Лабораторные работы по основам промышленной электроники

-1-

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Данное издание рекомендуется для студентов неэлектрических специальностей дневного, заочного форм обучения и являются методическими указаниями к выполнению лабораторных работ при изучении курса «Электротехника и электроника»

Ключевые слова: вольт-амперные характеристики, диод, транзистор, выпрямитель, усилитель. Мультивибратор, триггер, фильтр. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ по основам промышленной электроники

Составители: Николаев Г.М. Лхамажапов В.А. Федоров К.А. Сультимова В.Д.

Улан-Удэ 2004

-2-

Лабораторная работа№1 “Снятие и анализ характеристик полупроводниковых диодов” Цель работы: Ознакомление с основными параметрами полупроводниковых диодов и снятие экспериментальным путем их вольт-амперных характеристик. Полупроводниковым диодом называют прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами. В полупроводниковом диоде используется свойство р-п перехода хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо пропускать его в противоположном направлении. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полупроводникового диода называют прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями. По типу конструкции перехода различаются точечные и плоскостные полупроводниковые диоды. По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, полупроводниковые стабилитроны и импульсные диоды. В данной работе исследуется кремневый выпрямительный диод малой мощности КД103А, кремневый стабилитрон малой мощности КС213Б и Туннельный диод АИ301. Вольт- амперные характеристики полупроводниковых диодов и их условные графические изображения приведены на рис.1.1 a, б, в. Iпр

Iпр

Uобр

Uст

Iп

Uпр

а)

б)

Iв

с)

диодов Iп= 0,1±100 мА и Iп/ Iв=5±20. Порядок выполнения работы

Iпр

Uобр

Iст

Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для выпрямления переменного тока. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое напряжение VПР, которое нормируется при определенном прямом токе IПР; максимально допустимый прямой ток диода IПР. max; максимально допустимое обратное напряжение диода VОБР. max; обратный ток диода IОБР, который нормируется при определенном обратном напряжении VОБР. Полупроводниковые стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения. Основными параметрами стабилитрона являются: напряжение на участке стабилизацииYст.; динамическое сопротивление на участке стабилизации Rд = dVст /d Iст; минимальный ток стабилизации. I ст мин.; максимальный ток стабилизации Iстα мах ; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации TKV= dVcст/dт.* 100. Температурный коэффициент напряжения ТКV показывает на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на один градус Цельсия. Для большинства стабилитронов ТКV=(-0,05± 0,2) %/С0 Тоннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях. Основными параметрами тоннельного диода является ток пика Iп. И отношение тока пика к току впадины Iп / Iв.. Для выпускаемых в промышленности

Uпр Iобр

В работе используются: ГН2, ИсН4, ИэмВ,АВ1,АВ2,АВ0, съемные элементы: Y1.Y2-КД103, КС213Б, АИ301, сменная панель 17Л03/11. 1 Установить сменную панель 17Л-03/ 11 на коммутирующее плато и собрать цепь по схеме рисунок 1. 2а. Снять вольт- амперную характеристику полупроводникового диода КД103А Данные занести в таблицу 1. 1.

Рис. 1.1. -3-

-4-

2

По схеме рисунка 1. 2б. Снять вольт- амперные характеристики кремневого стабилитрона КС213Б и туннельного диода .АИ301. Данные внести также в таблицу 1. 1.

Таблица 1.1 №/ Величи№ ны П/П 1 Прямое Напряжение, В 2

Прямой ток, мА

3

Обратное напряжение, В

4

Обратный ток, А

№№ опы та

Выпрямительный диод

Кремниевый стабилитром

Туннельный диод

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

2. Перечислите основные параметры диодов. 3. Как зависит прямое напряжение на диоде от температуры? 4. Как зависит обратный ток диода от температуры? 5. С какой целью соединяют полупроводниковые диоды последовательно? 6. Какие типы диодов существуют? Каково их применение на практике? х3

А

х7

х4

х1

Д

х5

ГТ

v х2

А

х8 х9

х11

v

х10

х6

а)

ИсН4 х12

б) Рис 1.2.

ЛАБОРАТОРНАЯ

РАБОТА

№2

“Снятие и анализ вольт - амперной характеристики тиристора”

3

По данным таблицы 1.1.построить вольт- амперные характеристики полупроводниковых диодов и сравнить их с характеристиками, приведенными на рис. 1. 1. 4 По результатам опытов вычислить сопротивления Rст пр, R ст обр и R д полупроводниковых диодов. Контрольные вопросы. 1. Каков физический смысл р-п перехода? -5-

Цель работы: снятие экспериментальным путем вольт-амперной характеристики тиристора и его пусковой характеристики. Тиристор- это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состояние высокой проводимости (тиристор откррыт). Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется воздействием напряжением (током) или редко светом. Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор), Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительный третий (управляющий) электрод (рис. 2.1.). В триодных -6-

тиристорах по цепи управляющего электрода могут выполняться одна или две операции изменения состояния тиристора. В данной работе исследуются однооперационный тиристор, по цепи управляющего электрода которого осуществляется только отпирание тиристора.. С этой целью на управляющий электрод подается положительный относительно катода импульс напряжения. Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя р-п переходами (рис. 2.1). Крайняя р1- область в тиристоре выполняет функцию анода, а крайняя п2 – область функцию катода Условное обозначение тиристора приведено на рисунке2.2. А

Р1

n1

P2

n2

К

Рис.2.1. Вольт-амперные характеристики тиристра при трех различных постоянных напряжениях между управляющим электродом и катодом Vуп=сопst показаны на рис 2.2. На участке ОА ток изменяется не значительно (закрытое состояние тиристора). В пределах этого участка Iпр B значение дифференциального Imax сопротивления положительное. На каждой из вольт-амперных характеБ ристик можно отметить точку А в близи которой при увеличении 0 напряжения происходит Uпр переключение тиристора из с закрытого состояния в открытое, соответственно различают ток Рис. 2.2 включения Iвкл и напряжение включения Vвкл Вблизи точки А ток через тиристор изменяется на значительную величину при небольшом увеличении напряжения. На участке АБ дифференциальное сопротивление тиристора отрицательно; увеличение тока вызывает уменьшение напряжения, что Uуп2А Uуп3

Uвкл3

Uвкл2

Uвкл1

Uуп1

-7-

приводит к дальнейшему увеличению тока Режим, соответствующий данному участку вольт- амперной характеристики, неустойчив. В дальнейшем тиристор спонтанно переходит на участок БВ вольт – амперной характеристики, при этом дифференциальное сопротивление вновь становится положительным( открытое состояние тиристора) . Положение рабочей точки на участке БВ будет определяться питающего напряжения и сопротивлением, включенным последовательно с тиристором. Данный участок характеризуется параметрами: прямым максимальным током Iпр мах и средним допустимым остаточным напряжениемVост, соответствующим Iпр мах тиристор будет находиться во включенном состоянии до тех пор пока ток через него будет больше тока удержания Iуд.. При токе меньшем тока выключения тиристор выключается. Зависимость Vвкл от тока управления Iупр называется пусковой характеристикой тиристора(рис. 2.3.). С увеличением тока в цепи управляющего электрода Напряжение Vвкл уменьшается, при этом токе вольт- амперная характеристика тиристора видоизменяется (рис.2.2.). При некоUвкл[в] тором токе управления Iупр равным так называемому току спрямления Iспр, на вольт – амперной характеристике тиристора отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением Ток спрямления Icпр является важным параметром тиристора. Наличие зависимости Iупр [ Aм Vвкл = Iупр позволяет использовать тиристор как управляемый ключ. Следует заметить, что мощность управляющего сигнала тиристора во много раз меньше мощности, котоРис. 2.3 рой управляет тиристор. Порядок

выполнения

работы

В работе используются: ГТ, ГН2, АБ1, АБ2, ИсН4, АВО, ИзмВ, съемный элемент V- триодный тиристор малой мощности КУТОТБ; -8-

р-п перехода П2? На каких физических явлениях основано отпирание тиристора? 4 Перечислите основные параметры тиристора. 5 Где на практике используются тиристоры?

R = 3Ком, сменная панель 17Л-03/12 . 1 Установить сменную панель 17Л – 03 /12на коммутирующее плато собрать цепь по схеме рис. 2.4. x7

А

x8

1

V x3 x1 ГТ

А

x9

V x2

ЛАБОРАТОРНАЯ

R

x4 x5

3

2

Цель работы: Ознакомление с основными параметрами биполярного транзистора и снятие опытным путем его статических входных и выходных характеристик.

x10

Рис. 2.4.

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из трех областей с чередующимися типами электропроводимости. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые. Транзистор называют биполярным из-за того, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков (свободных дырок и электронов). Устройство биполярного транзистора основано на явлениях взаимодействия двух близко расположенных р-п переходов. Возможны две трехслойные структуры с различным чередованием участков с электронной и дырочной проводимостью, отсюда различают транзисторы двух типов: р-п-р и п-р-п. Структура и условные обозначения этих типов транзисторов приведены на рис 3.1 а, б.

Задавая значения прямого напряженияVпр( что осуществляется увеличением ЭДС источника ИсН4), снять вольтуамперную характеристику тристора при Iу=0, по данным построить вольт- амперную характеристику тиристора при Iу= 0 3 Задавая различные значения тока управления Iу, также построить вольт- амперные характеристики данного тиристора и сравнить их. 4 Задав некоторое небольшое значение тока в цепи генератора тока и изиеняя напряжение питания генератора ГН2, установить момент переключения тиристора.

2

Контрольные вопросы 1

Чем объяснить способность тиристора выдерживать довольно большое обратное напряжение? 2 Можно ли утверждать, что участок ОА прямой ветви вольт- амперной характеристики тиристора представляет собой обратную ветвь вольт- амперной характеристики -9-

№3

«Снятие и анализ характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером»

ГН2 x6

РАБОТА

Э

p

n

Э

p

К

n

К Б

p

Э

n

К

К Б

Б

а)

Б

б) Рис. 3.1. - 10 -

У биполярного транзистора имеется три вывода. В транзисторе р-п-р-типа первый вывод от первой р- области, его называют коллектором (к), второй вывод- от второй р- области называют эмитером (Э), третий вывод –от п-области называют базой (Б). Различают четыре режима работы транзистора, из них основным является активный режим работы, в котором переход эмиттер – база включен- в обратном. При приложении напряжений между коллектором и эмиттером, а также базой и эмиттером (рис.3.1а) потекут токи: базы Iб, эмиттера Iэ, коллектора Iк. Эти токи связаны соотношением: Iэ = Iб +Iк При работе транзисторов в усилителях необходимо знать зависимости между изменением этих токов ∆I при малых изменениях на ∆Vэб скачком сигнала управления Vэб и Vкб =конst.при пренебрежении переходными процессами в транзисторе, можно считать, что все токи транзистора изменяются скачком, т.е.∆ Iэ= ∆Iб+∆.Ir/ Для малых значений ∆Vэб цепь с транзистором можно рассматривать как линейную цепь с одним источником напряжения ∆Vэб Для такой цепи ∆Iк =α* ∆Iэ . ∆Iк=(α/α-1)∆IБ=β*∆IБ, где α= αIк/αIэ≈(∆Ik/∆iэ)Vkv=const передачи тока эмиттера:

-дифференциальный коэффициент

β=dIk/dIБ=(∆IK/∆IБ)Vk= const Дифференциальный коэффициент передачи тока базы α= 0,980,99, β= 50-100 Коэффициент α и β являются параметрами плоскостных биполярных транзисторов. Заметим, что при высоких частотах вышесказанное допущение несправедливо и поэтому выражения для коэффициентов α и β также неверны. Связь между токами в транзисторе и приложенными напряже- 11 -

ниями выражается вольт- амперными входными и выходными характеристиками. Вид характеристик транзистора зависит от схемы его включения. Различают три основных способа включения транзисторов в схему в зависимости от того, какой из этих электродов является общим для входной и выходной цепей транзистора: схема с общим эмиттером, схема с общей базой и схема с общим коллектором (рис. 3.2.) В данной работе исследуется схема транзистора с общим эмиттером (рис. 3.2 б.). -Eб

-Eк

R С

R С

С Uвых ~ Uвх

~ Uвх

Uвых

~ Uвх

R

а)

Uвых

б) в) Рис. 3.2. Для графического расчета усилительных устройств на транзисторах необходимы семейства их вольт- амперных характеристик На рисунке 3.3. приведены такие свойства вольт – амперных характеристик для триода, включенного по схеме с общим эмиттером. Первое семейство характеристик- зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора Iб=f1(Vбэ), которую называют входной или базовой характеристикой транзистора (рис. 3.3а). Второе семейство характеристик - зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при Iб[мкA]

Vк1

Vк2

Iб4

Iк[мА]

Iб3 Iб2 Iб1

Vбэ[B]

Iб=0 Vкэ[B]

а)

б) Рис. 3.3. - 12 -

фиксированных значениях тока базы. Ik=f2 (Vke)тб=konst.которую называют семейством выходных или коллекторных характеристик транзистора. (рис. 3.3б). Как видно на рисунке 3.3а входная характеристика практически не зависит от напряжения Vкэ. Выходные характеристики (рис.3.3б) приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения Vкэ. Таким образом электрическое состояние транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, характеризуется четырьмя величинами Iб, Vбэ, Ir. Vкэ. Обычно независимыми величинами берут Iв, Vкэ. Тогда Vбэ=F1(Iб,Vкэ). и Iк =F2(Iб,Vкэ). Для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используют так называемые h-параметры транзистора, включенного с общим эмиттером. В пределах линейной части характеристик эти h-параметры могут быть найдены по соответствующим приращениям токов и напряжений: h11= ∆Vбэ/ ∆Iб при Vкэ=const (∆Vкэ=0) при IБ=const (∆IБ=0) h12Э=∆VБЭ/∆Vкэ h21Э=∆VК/∆VБ при VКЭ=const (∆VКЭ=0) h22Э=∆ik/∆VkЭ при IБ=const (∆IБ=0) Параметр h11э представляет собой входное сопротивление биполярного транзистора. Параметр h12э – безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению ( h12э= 0,002- 0,0002). Параметр h21э безразмерный коэффициент передачи тока. Параметр h22э- характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы. h- параметры транзистора позволяют достаточно просто создать схему замещения транзистора, в которой присутствуют только резисторы и управляемый источник тока (рис.3.4.)

- 13 -

I=h21

Iб

Uбэ h11

Iб

A

Iк 1/h22

A

Uкэ ГТ

V

ГТ1

V

Рис. 3.4.

Рис. 3.5.

h- параметры необходимые находить по семейству соответствующих характеристик вблизи рабочей точки. Порядок выполнения работы 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 Iб=f(Vб) при Vкэ= . . . . .данные занести в таблицу 3.1 Таблица 3.1. Iб, мкА Vбэ,В 3

Снять семейство выходных характеристик транзистора Ir =f(Vкэ) при токах базы Iб=0

Данные занести в таблицу 3. 2.

- 14 -

Таблица 3.2 № вариантв 1 2 3 4 5

№ 1 Iк, мА Vкэ,В Iк, мА Vкэ, В Iк, мА Vкэ,В Iк, мА Vкэ,В Iк, мА Vкэ,В

2

Номер опыта 3 4 5

6

7 IБ=0 Iб= Iб= Iб= Iб= Iб= Iб= Iб= Iб=

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 Vкэ 6 Провести линию нагрузки для Rк=3 КOм и Ек = 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 2

Объясните принцип действия биполярного транзистора. 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 Еси, 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 -

и

затвор

с

3

между р- каналом и исток исток n-тип полупроводником п-типа, который находится у Ik p-n переход затвора, включен в n-тип обратном направлении. E 3 Ширина каждого р-п Ic I3 Ec 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 Vси < 0, Vзи ≥0. Когда суммарное напряжение достигает напряжения запирания Vси+ ( Vзи) =Vзап. Сопротивление канала резко возрастает. Зависимость тока стока Iс от напряжения Vси при постоянном напряженииVзи называются выходными (стоковыми) вольт - амперными характеристиками полевого транзистора ( рис 4.2). Ic[mA]

Iс[мА]

Uзи=0

(участок насыщения). Данный участок насыщения является рабочей областью выходных характеристик полевого транзистора. Увеличение значения отрицательного напряжения Vзи между затвором и истоком ведет к укорачиванию участка насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения Vси 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 Iс= f(Vзи) (рис.4.3). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения Vси. Основными параметрами полевых транзисторов являются крутизна характеристики передачи S = dIc / dVpb │ Vси = соnst и дифференциальное сопротивление стока на участке насыщения Rc = dVси / dIc |Vзи = const Для полевых транзисторов с р-п переходом S= 1-20 мА/В, Rс=0.1-0.5Мом. В качестве предельно допустимых параметров нормируется максимально допустимое напряжение Vси мах и Vзи мах: максимально допустимая мощность стока Рс мах; максимально допустимый ток стока Ic мах. Для полевых транзисторов с р-п переходом Vси мах= 5100 В,Рс мах=0,1-10Вт, Ic мах= 10-1000 мА.

-1

Порядок выполнения работ

-2 -3 -4 Ucи[B]

Uзн[B]

Рис 4.2.

0

Рис. 4.3.

Как видно из данных вольт – амперных характеристик ток стока Ic возрастает с увеличением Vси, затем этот рост тока прекращается - 17 -

В работе используются: ГН1, ГН2, АВ1, АВ2, ИзмВ, 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 Ic=f(Vcи ) 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. Варианты Величины 1 1 2 3 4 5

2

Номер опыта 3 4 5

Таблица 4.1. Примечания

Vзи= Vзи= Vзи= Vзи=

3 По выходным характеристикам, полученным в п. 2 построить передаточную характеристику Ic=f(Vзи) транзистора. 4 Снять экспериментальным путем передаточную характеристику Ic=f(Vзи) 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 Ic и данные внести в таблицу 4.2. Напряжение отсечки Vотс имеет место при токе стока, равным 5-10 мА Таблица 4.2 Номер опыта ВеличиПримечаны ния 1 2 3 4 5 6 Vзи, В Vси= Iс, мА 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 -

Контрольные вопросы

6 Vзи=0

Vси, В Iс, мА Vси, В Iс, мА Vси, В Iс, мА Vси, В Iс, мА Vси, В Iс, мА

ференциального сопротивления стока Rc и сравнить их с идеальными значениями.

1 2

Объясните принцип действия полевого транзистора. Почему полевой транзистор иногда называют униполяр-

3

Каково применение на практике полевых транзисторов?

ным?

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 точкиV2а =V2в сдвинута по фазе на 180 градусов (рис.5.2 а) Работу выпрямителя удобно Тр д2 Ia +(-) рассматривать с помощью 1 временных диаграмм (рис. 5.2.) U2а В полупериод 0 – Т/2 диод Uн Iн1 открыть, т.к. потенциал точки U1 0 “а” выше потенциала точки Iн2 “о”, и под действием U2в напряжения Vza в нагрузочном сопротивлении Rн протекает (-)(+) Ia2 тока Iа1. Диод Д2 закрыт (рис. д2 Рис. 5.1 2.5,б). В полупериод Т/2 – Т диод U2a U2b U2a Де открыт, т.к. теперь потенциT/ t 2 ал точки “в” выше потенциала T 0 точки “о”, и под действием наa) пряжения V2B в нагрузочном сопротивлении Rн протекает ток Ia2, имеющий такое же направление, как и ток Iа1. Диод Д1 при этом закрыт (рис.5.2,в). Так как V2a=V2в, то и токи д) Iа1и Iа2также равны. 0 В последующие периоды Iн времени процессы в схеме пог) Uиср вторяются: поочередно провоIиср дят ток то диод Д1, то диод Д2, t и по нагрузке протекает пуль 0 Ia1

0

Ia2

б)

- 21 -

t 0

сирующий ток Iн (рис. 5.2,г). Основными электрическими параметрами неуправляемых выпрямителей являются:

Рис. 5.2 среднее значения выпрямленных тока и напряжения Iн ср и Vн ср; мощность нагрузочного устройства Рн ср=Vн ср*Iн ср: амплитуда основной гармоники пульсации выпрямленного напряжения a Vосн m; коэффициент пульсации выпрямленного напряжения Р=Vосн m/ Vн ср: действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора I1, V1, I2,V2. Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для электрических параметров выпрямителя: Т 2V 2 2V2 1 Vн ср= ∫ V2 m sin ϖtd ( wt ) = 2 m = = 0,9V2 (5.1)

π

I нср =

π

0

Vн.ср Rн

=

0,9V2 Rн

π

(5.2)

Разложение в ряд Фурье кривой Vн позволяет определить значение коэффициента пульсации: (5.3) VH=Vн.ср(1+2/3cosωt - 2/15cos4ωt +…….). Отсюда Vмн1=Vн.ср*2/3 Vн.ср ∗ 2 / 3 2 Следовательно Р= = = 0,67 (5.4) 3 Vн.ср Действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора:

π

Vн.ср = 1,11 * Vн.ср 2 2 π * Vн.ср I2 = = 0,78I н.ср 2 * 2 * Rн V2=

- 22 -

(5.5) (5.6)

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

Vобр.max=π*Vн.ср.

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

(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).

1

V1 ~1

4

А

Uн

R1 R2 V2

2

C1 C2

~3

3 5

1 Iн

Рис.5.3.

2 3 4

Рис. 5.4.

Основным параметром, характеризующим эффективность действие сглаживающих фильтров, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра: Q=Рвх/Рвых. (5.8)

5

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

9

- 23 -

6 7 8

Программа работы Исследование выпрямителя без фильтра 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:V1. 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 ИсНI c гнездами «~1», «~2» и «~3» панели соответственно. Включить осциллограф и подготовит его к работе. Включить стенд и используемые блоки ИсНI. АВ1, АВ2. При помощи осциллографа зарисовать форму напряжения между гнездами «~1» и «~3», определить его амплитуду, период и частоту(гнездаХ1,Х2). Выполните п 4 для напряжения на какой- либо половине обмотки трансформатора ( гнезда Х5иХ1 илиХ5 и Х2 Выполнить п.4 для напряжения на диоде V1 (гнездаХ1, Х3). Выполнить п 4 для напряжения на диодеV2 (гнездаХ2,Х3). Выполнить п 4 для напряжения на сопротивлении нагрузки R2 (гнезда4,5) Снять внешнюю характеристику Vн (Iн) Одновременно измеряя при помощи осциллографа амплитуду напряжения на R2 . - 24 -

Данные занести в таблицу 5.1. По измеряемому Vн расч.

Vнм расcчитать Таблица5.1.

R2, Ом IH, мA Vн, В VмнВ Vн расч., В Р

510

1000

1500

∞

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 Рф по формуле 17. По результатам п.п.15, 16 рассчитать по формуле коэффициент сглаживания q 18. Снять внешнюю характеристику Vн (Iн), одновременно измеряя при помощи осциллографа Р, Рф,q. Данные занести в таблицу 5.2

- 25 -

Таблица 5.2. Rн, Ом Iн, мА Vн В Vмахн Vмпн Р Vмах ф Vмin Ф РФ q

510

1000

1500

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

A PA V1

1

x1

R1

x3

x6

x7

x8

I

V2

РАБОТА №6 V3

“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.

V4

2

x2

x4

Рис. 6.1. U1 а)

Wt Uy Wt

б)

a U

в)

г)

Wt a=0

I

I0

I

a=60 90

е)

0

Wt

I0 a

Wt

0

I

I0 a

Рис.6.2. - 27 -

x10

- 28 -

Wt

x9

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. ЗдесьV1-напряжение питания, Vу- управляющие импульсы, подаваемые с блока управления AV и Iнапряжение и ток нагрузки. Ток нагрузки I, а значит, и постоянная составляющая Iсу этого тока, регулируются при помощи положительных импульсов Vу, подаваемых на управляющие электроды тиристоров и регулируемых по фазному углу в предела от 180 0до 00.. 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 Vнα от угла управления α называется регулировочной характеристикой. Она определяется зависимостью от угла α как зависимость от угла среднего значения выпрямленного напряжения V на нагрузке:

ничителей, собранных на транзисторах V3 и V4; дифференцирующих цепей С2 R6 и С3 R7: диодов- ограничителей V5 и V6. выделяющих положительные управляющие импульсы. Изменяя величину сопротивления R1. изменяем время подачи управляющих импульсов на тиристоры. R4 c2 R1

R2 v3 R6

v1

v5 R8

общ c1

v2

R3 v4

R7

v6

R4

V Hα =

1

π

= 2V2 sin wtd ( wt ) = Vнo

1 + cos α , 2

c3 R5

где Vно—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. Uна Принципиальная электрическая схема блока управления приведена на рис. 6.3. Схема состоит из фазовращательного моста, содержащего конденсатор С1 и переменный резистор R1; диодовV1 и V2 формирователей отрицательных полупериодов переменного а 0 напряжения; усилителей – ограРис. 6.3. П - 29 -

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 V2КУ101Б, диоды V3, V4 –КД103А, управляющий блок АА5, резистор R1- 100 Ом 2.2. Соединить гнезда Х1 и Х2 с гнездами ИсН2. 2.3. Левые гнезда блока управления А-5 соединить соответственно с гнездами I5В, ОБЩ, 15В, Исн1 Положение пе- 30 -

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

реключателя Исн1 любое. 2.4. Правые гнезда блока управления А5 соединить с гнездами15В, 0, ИсНЗ соответственно -АВ1 соот2.5. ГнездаХ7,Х8 соединить с гнездами + и ветственно,АВ1 использовать на пределе 250 мА. 2.6. Соединить гнезда Х9 и Х10. 2.7. Подключить осциллограф к гнездам Х3 и Х5, соблюдая полярность. Включить стенд, блок АВ1, осциллограф. Вывести потенциометр блока управления в крайнее положение по часовой стрелке (α =0). Получить устойчивое изображение кривой тока при α =0. Ручкой потенциометра блока управления установить три значения α : п/3, п/2, 2п/3 и снять три осциллограммы напряжения. Указать на осциллограммах амплитудное и среднее значение напряжения, величину угла α . Снять регулировочную характеристику Iоα/ Iо-F (α) для 6-8 значений угла α, измеряя ток Icα по АВI на пределе 250мА Результаты занести в таблицу 6.1. Рассчитать регулировочную характеристику, результаты расчета занести таблицу 6.1. Таблица 6.1.

Результаты опыта Показания Ioα α cos Ioα/Io Осцилогр. α П - клеток мА град 0 … 160

Результаты расчёта Co Ioα Ioα/Io sα град мА 0 … 180 α

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 V2. V4 V6. у которых электрически соединены аноды, образуют анодную группу; вентили V1. V3. V5 с объединенными катодами образуют катодную группу. Нагрузка включается между точками соединения катодов и анодов вентилей. - 32 -

а в t

T

U н

2

3

4

5

Iн

v5

а б в

R1 Uн v2

v4

Рис. 7.1. - 33 -

v6

t

t/6

x5

Порядок v3

6

Рис. 7.2.

PA x4

v1

U в

с

1

где V2-действующее значение фазного напряжения. Коэффициент пульсаций данного выпрямителя равен 0,057

U с

U в

Uа

U0

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 вентилиV1V6 ; 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.): Vн ср= 2,34*V2 , (7.1)

I0

U0

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 V2м. 5 Снять внешнюю характеристику V0=f(Iо), поочередно устанавливая = = 150 Ом, 300 Ом, 510 Ом, 750 Ом,1000 Ом Результаты измерений внести в таблицу 7.1. Таблица 7.1. R1, Ом V0, B I0, мА V2, B

150

300

510

750

1000

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 Rб, необходимого для создания требуемого режима, стабилитрона Д. Нагрузка Rн включена параллельно стабилитрону. Стабилизатор подключается к выходу выпрямителя с фильтром Iб

Iн Iс

Uб Uвх

D

Uст

Uвх

Uн Uвх

Uн=U I ст 1 I ст 2

Rн

I ст

Рис. 8.1.

Рис. 8.2. - 36 -

Для обеспечения принципа действия параметрического стабилизатора напряжения построим вольт- амперные характеристики нелинейного элемента- стабилитрона и линейного- резистора Rб исходя из выражения Vвх1= Vcт1 + Rб*I ст2 Для линейного резистора Rб построена так называемая «опрокинутая» вольт- амперная характеристика. При Vвх=Vвх1 эти вольтамперные характеристики пересекаются в точке А. При увеличении входного напряжения на ∆Vвх, вольт- амперная характеристика Rб переместится параллельно самой себя и пересечется с в.а.х. стабилитрона в точке А. Как видно из рисунка, изменение напряжения на нагрузке Vн практически остается неизменным. Заметим, что стабилизатор будет работать нормально, значение тока в точке А соответствует нормальному току стабилитрона Iст ном., который дается в паспорте. Приведем основные соотношения для стабилизатора. Из схемы рис. 8.1. следует: Iб=Iст+ Iн ;

Vвх= Vб + Vн

Отсюда для тока стабилизатора Iст=Vрх—Vн/ Rб – Vн/ RН

(8.1.) (8.2.)

где Vн-Vcт изменится незначительно. Расчет стабилизатора сводится к выбору Rб, при котором через стабилитрон протекал бы ток Iст мин(см рис. 8.2.) Из (8.2.)имеем: RБ=

VВХ . min − VН V I СТ . min + H RH min

(8.3.)

Величина минимального тока Icт мах, протекающего через стабилитрон, ограничивается максимально допустимым значением тока через стабилитрон. - 37 -

Icт.max=

Vих. max − V H VH − RБ R H . max

(8.4.)

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

∆VВХ ∆VH : VВХ VH

(8.5.)

Выражение (8.5.) может быть упрощено использованием понятия дифференциальное сопротивление. ∆VВХ ( R Д // RH ) ∆VH= RД =∆VCT / ∆ICT ; RБ + R Д // RH Так как RH>>RД и RБ>>RД, то ∆VH=

∆VВX ∗ R Д

RБ При использовании последнего выражения коэффициент стабилизации запишем в виде: Кст=

∆VВХ * RБ / RД VВХ

(8.6.)

Другим параметром стабилизатора является его выходное сопротивление Rвых для параметрических стабилизаторов Rвых= R∆// RБ=RД 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. V I 4. На в.а.х. стабилитрона, полученной в п. 3, построить «опрокинутую» в.а.х. балластного сопротивления Rб= R1 и найти рабочую точку А для цепи стабилизатора. 5 Экспериментальным путем установить значение токов Iст мип и Iст мах и соответствующие им значения напряжений Vвх мип,Vвх мах, Vн. фактически 6. По данным п 5 вычислить значения сопротивления Rбмах и Rб мiп которые определяют условия стабилизации стабилизатора 7. Измеряя напряжения Vвх и Vн, 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. Измерены V ∆VCT

Вычислены RД КСТ

∆ICT VH R2=RH=2.4 к Ом R2=4.3 к Ом R2=7.5 к Ом 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 подаIвх I вых ется в нагрузку. Низкочастотный усилитель с Uвх Uвы 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 -

+Ес R1 C1

R3

C1

V2

R5

V1

R6

R7

-

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

KU п/2

C3

0 -п/2

R2

R4

R7

R9

R10

Рис. 9.2.

wн.гр.

wв.гр.

w

а)

б) Рис. 9.3.

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 Rv= Vвых/Vвх, по току Кi= Iвых/ Iвх, , по мощности Кр= Рвых / РВх= Кv*Ki полосой пропускания, номинальным выходным напряжением, номинальной выходной мощностью, коэффициентом вносимых искажений (частотных, фазовых, нелинейных), к.п.д., входным и выходным сопротивлениями.

При очень низких частотах (Wн → о) коэффициент усиления усилителя Ку→ о, так как сопротивление конденсатора связи Хс = 1 / w →∞ При очень высоких частотах ( Wв ---∞) коэффициент усиления усилителя Ку → ∞, так как сопротивление конденсатора связи Хс = 1/wн С. → ∞ При очень высоких частотах (Wв → ∞) коэффициент усиления Кв---о, так как сопротивление емкостного элемента Хс = 1 /WвС → 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 = Ко /кv= √ 1+d / (wнтн)2, на верхних частотах Мв = Ко /кв = √ 1+( wвтв ), где τв . τн - 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

- 41 -

- 42 -

Частоты Wн гри Wв 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 ∆f= fв гр-fн 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 СуКу. Усиление в 0 децибеллов соответствует Ку = 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. VВХ, В VВЫХ, В Ку 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. f, Гц VВЫХ, В К - 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.

5 Как осуществляется связь каскадов в многокаскадном усилителе? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 «Исследование устройства на операционных усилителя»

VВХ, В VВЫХ, В Ку

Цель работы: изучение работы компаратора, тригера Шмитта и мультивибратора и снятие их характеристик.

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. f, Гц VВЫХ, В К 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 -

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 Uвх.и (рис.10.1). Один из входов называется неинвертирующим (Vвх н «+», «+»,), а другой- инвентирующим (Vвх. Uвх.н 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 напряженияVвх с опорным напряжением Vоп. Существуют компараторы для сравнения разнополярных напряжений и напряжений одинаковой полярности. - 46 -

На рис.10.2а, приведена схема однопорогового компаратора для сравнения сигналов одинаковой полярности. НапряжениеVвых на входе в ОУ зависит от разности входных напряжений. При напряжении Vвх меньше чем опорное Vоп , напряжение Vоп определяет состояние выхода. Разность напряжений Vвх-Vоп является входным дифференциальным напряжением Vд ОУ, что и определяет состояние передаточной характеристики компаратора ( рис 10. 2.б) Изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда напряжение Vвх> Vоп Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ при Vд= Vвх- Vоп=О имеет место режим ограничения выходного напряжения: Vвых = V+вых мах при Vвх< Vоп, (10.1) Vвых =V-вых мах приVвх > Vоп, где напряжение V+вых мах и V-вых мах имеют значения, близкие к значению напряжения Vн источника питания ОУ. +Uп Uвх

-

Uсп

Uд

Uвых

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 + вых , max − Vоп ⋅ R1 (10.2) Vср=Vоп+ R1 + R2 V − вых , max − Vоп ⋅ R1 (10.3) R1 + R2 Откуда ширина зоны нечувствительности равна: R1 + − (10.4) VЗН = Vср – Vотп = (Vвых max + Vвых max ) R2 + R1 Vср=Vоп -

t

+Uп

+ ОУ -

-Uп

+Uп Uвых

Uвых +

Uвых.мах -Uп

0

Uстп

Uсп

Uср

R1

Uвх

Ucп

Рис10,2

Uвх R2

Uвых.мах

-Uп

Uвх

Ucп

Рис10,3

Uзн

U

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 -

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 выхR-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:

V + вых max − βV − выхmах t n1 = RCLn + V выхmах − βV + выхmах tn2

(10.5)

V + выхmах − βV − выхmах = RC * Ln − V выхmах − βV − выхmах

(10.6) где tn1 и tn2 – время пребывания мультивибратора при положительном и отрицательном уровнях напряжений V+вых мах и V-вых махкоэффициент ПОС. β= R1/ R1 + R2 -коэффициент ПОС. Если напряжение питания +Vn и –Vn одинаковы, что имеет место практически во всех ОУ, то времена Тн1 и Тн2 равны между собой, а период Т генерируемых сигналов вычисляют из соотношения: T= tn1 + tn2=2RC*Ln(1+2*R1/R2) (10.7) Uc

Uвых.м ах

Uвых

+Uп +U2

ОУ

Uc

t t1

t2

t3

-Uп R2

-U2

С R1 Uвых.мин T

а)

б) Рис. 10.4.

- 49 -

Uвых

R3

- 50 -

t4

Ко1 - масштабный коэффициент развертки луча осциллографа в ( в/дел*): Б исследование триггера Шмита

Установите стенд со сменной панелью 17-03/20. Соберите цепи схемы, приведенной на рис. 10.3.а. Установите съемные элементы:R1= 10кОм, R2=4.7кОм. Соедините гнезда «+Vн», «-Vн», Х5 ОУ с гнездами «+15», «15», «0» блока питания Исн3. Выход ОУ соедините с входом осциллографа. 5. Соедините гнезда источника напряжения Vвх (ГН2) с ОУ, соблюдая соответствующую полярность. Переключатель ГН2 поставьте в положение «10в». 6. Включите стенд, блоки питания ГН1 и ГН2, Исн3 и осциллограф 01-73. 7. Снимите передаточную характеристику триггера Шмитта при Vвх=1…10 в (6-8 значений).НапряжениеVоп установите в пределах 5-8 в. Для измерения напряжений Vвх и Vоп подключите гнезда «+» и «_» приборов АВ1 и АВ2 к гнездам источников питания ГН1 и ГН2, соблюдая полярность. Заметьте и запишите значения напряжений Vвх, соответствующиеVср и Vст п в моменты изменения (по осциллографу) полярности напряжения Vвых. Результаты измерений занесите в таблицу 10.2. 8. Постройте передаточную характеристику триггера Шмитта: Vвых= f(Vвх), Vоп= const. Таблица 10.2. Vоn Vвх -Vn +Vn №п/п Ko1 V+вых V+вых мах мах B B B B B/дел В В Увеличение 1 2 3 Снижение 1 2 3 В Исследование мультивибратора.

- 51 -

- 52 -

Порядок выполнения работы А Исследование компаратора. 1. Установить на стенд сменную панель 17-03/20. 2. Собрать цепи схемы приведенной на рис. 10.2.а. 3. Соедините гнезда «+Vн» «-Vн», Х5 ОУ с гнездами «+15», «15», «0» блока питания Исн3. Выход ОУ соединить с входом осциллографа. 4. Соединить гнезда источника напряжения Vнх (ГН) и опорного напряжения Vоп (ГН2) с ОУ, соблюдая соответствующую полярность Переключатель ГН поставьте в положение «10 в». 5. Включите стенд, блоки питания ГН1 и ГН2, Исн3, осциллограф С1-73. 6. Установите значение Vоп в пределах 4…8 в произведите питание ОУ от блока Исн3 напряжением +- 15 в. 7. Снимите передаточную характеристику компаратора при Vвх= 1…10 в (6- 8 значений). Для измерения напряжений Vвх и Vоп соединить гнезда приборовАВ1 иАВ2 «+» «_» с гнездами источников питания ГН1 и ГН2, соблюдая полярность. Заметьте и запишите значения напряженияVвх. При изменении (по осциллографу) полярности напряжения Vвых. Результаты измерений занесите в таблицу 10.1. 8. Постройте передаточную характеристику компаратора: Vвых=f(Vвх); Vоn-const

Таблица 10. 1 №п/п

Vоn

Vвх

-Vn

+Vn

B

B

B

B

Ko1 B/дел

V+вых мах В

V+вых мах В

I

1. 2. 3. 4.

1. Установите съемную панель 17-03/20. 2. Соберите цепи схемы, приведенные на рисунке 10.4а. 3. Установите съемные элементы: СУ, R..R1. R2. C/ При исследовании мультивибратора используйте следующие номиналы съемных элементов: К табл.10.3:R=30кОм; С=0,1мкф R2=100rJv R1=(1.4; 4.7; 7.5; 10,0. 15,0. 20,0.)кОм К табл 10.4 С= 0,01мкф,; R1=10кОм, R2=100кОм R=(2.4; 4,7; 7,6; 10,0; 15,0; 20,0; 30,0) кОм К табл. 10.5 R=30кОм; R1=10кОм; R2=100кОм; С=( 0,033; 0,066; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0)мкф 4. Соедините гнезда «+Vп», «-Vп», ХБ ОУ с гнездами «+15» «-15», «0», блока питания Исн3. Выход ОУ соедините с входом осциллографа. 5. Включите стенд, блок питания Исн3, осциллограф С1-73. 6. Снимите характеристику влияние параметров элементов цепи ПОС (для 5-7 значений R1, рекомендованных для таблицы,10.3.) на период переключений мультивибратора. Результаты измерений занесите в таблицу10.3 и постройте характеристику Т=F(β) при C=const+ R=const. Сравните результаты расчета и опытных данных. 7. Cнимите характеристику влияния параметров элементов цепи ПОС (для 5-7 значений R1 рекомендованных для таблицы 10.4) на период переключений мультивибратора. Результаты измерений занести в таблицу 10.4 и постройте характеристику Т=f(R) при С=const. Сравните результаты расчета и опытных данных. 8. Снимите характеристику влияния параметров конденсатора С (для 5-7 значений С, рекомендованных для таблицы 10.5.) на период переключений мультивибратора. Результаты измерений занести в таблицу 10.5. и постройте характеристику Т=f(C) при R const. Сравните результаты расчета и опытных данных.

- 53 -

Таблица 10.3 № Опытные данные пп Расчёт R R1 R2

C

K0

n

Т

K01

Vвы

β

Т

х

кО м

кО м

кО м

мк Ф

мс/де л

де л

м С

В/де л

В

м С

1 2 3 Таблица 10.4. № п/п

Опытные данные Расчёт R K0 n кОм мс/дел дел

R1/R2

C мкФ

T мс

K01 В/дел

Vвыхмах В

Т мс

1 2 3 Таблица 10.5. № п/ п

Опытные данные Расчёт R

R1

R2

C

K0

n

Т

K01

Vвы

кО м

кО м

кО м

мк Ф

мс/де л

де л

м С

В/де л

В

β

Т

х

м С

1 2 3 В таблицах обозначены: Ко- масштабный коэффициент развертки луча осциллографа вмс/дел; h-число делений шкалы осциллографа, приходящийся на период Т переключений. - 54 -

Контрольные вопросы

1 Почему в мультивибраторе выходное напряжение принимает значение V+вых.мах. и V-вых. Мах. То есть значение напряжений насыщения ОУ? 2 Как влияет увеличение емкости конденсатора С на период переключений мультивибратора? 3 Как влияет увеличение сопротивления резистора R в цепи 00С на период переключений мультивибратора? 4 Почему снижение коэффициента β ПОС приводит к увеличению периода Т и переключений мультивибратора? Литература:

1. Основы промышленной электроники. /Под.ред.проф. В.Г.Герасимова. – М.: Высшая школа, 1986. 2. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники / Под ред. Проф. А.В.Нетушила. – М.: Высшая школа, 1986. 3. ЗабродинЮ.С. Промышленная электроника.-М.: Высшая школа, 1986. 4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. –М.: Энергоиздат,1983 5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. /Под ред.проф. В.С.Пантюшина.- М.: Высшая школа, 1979.

- 55 -