Порядок выполнения работы. В работе используются: ,ГТ, ГН2, АВ1, АВ2, АВ0, ИзмВ, съемный элементV-КТ31БА, сменная панель 17Л-03\ 13

В работе используются:,ГТ, ГН2, АВ1, АВ2, АВ0, ИзмВ, съемный элементV-КТ31БА, сменная панель 17Л-03\ 13.

1 Собрать схему.

2 Снять входную характеристику транзистора I_б=f(V_б) при V_кэ=.....данные занести в таблицу 3.1

Таблица 3.1.

3 Снять семейство выходных характеристик транзистора I_r =f(V_кэ) при токах базы I_б=0

Данные занести в таблицу 3. 2.

- 14 -

Таблица 3.2

4 По данным п. п.2 и 3 построить на миллиметровой бумаге выходные и входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

5 По выходным характеристикам определить коэффициент усиления транзистора по току β при заданном значении V_кэ

6 Провести линию нагрузки для R_к=3 КOм и Е_к = 15 В и определить на ней положение рабочей точки

7 Построить переходную характеристику транзистора.

8 Определить в области рабочей точки h- параметры транзистора

Контрольные вопросы

1 Объясните принцип действия биполярного транзистора.

2 Какие параметры биполярных транзисторов Вы знаете?

3 Какие основные схемы включения биполярных транзисторов существуют?

4 Существует ли связь между коэффициентами α и β биполярного транзистора?

- 15 -

5 Почему рабочую точку выбирают в средине линейного участка переходной характеристики транзистора?

6 Где на практике применяются биполярные транзисторы?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

“Снятие и анализ характеристик полевого транзистора”

Цель работы: Ознакомление с принципом действия полевых

транзисторов с электронно-дырочным переходом и

снятие его основных характеристик.

Транзистор, принцип действия которого основан на использовании носителей заряда только одного знака (электронов или дырок) называют униполярным.

Центральную область транзистора называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала - стоком. Электрод, служивший для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Так как по каналу протекает ток под действием электрического поля, то данный тип транзисторов называют полевыми. Различают полевые транзисторы ср- каналом и с п- каналом.

Рассмотрим принцип работы полевого транзистора с р-п переходом и каналом р-типа (рис.4.1а). Условное изображение такого транзистора приведено на рис. 4.1б. Если между истоком и стоком включен источник с ЭДС Е_си, то в р- канале есть ток, значение которого зависит от проводимости канала. Проводимость р- канала от его ширины, которую можно изменять с помощью ЭДС Е₃ включен положительным полюсом к затвору, так что р-п переход

- 16 -

между р- каналом и

полупроводником п-типа,

который находится у

затвора, включен в

обратном направлении.

Ширина каждого р-п

перехода влияет на ширину

а) б) р- канала и в конечном

Рис. 4.1 счете на его проводимость.

В транзисторе с п- каналом основными носителями заряда являются дырки, которые движутся в направлении снижения потенциала, поэтому V_си < 0, V_зи ≥0. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания

V_си+ (V_зи) =V_зап.

Сопротивление канала резко возрастает.

Зависимость тока стока I_с от напряжения V_си при постоянном напряженииV_зи называются выходными (стоковыми) вольт - амперными характеристиками полевого транзистора (рис 4.2).

Рис 4.2. Рис. 4.3.

Как видно из данных вольт – амперных характеристик ток стока I_c возрастает с увеличением V_си, затем этот рост тока прекращается

- 17 -

(участок насыщения). Данный участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Увеличение значения отрицательного напряжения V_зи между затвором и истоком ведет к укорачиванию участка насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения V_си может привести к пробою р-п перехода между затвором и каналом и тем самым к выходу из строя транзистора.

По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика I_с= f(V_зи) (рис.4.3). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения V_си.

Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики передачи

S = dI_c / dV_{pb │} V_си = соnst

и дифференциальное сопротивление стока на участке насыщения

R_c = dV_си / dI_c |V_зи = const

Для полевых транзисторов с р-п переходом S= 1-20 мА/В, R_с=0.1-0.5Мом.

В качестве предельно допустимых параметров нормируется максимально допустимое напряжение V_{си мах} и V_{зи мах}: максимально допустимая мощность стока Р_{с мах}; максимально допустимый ток стока I_{c мах.} Для полевых транзисторов с р-п переходом V_{си мах}= 5-100 В,Р_{с мах}=0,1-10Вт, I_{c мах}= 10-1000 мА.

Порядок выполнения работ

В работе используются: ГН1, ГН2, АВ1, АВ2, И_змВ, съемный элемент V-КП103И, R=1кОм (переменное), сменная панель17Л-03/ 14

1 Установить панель. Поместить транзистор V-КП10ЗИ, а также сопротивление R в гнезда. Соблюдая полярность подключить генераторы напряжения ГН1 и ГН2.

2 Снять выходные характеристики I_c=f(V_{c и}) полевого транзистора при заданных преподавателем значениях Изм. Данные внести в таблицу 4.1 и по данным построить соответствующие вольт- амперные характеристики полевого транзистора.

- 18 -

Примечание: при снятии выходных характеристик напряжения блоков питания не доложны превышать значения равного 10 В.

Таблица 4.1.

3 По выходным характеристикам, полученным в п. 2 построить передаточную характеристику I_c=f(V_зи) транзистора.

4 Снять экспериментальным путем передаточную характеристику I_c=f(V_зи) транзистора, для чего установить напряжение на генераторе, ГН2 равное 10 в. Затем изменения напряжения на генераторе ГН1 через каждые 0,5в от0 доV отсечки измерить значение тока стока I_c и данные внести в таблицу 4.2. Напряжение отсечки V_отс имеет место при токе стока, равным 5-10 мА

Таблица 4.2

5 Снять кривые полученные в п.п.3 и 4 сделать вывод.

6 По вольт- амперным характеристикам полевого транзистора вычислить крутизну характеристики передачи транзистора S и диф

- 19 -

ференциального сопротивления стока R_c и сравнить их с идеальными значениями.

Контрольные вопросы

1 Объясните принцип действия полевого транзистора.

2 Почему полевой транзистор иногда называют униполярным?

3 Каково применение на практике полевых транзисторов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

“Исследование однофазной семы выпрямителя с выводом средней точки трансформатора”

Цель работы: исследование однофазной двухполупериодной схемы

выпрямителя с выводом средней точки

трансформатора, измерение и вычисление основных

параметров, снятие внешних характеристик.

1. Назначения и основные элементы выпрямителя.

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Основными элементами выпрямительного устройства являются электрические вентили и сглаживающий фильтр. Электрические вентили предназначены для преобразования переменного напряжения в пульсирующее, причем это преобразование происходит из – за односторонней проводимости вентиля. Форма выпрямленного напряжения зависит от схемы выпрямления. Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке между вентилями и нагрузкой включают сглаживающий фильтр. Переменное напряжение сети поступает на вентили либо через трансформатор, либо непосредственно от сети.

- 20 -

2. Выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Выпрямитель со средней точкой трансформатора состоит из трансформатора Тр с двумя вторичными обмотками, диодов V₁ и V₂ нагрузочного резистора (рис. 5.1). Схема соединения вторичных обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно нулевой точкиV_2а =V_2в сдвинута по фазе на 180 градусов (рис.5.2 а)

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временных диаграмм (рис. 5.2.)

В полупериод 0 – Т/2 диод

открыть, т.к. потенциал точки

“а” выше потенциала точки

“о”, и под действием

напряжения V_za в нагрузочном

сопротивлении R_н протекает

тока I_а1. Диод Д₂ закрыт (рис.

Рис. 5.1 2.5,б).

В полупериод Т/2 – Т диод Д_е открыт, т.к. теперь потенциал точки “в” выше потенциала точки “о”, и под действием напряжения V_2B в нагрузочном сопротивлении R_н протекает ток I_a2, имеющий такое же направление, как и ток I_а1. Диод Д₁ при этом закрыт (рис.5.2,в).

Так как V_2a=V_2в, то и токи I_а1и I_а2также равны.

В последующие периоды времени процессы в схеме повторяются: поочередно проводят ток то диод Д₁, то диод Д₂, и по нагрузке протекает пуль

- 21 -

сирующий ток I_н (рис. 5.2,г).

Основными электрическими

параметрами неуправляемых

выпрямителей являются:

Рис. 5.2

среднее значения выпрямленных тока и напряжения I_{н ср} и V_{н ср};

мощность нагрузочного устройства Р_{н ср}=V_{н ср}*I_{н ср}:

амплитуда основной гармоники пульсации выпрямленного напряжения a V_{осн m};

коэффициент пульсации выпрямленного напряжения Р=V_{осн m}/ V_{н ср}:

действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I₁, V₁, I₂,V_2.

Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для электрических параметров выпрямителя:

V_{н ср}= (5.1)

(5.2)

Разложение в ряд Фурье кривой V_н позволяет определить значение коэффициента пульсации:

V_H=V_н.ср(1+2/3cosωt - 2/15cos4ωt +…….). (5.3)

Отсюда V_мн1=V_н.ср*2/3

Следовательно Р= (5.4)

Действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора:

V₂= (5.5)

(5.6)

- 22 -

Недостатком данного типа выпрямителя является наличие достаточно большого обратного напряжения (рис 5.2,д), определяемого по формуле:

V_обр.max=π*V_н.ср. (5.7)

Данное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод.

Как отменно выше, коэффициент пульсации для данного выпрямителя напряжения нельзя применять в электронных устройствах, поэтому для снижения пульсации применяет сглаживающие фильтры. В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют конденсаторы и катушки индуктивности. В данной работе используется П - образный RC – фильтр (рис. 5.3).

Рис.5.3. Рис. 5.4.

Основным параметром, характеризующим эффективность действие сглаживающих фильтров, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра:

Q=Р_вх/Р_вых. (5.8)

ЗависимостьV_н от I_н является внешней характеристикой выпрямителя. Она определяет границы изменений нагрузочного тока, при которых выпрямленное напряжение не уменьшается ниже допус

- 23 -

тимой величины и является одной из важнейших характеристик выпрямителя. Типовые внешние характеристики приведены на рис. 5.4. Кривая 1 представляет собой V_н=f(I_н) выпрямителя без фильтра, кривая 2 с емкостным фильтром, кривая 3 –Г – образным RC- фильтром.

Программа работы

Исследование выпрямителя без фильтра

1 Собрать схему рис.5.3. для исследования двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора, для чего:

1.1 Установить сенную панель17Л- 03 / 15.

1.2 Установить сменные элементы:V_1. V₂- КД103А, R₂=510 Ом

1.3 В гнезда для R₁ вставить выводы проводника.

1.4 Соединить гнезда Х₆ Х₇ с гнездами «+» и «+»АБ1, соблюдая полярность.

1.5 Соединить Х8 Х9 с гнездами «+» «+»АБ2, соблюдая полярность.

1.6 Соединить гнезда «~15», «ОБЩ» и «~15» блока И_сНI c гнездами «~1», «~2» и «~3» панели соответственно.

2 Включить осциллограф и подготовит его к работе.

3 Включить стенд и используемые блоки И_сНI. АВ1, АВ2.

4 При помощи осциллографа зарисовать форму напряжения между гнездами «~1» и «~3», определить его амплитуду, период и частоту(гнездаХ1,Х2).

5 Выполните п 4 для напряжения на какой- либо половине обмотки трансформатора (гнезда Х5иХ1 илиХ5 и Х2

6 Выполнить п.4 для напряжения на диоде V1 (гнездаХ1, Х3).

7 Выполнить п 4 для напряжения на диодеV2 (гнездаХ2,Х3).

8 Выполнить п 4 для напряжения на сопротивлении нагрузки R2 (гнезда4,5)

9 Снять внешнюю характеристику V_н (I_н) Одновременно измеряя при помощи осциллографа амплитуду напряжения на R2.

- 24 -

Данные занести в таблицу 5.1. По измеряемому V_нм расcчитать V_{н расч.}

Таблица5.1.

Исследование выпрямителя с П- образным RC – фильтром

А. R₁=200 Oм, С₁=С₂=10 мкФ

10. Собрать схему, для чего: выполнить п.п. 1.1 и 1.2: установить элементы R₁=200 Ом С₁=С₂=10 мкф с соблюдением полярности; п п.1.4; 1.5; 1.6; 2;.3.

11. Выполнить п. 4.

12. Выполнить п 5

13. Выполнить п 6

14. Выполнить п 7

15. Выполнить п 4 для напряжения на входе фильтра (гнезда Х3и Х5 рассчитать коэффициент пульсаций Р по формуле.

16. Выполнить п 4 для напряжения на выходе фильтра (гнезда Х4и Х5). Рассчитать Р_ф по формуле

17. По результатам п.п.15, 16 рассчитать по формуле коэффициент сглаживания q

18. Снять внешнюю характеристику V_н (I_н), одновременно измеряя при помощи

осциллографа Р, Р_ф,q. Данные занести в таблицу 5.2

- 25 -

Таблица 5.2.

Б. R₁=200 Ом, С₁=С₂=50

19. Выпо лнить п.п.10-18 с заменой С₁=С₂ на 50 мкФ и занести данные в таблицу 5.3. (оценить величину q). Форма таблицы 5 такая же, что и таблица 5.2.

20. По данным п п.9,18, 19 на одном графике построить три внешних характеристики.

Контрольные вопросы.

1 Что из себя представляет выпрямитель?

2 Какие типы выпрямителей существуют

3 Перечислите основные блоки выпрямительного устройства, какое их назначение?

4 Какие типы однофазных выпрямителей Вы знаете?

5 Сделайте сравнительный анализ одно- и двухполупериодных выпрямителей.

6 Что из себя представляет сглаживающий фильтр?

7 Какие виды фильтров существуют?

8 Каковы условия выбора параметров элементов фильтра?

9 Что называется коэффициентом пульсации?

10 Что называется коэффициентом сглаживания?

11 Что называется внешней характеристикой выпрямителя?

- 26 -

12 Каковы причины падающего характера внешней характеристики?

13 Объясните с помощью временных диаграмм принцип действия однофазной двухполупериодной схемы выпрямления с выводом средней точки трансформатора.

14 Объясните поведение кривых, снятых в п.п. 13, 14.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

“Исследование однофазного мостового управляемого выпрямителя”

Цель работы: Исследование однофазного двухполупериодного

управляемого выпрямителя, снятие осциллограмм и

регулировочной характеристики.

Различают неуправляемые и управляемые выпрямительные устройства для преобразования переменного тока в постоянный применяются тиристоры.

Однофазные двухполупериодные управляемые выпрямители выполняют по схеме с нулевым выводом трансформатора или по мостовой схеме Принцип действия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рассмотрим на примере мостовой схемы (рис 6.1.).

Мостовая схема содержит V₁ иV₂- триодные тиристоры, V₃ и V₄- полупроводниковые диоды,

А- блок управления тиристорами, РА- миллиамперметр для измерения постоянной составляющей выпрямительного тока нагрузки.

- 27 -

Рис. 6.1.

Рис.6.2.

- 28 -

Управление выпрямительным напряжением сводится к задержке во время момента включения тиристора по отношению к моменту его естественного включения. Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия однофазного управляемого выпрямителя, приведены на рисунке 6.2. ЗдесьV_1-напряжение питания, V_у- управляющие импульсы, подаваемые с блока управления AV и I-напряжение и ток нагрузки. Ток нагрузки I, а значит, и постоянная составляющая I_су этого тока, регулируются при помощи положительных импульсов V_у, подаваемых на управляющие электроды тиристоров и регулируемых по фазному углу в предела от 180 ⁰до 0^0.. этот угол обозначается α и называется углом управления. На рис. 6.2. г,д,е, изображены осциллограммы тока при α =0⁰, α =60⁰ и α =90⁰. При α= 180⁰ ток нагрузки становится равным нулю.

Зависимость постоянной составляющей напряжения V_нα от угла управления α называется регулировочной характеристикой. Она определяется зависимостью от угла α как зависимость от угла среднего значения выпрямленного напряжения V на нагрузке:

,

где V_но—среднее значение выпрямленного напряжения нагрузке при α= 0; V₂ – действующее напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора.

Эта зависимость для нагрузочного устройства ввода активного сопротивления представлены на рис. 6.3.

- 29 -

ничителей, собранных на транзисторах V₃ и V_4; дифференцирующих цепей С₂ R₆ и С₃ R₇: диодов- ограничителей V₅ и V_6. выделяющих положительные управляющие импульсы. Изменяя величину сопротивления R_1. изменяем время подачи управляющих импульсов на тиристоры.

Рис.6.4. Принципиальная электрическая схема блока управления.

Программа работы

1. Установит съемную панель 17-03/17.

2. Собрать схему рис. 6. 1.

2.1. Установить съемные элементы: тиристоры V₁ V₂-КУ101Б, диоды V3, V₄ –КД103А, управляющий блок А-А5, резистор R_1- 100 Ом

2.2. Соединить гнезда Х₁ и Х₂ с гнездами И_сН2.

2.3. Левые гнезда блока управления А-5 соединить соответственно с гнездами I5В, ОБЩ, 15В, И_сн1 Положение пе-

- 30 -

реключателя И_сн1 любое.

2.4. Правые гнезда блока управления А5 соединить с гнездами15В, 0, И_сНЗ соответственно

2.5. ГнездаХ7,Х8 соединить с гнездами + и -АВ1 соответственно,АВ1 использовать на пределе 250 мА.

2.6. Соединить гнезда Х9 и Х10.

2.7. Подключить осциллограф к гнездам Х3 и Х5, соблюдая полярность.

3. Включить стенд, блок АВ1, осциллограф.

4. Вывести потенциометр блока управления в крайнее положение по часовой стрелке (α =0).

5. Получить устойчивое изображение кривой тока при α =0.

6. Ручкой потенциометра блока управления установить три значения α: п/3, п/2, 2п/3 и снять три осциллограммы напряжения.

7. Указать на осциллограммах амплитудное и среднее значение напряжения, величину угла α.

8. Снять регулировочную характеристику I_оα/ I_о-F (α) для 6-8 значений угла α, измеряя ток I_cα по АВI на пределе 250мА Результаты занести в таблицу 6.1.

9. Рассчитать регулировочную характеристику, результаты расчета занести таблицу 6.1.

Таблица 6.1.

10 Построить на одном графике опытную и расчетную регулировочные характеристики.

11 Записать технические данные приборов.

- 31 -

Контрольные вопросы.

1 Каков принцип устройства управляемого выпрямителя?

2 Каков принцип устройства блока управления?

3 Как изменится работа исследуемой схемы, если один из тиристоров заменить диодом?

4 Какова зависимость среднего значения выпрямленного значения напряжения от угла α при активной нагрузке?

5 Получить аналитическое выражение для регулировочной характеристики п. 4.

6 Каковы пределы регулирования выпрямленного напряжения при активной нагрузке?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

«Исследование трехфазной схемы выпрямления»

Цель работы: исследование трехфазной схемы выпрямителя,

снятие осциллограммы и построение внешней

характеристики трехфазного мостового

выпрямителя.

Трехфазные выпрямители по сравнению с выпрямителями однофазного тока имеют меньшую пульсацию выпрямленного напряжения и могут использоваться без фильтров. Кроме того, трехфазные выпрямители имеют более высокие энергетические показатели (лучшее использование трансформатора, более высокий коэффициент мощности энергосистемы, питающий выпрямитель итд.), и обычно являются устройствами средней и большой мощности.

Наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямления, исследуемая в данной лабораторной работе (рис. 7.1.). Схема содержит выпрямительный мост из шести вентилей. Вентили V_2. V₄ V_6. у которых электрически соединены аноды, образуют анодную группу; вентили V_1. V_3. V₅ с объединенными катодами образуют катодную группу. Нагрузка включается между точками соединения катодов и анодов вентилей.

- 32 -

В любой момент времени работают два вентиля. В катодной группе в открытом состоянии будет находится вентиль с наибольшим положительным потенциалом на аноде, в анодной группе работает вентиль, катод которого имеет наибольший отрицательный потенциал. Например, в момент времени T₂ (рис.7.2.) наибольший положительный потенциал имеет фаза «а», поэтому в катодной группе работает вентиль V₁. а наибольший отрицательный потенциал имеет фаза «в» поэтому в анодной группе работает вентильV₄. Укажем на временных диаграммах интервалы проводимости вентилей: на интервале Т1- Т3 проводят вентили V1.V4; на интервале Т3-Т4 вентилиV1-V6; на интервале Т4- Т5 вентилиV6- V3на интервале Т5-Т6 вентиляV3-V2 и тд. Таким образом интервал проводимости каждого вентиля составляет 2п/3, а интервал совместной работы двух вентилей равен п/3 За время, равное периоду питающего напряжения, происходит шесть переключений вентилей.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно среднему значению напряжения за период повторимости т/6 (заштрихованный участок на рис.7.2.):

V_н ср= 2,34*V₂, (7.1)

где V₂-действующее значение фазного напряжения.

Коэффициент пульсаций данного выпрямителя равен 0,057

Рис. 7.1.

- 33 -

Рис. 7.2.

Порядок выполнения работы.

1 Собрать схему для исследования трехфазного мостового выпрямителя, для чего:

1.1 Установить сменную панель 17Л-03/16.

1.2 Установить съемные элементы: V1-V6-диоды КД103А,

R1=300 Ом.

1.3 Соединить гнезда Х4,Х5 с гнездами + и - АВ2, соблюдая полярность и вид измерения.

1.4 Соединить гнезда 1,2 с гнездами + и –АВ1, соблюдая полярность и вид измерения.

- 34 -

1.5 Соединить гнезда А, В, С панели с гнездами А, В, С блока ГНТ соответственно.

1.6 Соединить гнезда Х1, Х2, Х3 панели с гнездами 1, П, Ш блока ЭК Соответственно.

1.7 К гнездам «I» и «ВЫХОД» блока ЭК подключить осциллограф, соблюдая полярность.

2 Включить осциллограф и подготовить его к работе.

3 Включить стенд и блоки ЭК, АВ1, АВ2, ГТН.

4 Получить осциллограму трехфазных напряжений и зарисовать ее. Обозначит напряжения V_2м.

5 Снять внешнюю характеристику V₀₌f(I_о), поочередно устанавливая = = 150 Ом, 300 Ом, 510 Ом, 750 Ом,1000 Ом Результаты измерений внести в таблицу 7.1.

Таблица 7.1.

6. Построить внешнюю характеристику.

Контрольные вопросы.

1 Какое устройство называют выпрямителем?

2 Какие типы трехфазных выпрямителей знаете?

3 Сделайте сравнительный анализ мостового выпрямителя и выпрямителя с нейтральным выводом.

4 Объясните с помощью временных диаграмм принцип действия мостового выпрямителя.

5 Приведите вывод формул (7.1.)

6 Каковы преимущества трехфазных выпрямителей перед однофазными.

- 35 -

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

«Исследование параметрического стабилизатора напряжения постоянного тока»

Цель работы: ознакомится с принципом действия параметрического

стабилизатора напряжения.

В ряде случаев к напряжению, питающему электронные устройства, предъявляются определенные требования в отношении его стабильности.

Устройство, обеспечивающее поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети и тока нагрузки, называется стабилизатором напряжения. Существует два вида стабилизаторов напряжения: параметрические и компенсационные.

В параметрических типах стабилизаторов используется постоянство напряжения некоторых видов приборов при изменении протекающего через них тока. Из полупроводниковых приборов таким свойством обладает стабилитрон. Схема простейшего стабилитрона напряжения изображена на рис. 8.1. Он состоит из балластного резистора R_б, необходимого для создания требуемого режима, стабилитрона Д. Нагрузка R_н включена параллельно стабилитрону. Стабилизатор подключается к выходу выпрямителя с фильтром

Рис. 8.1. Рис. 8.2.

- 36 -

Для обеспечения принципа действия параметрического стабилизатора напряжения построим вольт- амперные характеристики нелинейного элемента- стабилитрона и линейного- резистора R_б исходя из выражения V_вх1= V_cт1 + Rб*I _ст2

Для линейного резистора R_б построена так называемая «опрокинутая» вольт- амперная характеристика. При V_вх=V_вх1 эти вольт- амперные характеристики пересекаются в точке А. При увеличении входного напряжения на ΔV_вх, вольт- амперная характеристика R_б переместится параллельно самой себя и пересечется с в.а.х. стабилитрона в точке А. Как видно из рисунка, изменение напряжения на нагрузке V_н практически остается неизменным.

Заметим, что стабилизатор будет работать нормально, значение тока в точке А соответствует нормальному току стабилитрона I_{ст ном.}, который дается в паспорте.

Приведем основные соотношения для стабилизатора. Из схемы рис. 8.1. следует:

I_б=I_ст+ I_н ; V_вх= V_б + V_н (8.1.)

Отсюда для тока стабилизатора

I_ст=V_рх—V_н/ R_б – V_н/ R_Н (8.2.)

где V_н-V_cт изменится незначительно.

Расчет стабилизатора сводится к выбору R_б, при котором через стабилитрон протекал бы ток I_{ст мин}(см рис. 8.2.) Из (8.2.)имеем:

R_Б= (8.3.)

Величина минимального тока I_{cт мах,} протекающего через стабилитрон, ограничивается максимально допустимым значением тока через стабилитрон.

- 37 -

I_cт.max= (8.4.)

Показателем качества стабилизации напряжения служит коэффициент стабилизации К_ст, показывающий, во сколько раз относительное приращение напряжения на выходе стабилизатора меньше вызвавшего его относительного приращения на входе:

К_ст= : (8.5.)

Выражение (8.5.) может быть упрощено использованием понятия дифференциальное сопротивление.

R_Д =ΔV_CT / ΔI_CT; ΔV_H=

Так как R_H>>R_Д и R_Б>>R_Д, то ΔV_H=

При использовании последнего выражения коэффициент стабилизации запишем в виде:

К_ст= * R_Б / R_Д (8.6.)

Другим параметром стабилизатора является его выходное сопротивление R_вых для параметрических стабилизаторов

R_вых= R_Δ// R_Б=R_Д

Порядок выполнения работы.

В работе используются:ИсН1, АВ1, АВ2, МВА, ИзмВ, осциллограф, съемные элементы: V1-V. (КД103А), V5 (КС2136), R1=200 Ом, 17Л-03/16.

- 38 -

1. Установить съемную панель 17Л-03/18 на стенд

2. Собрать схему, при этом необходимо соблюдать полярность конденсаторов С1 и С2.

3. Снять вольт- амперную характеристику стабилитрона КС2136, данные занести в таблицу 8.1. и по данным построить кривую

таблица 8.1.

4. На в.а.х. стабилитрона, полученной в п. 3, построить «опрокинутую» в.а.х. балластного сопротивления R_б= R₁ и найти рабочую точку А для цепи стабилизатора.

5 Экспериментальным путем установить значение токов I_{ст мип} и I_{ст мах} и соответствующие им значения напряжений V_{вх мип},V_{вх мах,} V_н. фактически

6. По данным п 5 вычислить значения сопротивления R_бмах и R_{б мiп} которые определяют условия стабилизации стабилизатора

7. Измеряя напряжения V_вх и V_н, определить экспериментальным путем. коэффициент стабилизации для R₂= 2,4кОм; 4,3кОм; 7,5кОм Данные внести в таблицу 8.2. и сделать вывод.

таблица 8.2.

8. Выпишите величины, являющиеся выходными сопротивлениями стабилизатора.

- 39 -

Контрольные вопросы

_.

1 Чему равен коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне?

2 Каким образом можно величину стабилизированного напряжения вычислить в стабилизаторах?

3 Каковы достоинства параметрических стабилизаторов напряжения?

4 Каковы недостатки таких стабилизаторов?

5 Как осуществить параметрический стабилизатор тока?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

“Исследование двухкаскадного усилителя с обратной связью”

Цель работы: ознакомиться с принципом действия с основными

характеристиками низкочастотного усилителя

переменного напряжения с RC связь.

Усилителем называют устройство, предназначенное для увеличения параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности). Усилитель (рис.9.1) имеет входную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, к которой подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь_, с которой

выходной сигнал снимается и подается в нагрузку.

Низкочастотный усилитель с RC связью является усилителем переменного напряжения.

Рис 9.1.

На рис 9.2. приведена схема двухкаскадного усилителя напряжения с RC-связью на биполярных транзисторах п-р-п

- 40 -

Рис. 9.2.

Усилитель состоит из двух усилительных каскадов с общим эмиттером, соединенных между собой через конденсатор связи С2 включенный между коллектором транзистораV1 и базой транзистора V2. Данный конденсатор не пропускает постоянную составляющую коллекторного напряжения транзистораV1 в цепь транзистора V2. Такую же роль играют конденсаторы С1 и С2, переменная составляющая напряжения при этом проходит через них беспрепятственно.

Как видно из данной схемы, связи между источником усиливаемого сигнала и входом усилителя, между усилительными каскадами, а так же между выходом усилителя и нагрузкой осуществляется при помощи Rc цепочки; поэтому данный тип усилителей называют усилителями с RC связью.

Каждый каскад усилителя и весь усилитель характеризуется следующими параметрами: коэффициентами усиления по напряжению R_v= V_вых/V_вх, по току К_i= I_вых/ I_вх,, по мощности К_р= Р_{вых /} Р_Вх= К_v*Ki полосой пропускания, номинальным выходным напряжением, номинальной выходной мощностью, коэффициентом вносимых искажений (частотных, фазовых, нелинейных), к.п.д., входным и выходным сопротивлениями.

- 41 -

Для оценки свойств усилителя с RC связью на разных частотах пользуются амплитудно- частотными K_v= f(cо) и фазочастотными α =f(_со) характеристиками (рис.9.3.)

а) б)

Рис. 9.3.

При очень низких частотах (W_н → о) коэффициент усиления усилителя К_у→ о, так как сопротивление конденсатора связи Х_с = 1 / w → ∞

При очень высоких частотах (W_в ---∞) коэффициент усиления усилителя К_у → ∞, так как сопротивление конденсатора связи Х_с = 1/w_н С. → ∞

При очень высоких частотах (W_в → ∞) коэффициент усиления К_в---о, так как сопротивление емкостного элемента Х_с = 1 /W_вС → о

Снижение коэффициента усиления в области нижних и верхних частот (рис.9.3.а) называют частотными искажениями. Частотные искажения оценивают коэффициентами частотных искажений которые равны:

на нижних частотах Мн = К_о /к_v= √ 1+d / (w_нт_н)²,

на верхних частотах М_в = К_о /к_в = √ 1+(w_вт_в ),

где τ_в. τ_н - соответственно постоянные времени усилительного каскада на верхних и нижних частотах. Обычно для усилителей напряжения RC связью допустимый коэффициент частотных искажений лежит в пределах 1,05- 1,4

- 42 -

Частоты W_{н гр}и W_{в гр}, соответствующие допустимым значениям коэффициента частотных искажений, называют, нижней и верхней граничными частотами, а диапазон частот, в котором коэффициенты частотных искажений не превышают допустимых значений то есть Δf= f_{в гр}-f_{н гр} – полосой пропускания усилителя. Полоса пропускания на уровне.

Фазочастотная характеристика усилителя (рис 9.3.б) показывает, что в области нижних частот выходное напряжение опережает по фазе входное, а в области верхних частот отстает от него. В предельных случаях w → 0 и w → ∞ угол сдвига фаз стремится соответственно Т/2 и –Т/2

По характеру амплитудно- частотной характеристики судят о линейности усилителя, а по характеру фазочастотной характеристики о постоянстве коэффициента усиления в рабочей полосе частот входного сигнала.

Снижение коэффициента усиления на низких частотах обусловлено в основном ростом емкостных сопротивлений разделительных конденсаторов и конденсаторов в цепях автоматического смещения. Снижение Кv на высоких частотах обусловлено уменьшением коэффициента передачи базового тока, влиянием емкости коллекторного перехода и паразитных емкостей

Для низкочастотных усилителей рабочий диапазон частот занимает полосу от десятков герц до десятков килогерц, а для широкополосных усилителей данная полоса пропусканий еще шире. Поэтому частотные характеристики таких усилителей строят в логарифмическом или полулогарифмическом масштабе. При полулогарифмическом масштабе по оси ординат откладывают действительные значения коэффициента усиления, а при логарифмическом – значении коэффициента усиления в децибеллах то есть К = 20 С_уК_у. Усиление в 0 децибеллов соответствует К_у = 1.

Для улучшения показателей работы усилителя применяют обратные связи. Наличие обратных связей существенно влияет на амплитудную и частотную характеристики усилителя и на значения входного и выходного сопротивлений. Отрицательная обратная связь увеличивает входное сопротивление и уменьшает выходное сопро-

- 43 -

тивление, а также коэффициент усиления.

Порядок выполнения работы

В работе используются: ГН2, ГС, МВА, осциллограф, съемные элементы: V1. V2. (КТ315БА). R1 =100кОм, R2 = 7,5кОм, R3 =15кОм, R4= 1,5кОм, R5 =22кОм (переменный), R6 = 47кОм,, R7 = 15кОм, R8 =2кОм, R9 =510 Ом, R10 =2.4кОм. С₁=С₄ = 50мкф, С₂=С₃=10мкф, сменная панель 17Л-03/19.

1 Установить схемную панель.

2 Собрать схему согласно рис.9.2.

3 Отсоединить сопротивление R₅ и установить на генераторе частоту 1000Гц. Изменяя напряжение на выходе генератора через 0,5в от 0 до напряжения, при котором появляется искажение, снять амплитудную характеристику усилителя.. Для каждого опыта вычислить коэффициент усиления Данные внести в таблицу. 9. 1.

Таблица 9.1.

4 Установить фиксированное значение амплитуды генератора сигналов RC согласно заданию и поддерживая его неизменным, и изменяя частоту RC от 50гцдо 100 кгц, снять частотную характеристику усилителя. Данные внести в таблицу 9.2.

Примечание: сопротивлениеR₆ остается отсоединенным.

Таблица 9.2.

- 44 -

5 Присоединив сопротивление R₅. снять амплитудную характеристику усилителя с обратной отрицательной связь., как в п. 3. Данные занести в таблицу 9.3.

Таблица 9.3.

6 При включенном сопротивлении R₅ снять частотную характеристику усилителя с обратной отрицательной связью, как в п.4. Данные внести в таблицу 9. 4.

Таблица 9. 4.

7 По данным таблиц 9.1 и 9.3 построить амплитудную характеристику усилителя с обратной связью и без нее, сделать вывод.

8 По данным таблиц 9.2. и 9.4. построить частотную характеристику усилителя с обратной связью и без, сделать вывод.

Контрольные вопросы

1 Расскажите о назначении каждого элемента усилителя.

2 Какие характеристики усилителей существуют?

3 Для чего служит отрицательная обратная связь в усилителях?

4 Как определить коэффициент усиления многокаскадного усилителя?

- 45 -

5 Как осуществляется связь каскадов в многокаскадном усилителе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

«Исследование устройства на операционных усилителя»

Цель работы: изучение работы компаратора, тригера Шмитта и

мультивибратора и снятие их характеристик.

Операционным усилителем (ОУ) называется усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и тд.). В настоящее время ОУ играет роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры различного назначения.

ОУ имеет два входа и один выход (рис.10.1). Один из входов называется неинвертирующим (V_{вх н} «+», «+»_,), а другой- инвентирующим (V_{вх. н,} «-«).

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад,

Рис. 10.1. применяемый в качестве входного

каскада усилителя. ОУ характеризуется усиленными входными, выходными, энергетическими, дрейфовыми частотными и скоростными параметрами.

В данной работе рассматриваются устройства, выполненные на операционных усилителях- компараторы, триггер Шмитта и мультивибраторы.

В компараторах ОУ используют устройство, осуществляющее сравнение входного напряженияV_вх с опорным напряжением V_оп. Существуют компараторы для сравнения разнополярных напряжений и напряжений одинаковой полярности.

- 46 -

На рис.10.2а, приведена схема однопорогового компаратора для сравнения сигналов одинаковой полярности. НапряжениеV_вых на входе в ОУ зависит от разности входных напряжений. При напряжении V_вх меньше чем опорное V_оп, напряжение V_оп определяет состояние выхода. Разность напряжений V_вх-V_оп является входным дифференциальным напряжением V_д ОУ, что и определяет состояние передаточной характеристики компаратора

(рис 10. 2.б) Изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда напряжение V_вх> V_оп

Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ при Vд= Vвх- Vоп=О имеет место режим ограничения выходного напряжения:

Vвых = V⁺вых мах при Vвх< Vоп,

Vвых =V^-вых мах приVвх > Vоп, (10.1)

где напряжение V⁺вых мах и V^-вых мах имеют значения, близкие к значению напряжения Vн источника питания ОУ.

а) б)

Рис 10. 2.

Широкое применение в электронной технике получил триггер Шмитта, используемый в качестве формирователя напряжения прямоугольной формы из напряжения произвольной формой кривой. Преимущество триггера Шмитта как компаратора состоит в том, что шумы входного сигнала и не стабильность питания не вызывает колебаний выходного напряжения вблизи точки сравнения, как в одно-

- 47 -

пороговых компараторах.

В отличии от компаратора рис 10.2а в триггере Шмитта ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС) по неинвертирующему входу с помощью резисторов R1.R2 (рис 10.3.а)

Переключение из состояния V⁺ вых мах в состояние V^-вых мах происходит при напряжении Vвх, равном напряжению срабатывания Vср (рис.10.3.б). Возвращение в исходное состояние Vвых = V⁺вых мах происходит при снижении Vвх до напряжения отпускания Vотп.

Значения пороговых напряжений Vср и Vост находят из выражений:

V_ср=V_оп+ (10.2)

V_ср=V_оп - (10.3)

Откуда ширина зоны нечувствительности равна:

V_ЗН = V_ср – V_отп = (10.4)

а) б)

Рис 10.3.

Мультивибраторы предназначены для генерирования периодической последовательности импульсов напряжения прямоугольной формы. Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко используют ОУ, имеющие положительную обратную связь.

- 48 -

Схема симметричного мультивибратора на ОУ приведена на рис.10.4.а. Автоколебательный режим работы создают благодаря подключению к инвентирующему входу ОУ время задающей цепи из конденсатора С и резистора R. ПОС выполняет на резисторах R1.R2.

Период Т каждого цикла переключений зависит от соотношения значений элементов R и С и отношений сопротивлений резисторов R1и и R2

Мультивибратор работает следующим образом. В начальный момент времени при подаче напряжений питания +Vп и –Vп на резисторе Rz появляется напряжение Vz (рис10 4.б. вследствии имеющегося на выходе положительного или отрицательного напряжения сдвига - Vвых сдв.

Так как инвертирующий вход первоначально имеет нулевой потенциал (конденсатор С разряжен), то напряжение Vz оказывается приложенным между инвертирующим и неинвертирующим входами, переводя ОУ в режим насыщения. Если Vz положительно, то на выходе получают значение V⁺вых мах и переход к V⁺вых мах происходит со скоростью нарастания dv /dt в ОУ.

Когда ОУ насыщен, конденсатор С заряжается по цепи V вых-R-C. При значении Vc, превышающимVz (в момент времени на рис10.4б) напряжение на выходе ОУ скачком изменяется к отрицательному пределу V^-вых мах. Конденсатор С под действием напряжения выхода V^-вых мах перезаряжается до напряжения более отрицательного, чем-Vz.

Напряжение на инвертирующем входе также становится более отрицательным, чем на неинвентирующем, а напряжение на выходе (в момент времени t2) возвращается к состоянию Vвых мах.

Время, в течении которого амплитуда выходного сигнала остается постоянной, зависит от параметров элементов схемы. Длительность пребывания устройства в одном из устойчивых состояний определяют по формулам:

- 49 -

(10.5)

(10.6)

 <