнісного елемента.

(2.1)

(2.2)

де ω = 2πf; f - частота.

У моделях варикапів і варикондів інтерес становлять нелінійні властивості зосередженої ємності, тобто C_V = f_V(U_V).

Залежність C_V(U_V), представляється поліномом n-го ступеня:

(2.3)

де b_i, i = 0, n - коефіцієнти, які визначаються при апроксимації експериментальної залежності C_V = f_V(U_V) модельованого елемента.

Методика моделювання та дослідження характеристик. Для побудови моделі конденсатора постійної ємності визначають параметри L_c, R_c, R_m за допомогою вимірювача добротності.

Встановлюється частота вимірювання параметрів моделі. Після підімкнення еталонної котушки індуктивності добиваються резонансу добротності та визначають C₁.

Шляхом тієї ж операції визначають значення C₂ для підімкненого конденсатора, що досліджується. Значення L_c і С_c:

(2.4)

Значення R_m назначають за паспортним значенням опору ізоляції. Значенням R_c задаються, вибираючи його з діапазону R_c = 5...200 Ом.

При моделюванні напівпровідникового конденсатора (варикапа, вариконда) визначають коефіцієнти апроксимуючого виразу (2.3).

Тут використовують лабораторний стенд і вимірюють ємності відповідно до схеми (рис.2.2).

Рис. 2.2. Схема вимірювання характеристики C_V = f_V(U_V)

Для і-го значення напруги джерела живлення U_1i (i = 1, N – кількість крапок вимірювання, N = 4...8) визначають значення U_2i і C_vi. При вимкненому джерелі живлення вимірюють значення R_E. Розраховують значення

Аналітичне представлення залежності C_vi = f_v(U_2i) знаходиться у вигляді полінома n-го ступеня (2.3). Коефіцієнти полінома визначають з апроксимації цієї залежності на ЕОМ методом найменших квадратів.

Для дослідження характеристик схеми з напівпровідниковим конденсатором використовують лабораторний стенд, ГСС і вольтметр (рис.2.3).

Рис. 2.3. Схема з напівпровідниковим конденсатором С.

Для різних значень напруги джерела живлення U_i, i = 1, N знаходять значення резонансної частоти f_0i контуру LC_EC_v за допомогою вимірювання частоти ГСС і фіксованого максимуму амплітуди синусоїдальної напруги у контурі. Отримані експериментальні дані представлені характеристикою f₀ = ω(U). Розрахункову характеристику f₀ = ω(U) отримують обчисленням за допомогою виразу

(2.5)

підставляючи в нього отриману раніше модель напівпровідникового конденсатора (2.3).

На підставі порівняння розрахункової та експериментальної характеристики запроваджують оцінку помилки вимірювання і моделювання, а також виробляють рекомендації по використанню напівпровідникових конденсаторів.

Опис лабораторного стенда

Лабораторний стенд для моделювання та дослідження ємнісних елементів ЕА, містить: набір конденсаторів, варикондів і варикапів, а також схем з цими елементами, регулюєме джерело напруги, зовнішній вимірювач ємності, вимірювач добротності, генератор стандартних сигналів, осцилограф і вольтметр, ЕОМ.

Зміст звіту

1. Результати вимірювань і моделі конденсаторів постійної ємності, варикондів, варикапів та результати вимірювань характеристик схем з ємнісними елементами ЕА.

2. Результати розрахунку амплітудно-частотних та фазочастотних характеристик конденсаторів, характеристик схем з ємнісними елементами ЕА на ЕОМ.

3. Висновки та рекомендації щодо використання ємнісних елементів ЕА.

Контрольні питання

1. Класифікація та галузь використання ємнісних елементів ЕА.

2. Основні матеріали ємнісних елементів ЕА та їхні властивості.

3. Конструктивні особливості та характеристики ємнісних елементів з неорганічним (органічним, оксидним) діелектриком.

4. Конструктивні особливості та характеристики варикондів, варикапів.

5. Моделі ємнісних елементів ЕА.

6. Основи технології виробництва ємнісних елементів ЕА.

7. Приклади схемотехнічних рішень з використанням різних ємнісних елементів ЕА, варикондів і варикапів.