Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Е.Г. Типикин
по курсу
«ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»
ОБНИНСК 2001
Типикин Е.Г. Лабораторный практикум по курсу
«Электротехника и электроника». -Обнинск, ИАТЭ, 2001, -35с.
В лабораторный практикум вошли описания лабораторных работ по второй части курса «Электротехника и электроника». Описание каждой лабораторной работы состоит из кратких теоретических сведений, рабочего задания и контрольных вопросов. В заключении приводится список литературы. Практикум рассчитан на студентов факультетов ФЭФ и ФЕН.
Рецензенты: к.т.н. И.К.Заратуйченко,
В.Н.Мяздриков
Темплан 2001,поз.39
© Обнинский институт атомной энергетики,2001 г
Цель работы: экспериментальное получение вольт-амперных характеристик (ВАХ) биполярного транзистора и определение по ним параметров эквивалентной схемы замещения транзистора.
Краткие теоретические сведения. Для использования транзисторов необходимо представ ление сведений о них в виде характеристик и параметров, которые позволяют правильно выбрать транзистор и опре делить режимы его работы.
Транзистор описывается семействами вы ходных и входных характеристик. Рассмотрим в качестве примера семейства ВАХ транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.
Выходной или коллекторной ВАХ транзистора называ ется зависимость коллекторного тока от напряжения меж ду коллектором и эмиттером IК = F(UКЭ), снятая при неиз менном токе базы IБ = const. Семейство выходных ВАХ транзистора приведено на рис.1.1а. Зависимость IК (UКЭ), как видно из рисунка, является нелинейной и может быть разбита на ряд участков.
На большей части характеристик при UКЭ > UКЭ.Н ток коллектора почти не зависит от напряжения UКЭ (пологий участок характеристик). На этом участке транзистор работает в режиме, когда на эмиттерном переходе действует прямое, а на коллекторном – обратное напряжение. Транзистор в этом случае может характеризоваться как прибор со свойствами управляемого источника тока, т. е. источника тока IК, значение которого можно изменять путем изменения тока IБ .
Для изменения входного тока базы, например, его увеличения, увеличивают прямое напряжение на эмиттерном переходе, и инжекция носителей из эмиттера в базу и ток эмиттера увеличивается. Увеличение тока базы обусловлено увеличением рекомбинации части дырок (транзистор p-n-p-типа) в тонкой базе.
Рис. 1.1. Выходные (а) и входные (б) характеристики биполярного транзистора
Основная часть приращения тока эмиттера вызывает приращение тока коллектора. Небольшой наклон пологого участка выходной характеристики обусловлен тем, что при увеличении напряжения UКЭ увеличивается напряжение на коллекторном переходе и расширяется слой коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации носителей, поэтому растет коллекторный ток.
При уменьшении UКЭ (крутой участок выходной характеристики) уменьшается напряжение на коллекторном переходе UКБ , и при UКЭ= UКЭ.Н = UБЭ напряжение UКБ = UКЭ - UБЭ изменяет свой знак. При дальнейшем уменьшении UКЭ до нуля к коллекторному переходу приложено прямое напряжение. Навстречу току дырок из эмиттера в коллектор начинается противоположное движение основных носителей из коллектора в базу. В результате коллекторный ток резко падает. Крутой участок выходных характеристик транзистора характеризуется потерей транзистором усилительных свойств, эта часть характеристик используется в импульсной технике при реализации ключевого режима работы транзистора. Напряжение, отсекающее крутой участок на выходных характеристиках, UКЭ.Н =0,2-1В.
Для предотвращения необратимого пробоя транзистора ограничиваются напряжение на коллекторе и мощность, рассеиваемая на коллекторном переходе (на рис.1.1а показаны ограничения рабочего участка характеристик).
Обратимся к рассмотрению входных характеристик транзистора - зависимостей тока базы от напряжения меж ду базой и эмиттером: IБ= F(UБЭ), при постоянном напря жении UКЭ. При UКЭ = 0 оба перехода в транзисторе ра ботают при прямом напряжении, токи коллектора и эмит тера суммируются в базе. Входная характеристика в этом режиме представляет собой ВАХ двух р-п переходов, вклю ченных параллельно (рис. 1.1б).
При UКЭ > UКЭ,Н, на коллекторном переходе появляется обратное напряжение, на эмиттерном — сохраняется пря мое. Ток базы в этом режиме, обусловленный процессом рекомбинации неосновных носителей в базе, равен разности эмиттерного и коллекторного токов. Входная характеристика транзистора рис. 1.1б в этом ре жиме строится по прямой ветви ВАХ эмиттерного перехода, но значения тока уменьшаются, поскольку ток базы — это лишь рекомбинационная составляющая эмиттерного тока.
При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис. 1.2), на входе которого действует напряжение u1 и протекает ток i1, а на выходе — напряжение u2 и ток i2.
Рис.1.2. Схема транзистора, представленного в виде активного четырехполюсника
Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, т.к. они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид:
u1 = h11 i1 + h12 u2;
i2 = h21 i1 + h22 u2 .
Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:
h11 = i1 / u1 - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (u2=0);
h12 = i1 / u2 - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе (i1=0);
h21 = i2 / i1 - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе (u2=0);
h22 = i2 / u2 - выходная проводимость при холостом ходе на входе (i1=0).
Знание h-параметров позволяет построить эквивалентную линейную схему замещения транзистора, изображенную на рис.1.3.
Подобные схемы замещения используются при аналитическом расчете транзисторных схем, позволяют получить простые расчетные соотношения и произвести количественную оценку параметров схем.
Рис.1.3. Эквивалентная схема замещения транзистора в
h-параметрах
Значения h-параметров зависят от выбора рабочей точки, температуры, частоты и схемы включения транзистора. Для определенной схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК) добавляются соответствующие ин дексы (Э, Б, К) при обозначении параметров, например h11Э; h22 K и т. д.
Приближенные значения h-параметров можно определить графоаналитическим способом по статическим входным и выходным харак теристикам. Для определения всех h-параметров необходимо иметь не менее двух характеристик каждого семейства (входных и выход ных). Параметры рассчитываются по величинам конечных при ращений токов и напряжений вблизи рабочей точки транзис тора.
Для схемы с ОЭ на семействе входных характеристик в рабочей точке А строят треугольник, из А проводят прямые, параллельные оси абсцисс и оси ординат до пересечения со второй характеристикой в точках В и С (рис. 1.4а). Из характеристического треугольника АВС получают все необходимые величины для определения h11Э и h12Э :
(1.1)
Рис.1.4. Определение h-параметров по ВАХ транзистора
В рабочей точке А’ по выходным характеристикам (рис.1.4б) определяют параметры h22Э и h21Э :
. (1.2)
Аналогично можно определить h-параметры для любой схемы включения транзистора.
Рабочее задание
1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого
а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.1.5);
б) при отключенном макете установите напряжение источника ЕК равным 12 В; не изменяя значения установленного напряжения, выключите источник;
Рис.1.5. Схема исследуемой цепи
в) соберите исследуемую цепь в соответствии с рис.1.5, в качестве RБ используйте магазин сопротивлений, особое внимание обратите на полярность включения источника напряжения ЕК;
г) установите сопротивление RБ равным 90 кОм;
д)включите напряжение питания ЕК.
2. Сни мите семейство входных ВАХ IБ= F(UБЭ). Для этого
а) с помощью потенциометра R установите напряжение UКЭ = 2В, измерьте соответствующее напряжение UБЭ ;
б) меняя значение RБ в пределах от 90 к0м до 20 к0м и поддерживая при этом UКЭ постоянным, измерьте соответствующие значения напряжения UБЭ ;
в) повторите измерения при UКЭ = 5 В.
Проведенные измерения сведите в табл.1. Для расчета IБ воспользуйтесь законом Ома .
3. Сни мите семейство выходных ВАХ IК= F(UКЭ). Для этого
а) установите сопротивление RБ равным 90 кОм;
б) с помощью потенциометра R доведите напряжение UКЭ до минимального значения, измерьте соответствующее напряжение URК на резисторе RК ;
в) увеличивая с помощью потенциометра R напряжение UКЭ повторите измерения при нескольких значениях UКЭ, доведя его до возможно большего значения.
в) повторите измерения при RБ = 70 и 50 кОм.
Проведенные измерения сведите в табл.2. Для расчета IК воспользуйтесь законом Ома .
4. По полученным данным постройте семейство входных и выходных ВАХ биполярного транзистора.
5. Рассчитайте h-параметры транзистора, воспользовавшись соотношениями (1.1) и (1.2).
6. Постройте эквивалентную схему замещения транзистора, указав в ней полученные значения h-параметров.
Контрольные вопросы
1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах биполярных транзисторов.
2.Что такое входные и выходные вольт-амперные характеристики транзистора?
3.Каков смысл h-параметров транзистора?
4.Как определить h-параметры по ВАХ транзистора?
5. Как строится и для чего используется эквивалентная схема замещения транзистора в h-параметрах?
Таблица 1
|
UКЭ = 2 В |
UКЭ = 5 В |
||||
|
RБ кОм |
UБЭ В |
IБ мА |
RБ кОм |
UБЭ В |
IБ мА |
|
90 … 20 |
90 … 20 |
Таблица 2
|
RБ =90 кОм |
RБ =70 кОм |
RБ =50 кОм |
||||||
|
UКЭ В |
URК В |
IКм А |
UКЭ В |
URК В |
IКм А |
UКЭ В |
URК В |
IКм А |
Цель работы: экспериментальное получение вольт-амперных характеристик (ВАХ) полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и определение параметров транзистора.
Краткие теоретические сведения. Полевым транзистором (ПТ) называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создается носителями заряда одного знака, а управление током осуществляется электрическим полем. ПТ подразделяются на два вида: полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором. Структурная схема ПТ с управляющим p-n-переходом представлена на рис.2.1.
Центральную область транзистора называют каналом. В зависимости от проводимости канала выделяют ПТ с каналом n-типа или каналом p-типа. Канал n-типа обладает электронной проводимостью, p-типа - дырочной. Электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком (И), а электрод, через который носители уходят из канала, - стоком (С). Между стоком и истоком подключается источник питания UСИ и сопротивление нагрузки Rн. Напряжение прикладывается такой полярности, чтобы ток основных носителей протекал в канале от истока к стоку.
Рис.2.1. Структурная схема полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и р-каналом
Вдоль канала расположены слои полупроводника с проводимостью противоположного знака. Эти области соединены вместе и образуют единый электрод, называемый затвором (З). Между каналом и затвором образуется p-n-переход. Между затвором и истоком подается напряжение питания UЗИ, запирающее p-n-переход.
Работа ТП основана на изменении проводимости канала под действием напряжения, приложенного к затвору. При увеличении UЗИ p-n-переход смещается в обратном направлении, ширина слоев, обедненных носителями зарядов, увеличивается; p-n-переход расширяется. Концентрация примесей в полупроводниковых слоях затвора больше чем в канале, поэтому расширение p-n-перехода идет в основном за счет канала. Проводимость канала прямо пропорциональна эффективной площади его поперечного сечения. При расширении p-n-перехода эффективная площадь поперечного сечения уменьшается, снижается проводимость канала.
Таким образом, изменяя управляющее напряжение на затворе, можно изменять величину тока в канале. На рис. 2.2 представлены ВАХ ПТ: стокозатворная (при UCИ=const) и стоковая (при UЗИ = const). При UЗИ= UЗИОТС канал практически смыкается, эффективная площадь его сечения стремится к нулю, сопротивление – к бесконечности, а IC - к нулю.
Стоковые характеристики имеют явно выраженный нелинейный характер. В рабочем режиме используется пологий участок стоковой характеристики.
К основным параметрам ПТ относятся: крутизна стокозатворной характеристики (при UCИ=const), которая характеризует усилительные свойства ПТ и дифференциальное сопротивление канала (при UЗИ = const).
а) б)
Рис.2.2. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора
а - стокозатворная, б - стоковая
Для расчета крутизны на линейном участке стокозатворной характеристики строят треугольник АВС (рис.2.2а), по которому находят приращения тока и напряжения . Дифференциальное сопротивление канала определяется наклоном стоковой характеристики в области насыщения (рис. 2.2б). Этот параметр находят построением треугольника А’В’С’, по которому определяют приращения тока и напряжения .
Рабочее задание
1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого
а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.2.3);
Рис.2.3. Схема исследуемой цепи
б) соберите исследуемую цепь в соответствии с рис. 2.3, особое внимание обратите на полярность включения источников напряжения.
2. Снимите стокозатворную характеристику транзистора. Для этого
а) установите напряжение затвор – исток UЗИ равным нулю, напряжение сток – исток UCИ = 5В;
б)измерьте значение тока стока IC ;
в)изменяя напряжение UЗИ от нуля до 1,6 В, измерьте соответствующие значения тока стока IC ;
г)повторите измерения при напряжении UCИ = 10В.
Результаты измерений занесите в табл.2.1.
3. Снимите стоковые характеристики транзистора. Для этого
а) установите напряжение затвор – исток UЗИ равным нулю, напряжение сток – исток UCИ = 1В;
б)измерьте значение тока стока IC ;
в)изменяя напряжение сток – исток UCИ от 1 до 10 В, измерьте соответствующие значения тока стока IC ;
г)повторите измерения по п. в), изменяя напряжение UЗИ от 0 до 1,2 В.
Результаты измерений занесите в табл.2.2.
4. По результатам измерений постройте графики вольт-амперных характеристик полевого транзистора.
5. Рассчитайте крутизну стокозатворной характеристики S и дифференциальное сопротивление канала RСИ.
Контрольные вопросы
1. Расскажите об устройстве, принципах работы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
2. Какой вид имеют вольт-амперные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом?.
3. Назовите основные параметры полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.
4. Как определить параметры по ВАХ транзистора?.
5. Какие полевые транзисторы кроме полевого транзистора с управляющим p-n-переходом Вы знаете?
Таблица 2.1
|
Напряжение затвор – исток UЗИ , В |
Тока стока IC ,мА |
|
|
UСИ=5В |
UСИ=10В |
|
|
0 |
||
|
0.2 |
||
|
0,4 |
||
|
… |
||
|
1,6 |
Таблица 2.2
|
Напряжение сток – исток UСИ, В |
Тока стока IC ,мА |
||||
|
0 |
0,3 |
0,6 |
0,9 |
1,2 |
|
|
1 |
|||||
|
2 |
|||||
|
3 |
|||||
|
… |
|||||
|
10 |
Цель работы: определение рабочего режима по постоянному току и определение коэффициентов передачи усилителя на биполяр ном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ).
Краткие теоретические сведения. Каскады усиления чаще всего выполняют на транзисторах, вклю ченных с ОЭ, т.к. при этом получают наибольшее усиление сигнала по мощности (по сравнению с двумя другими схемами включения транзистора — с ОБ и ОК). Основными требо ваниями, предъявляемыми к каскаду, являются макси мальное усиление, минимальные частот ные и нелинейные искажения, высокая экономичность, температурная стабильность. При этом наиболее ответственным моментом является выбор рабо чей точки каскада — электрического состояния усили тельного элемента по постоянному току до поступления входного сигнала.
Рабочая точка каскада на транзисторе, включенном с ОЭ, определяется четырьмя параметрами: токами IБ р т и IК р т и напряжениями UБЭ р.т и UКЭ р.т. В активном режиме рабочую точку транзистора уста навливают подачей прямого напряжения на эмиттерный переход и обратного на коллекторный. Упрощенная схема транзисторного каскада на транзис торе р-n-р-типа показана на рис. 3.1а. В схеме на транзисто ре n-р-n-типа полярность источника питания будет проти воположной. Для коллекторной цепи каскада справедливо соотношение UКЭ = ЕК — IКRК, называемое уравнением линии нагрузки. Этому уравнению соответствует линия, пересекающая координатные оси IК и UКЭ (рис. 3.2а) в точках ЕК и ЕК /RК и называемая линией нагрузки. Для предотвращения необратимого пробоя транзистора линию нагрузки строят, исходя из условий:; .
При неизменных напряжении питания ЕК и сопротивлении резистора RК рабочая точка транзистора в любой момент усилительного процесса находится на линии нагрузки. На линии выделяют рабочий участок, в пре делах которого рабочая точка смещается под действием входного сигнала между точками Б и В, близкими соот ветственно к областям насыщения и отсечки. Предельные изменения входного тока базы должны быть такими, чтобы рабочая точка не выходила за пределы отрезка БВ. Для работы транзистора в активном режиме (класс А) рабочую точку выбирают посередине рабочего участка - точка А(р.т.). Положение точки А определяется тремя параметрами: IБ р т, IК р т и UКЭ р.т, четвертый параметр UБЭ р.т получают переносом рабочей точки на входную характеристику (рис. 3.2б). Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения, состоящим из резисторов R1 и R2 (рис. 3.1б). Обычно ток базового делителя выбирают из условия:
а) б)
Рис.3.1. Упрощенные схемы транзисторных каскадов
а) б)
Рис.3.2. Определение положения рабочей точки транзистора
а сопротивления его резисторов рассчитывают из уравнений:
;
.
Применение базового делителя способствует температурной стабилизации рабочей точки, но снижает входное сопротивление каскада и приводит к излишней нагрузке на источник входного сигнала и потере части энергии в базовом делителе.
Лучший результат температурной стабилизации дает эмиттерная стабилизация ра бочей точки, достигаемая за счет включения в цепь эмиттера резистора RЭ (рис. 3.3), который формирует отрицательную обратную связь по постоянному току. Сопротивление резистора RЭ рассчитывается по формуле
.
Рассмотрим процесс эмиттерной стабилизации рабо чей точки. При росте температуры увеличиваются не управляемый ток коллектора IКБ0, напряжение UБЭ р.т, а также токи базы IБ р т, и коллектора IК р т и, соответственно, растет падение напряжения на резисторе RЭ в эмиттер ной цепи. В результате снижается напряжение смещения на эмиттерном переходе, определяемое из уравнения:
,
а следовательно, уменьшаются токи эмиттера и коллектора, и рабочая точка возвращается в исходное положение. Для ослабления обратной связи по переменному току (при наличии входного переменного сигнала) параллельно резистору RЭ включают конденсатор СЭ. Его емкость выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого напряжения сопротивление конденсатора было много меньше RЭ.
Наиболее распространенная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером представлена на рис. 3.3. Входное усиливаемое переменное напряжение подается на вход усилителя через разделительный конденсатор С1. Конденсатор С1 препятствует передаче на вход усилителя постоянной составляющей напряжения входного сигнала, которая может вызвать нарушение режима работы транзистора по постоянному току. Усиленное переменное напряжение, снимаемое с коллектора транзистора, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением RН через разделительный конденсатор С2. Этот конденсатор служит для разделения выходной коллекторной цепи и внешней нагрузки по постоянному току.
При повышении частоты сигнала необходимо учиты вать влияние входной и выходной емкостей транзистора, шунтирующих входное и выходное сопротивления каска да, что проявляется в уменьшении полезного тока, посту пающего на его вход и в нагрузку. Для оценки влияния частоты сигнала на коэффициент усиления напряжения используют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилителя. Полосой пропускания усилителя называют интервал частот, в пределах которого коэффициент усиления снижается не более чем на 3 дБ (до уровня 0,707) по отношению к его максимальному значению.
Рис.3.3. Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Для определения основных динамических параметров усилительного каскада в режиме усиления переменного тока в области средних частот пользуются его эквивалентной схемой для переменных составляющих токов и напряжений. Сопротивления конденсаторов СЭ , С1 и С2 в области средних частот очень малы и ими можно пренебречь. Воспользовавшись схемой замещения транзистора в h-параметрах и, считая коэффициент обратной связи по напряжению h12 равным нулю, получим эквивалентную схему усилительного каскада (рис.3.4).
С помощью эквивалентной схемы определим основные параметры усилителя.
Рис.3.4. Эквивалентная схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Входное сопротивление каскада RВХ определяется параллельным соединением резисторов R1, R2 и h11. Однако обычно сопротивления резисторов R1 и R2 значительно больше h11, поэтому и, следовательно, .
Выходное сопротивление усилительного каскада определяется в соответствии со схемой выражением
.
Следовательно, с учетом последнего соотношения, выходной ток каскада iВЫХ может быть определен следующим образом:
.
Коэффициент передачи тока КI определяется в результате из выражения
.
Для коэффициента передачи напряжения КU получаем следующее соотношение:
.
Рис.3.5. Схема исследуемой цепи
Рабочее задание
1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого:
а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.3.5);
б) при отключенном макете установите напряжение источника ЕК равным 12 В, не изменяя значения установленного напряжения выключите источник;
в) соберите исследуемую цепь в соответствии с рис. 3.5, особое внимание обратите на полярность включения источника напряжения ЕК;
г) включите напряжение питания ЕК.
2. Зафиксируйте рабочий ре жим транзистора по постоянному току, для чего после включения постоянного источника питания Е измерьте постоянные составляющие потенциалов в точках Б (база), К (коллектор) и Э (эмиттер). Рассчитайте постоянные составляющие токов IБ, IК и IЭ.
2. Подайте от генератора на вход усилителя переменное напря жение так, чтобы между точками а и в было напряжение u1, ве личина и частота которого указаны на макете. Напряжение u1, при нимается за входное напряжение усилителя.
3. Произведите измерения необходимые для определения коэффи циентов передач напряжения и , а также входного сопротивления. Рассчитайте численные значения этих величин по данным измерений. Токи i1 и i2 определите косвенно по данным измерений напряжений на резисторах R3 и RК .
4. Снимите АЧХ усилителя КU=K(f). Для этого, поддерживая неизменным входное напряжение u1, и меняя его частоту в возможных пределах генератора, замерьте соответству ющие значения выходного напряжения u2 . Измерения начните с час тоты f = 1кГц. Постройте по данным измерений график АЧХ .
5. Пользуясь схемой замещения усилителя, выраженной через h - параметры (примите h12 = 0), получите формулы для расчета КI , КU и RВХ. Сопротивление резистора R3 не входит в расчет, т.к. входное напряжение принимается между точками а и в.
6. Рассчитайте по формулам п.5 численные значения КI , КU и RВХ. Для параметров транзистора примите следующие значения:
h11 = 2 кOм, h12 = 0, h21 = 30, h22= 10-4 См.
Контрольные вопросы
1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах биполярных транзисторов.
2.По какой схеме включен транзистор в исследуемом усилителе.
3.Какую роль играют в исследуемом усилителе резисторы и конденсаторы.
4.Как строится и для чего используется эквивалентная схема замещения усилителя в h-параметрах.
Цель работы: исследование однополупериодного выпрямителя и сглаживающего RC-фильтра.
Краткие теоретические сведения. Выпрямителями называют устройства, служащие для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные, используемые для пи тания радиоэлектронной аппаратуры. Обобщенная структурная схема выпрямительного устройства представлена на рис. 4.1. Переменное напря жение сети поступает на первичную обмотку трансфор матора Т, с вторичной обмотки которого напряжение подается на блок вентилей В. Выпрямленное пульсирующее напряжение сглаживается фильтром Ф и поступает на стабилизатор напряжения СН, обеспечивающий постоянство выходного напряжения. По стоянное напряжение используется для питания электронного устройства, экви валентно представленного резистором нагрузки RН. Основу выпрямителя составляет вентильный блок, который строится в маломощных выпрямителях с применением выпрямительных диодов. Другие блоки в выпрямительном устройстве могут отсутствовать в зависимости от условий применения.
Рис. 4.1.Обобщенная структурная схема выпрямительного устройства
Для упрощения анализа выпрямителей диоды считают идеальными вентильными элементами, обладающими резко выраженной несимметричной ВАХ (рис.4.2а) и односторонней проводимостью. При U>0 (прямое включение) сопротивление вентильного элемента равно нулю при U<0(обратное включение) равно бесконечности.
Схема простейшего однополупериодного выпрямителя представлена на рис.4.2б.
а) б) в)
Рис. 4.2. ВАХ идеального диода (а), схема простейшего выпрямителя (б) и графики напряжения и тока (в)
При напряжении питания вентильный элемент обеспечивает протекание тока i2 в нагрузке RН только в положительном направлении (рис.4.2в).
Постоянная составляющая U2- однополупериодного напряжения на сопротивлении нагрузки равна среднему значению напряжения u2(t) за период:
.
Действующее значение U2 однополупериодного напряжения на сопротивлении нагрузки равно его среднеквадратическому значению
.
Ток, протекающий в сопротивлении нагрузки, определяется по Закону Ома .
Активная мощность Р, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки
.
Коэффициент пульсаций КП равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного тока к его постоянной составляющей. Поскольку разложение в ряд Фурье однополупериодного выпрямленного тока имеет вид
, то .
Большим недостатком однополупериодного выпрямителя являются большие пульсации тока и напряжения на нагрузке. Для уменьшения этих пульсаций применяются сглаживающие фильтры. В маломощных выпрямителях, у которых сопротивление нагрузочного резистора составляет несколько кОм, хороший результат дает применение Г-образных RC-фильтров (рис.4.3).
Рис.4.3. Однополупериодный выпрямитель со слаживающим фильтром
При выборе XCФ << RФ на резисторе RФ создается значительно большее падение напряжения от переменных составляющих тока, чем на резисторе RН. Если выбрать значение RФ из соотношения , то падение постоянной составляющей напряжения на резисторе RФ будет минимальным. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении по отношению к постоянной составляющей на нагрузочном резисторе RН значительно уменьшится. Коэффициент сглаживания для Г-образного RC-фильтра определяется из выражения .
Рис.4.4. Схема исследуемой цепи
Рабочее задание
1.Подготовьте к работе исследуемую цепь. Для этого
а) познакомьтесь со схемой исследуемой цепи (рис.4.4);
б) соберите исследуемую цепь.
2. При разомкнутом ключе К (без сглаживающего фильтра) подай те на вход выпрямителя переменное напряжение U1, с величиной и частотой, указанными преподавателем.
3. Включите осциллограф последовательно в точки A,D; B,D и C,D.
Зарисуйте наблюдаемые процессы с соблюдением масштаба.
4. Те же измерения проделайте при замкнутом ключе К (включенном сглаживающим фильтре).
5.Дайте подробные объяснения полученным результатам.
Контрольные вопросы
1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах диодов.
2.Что такое идеальный вентильный элемент?
3.Как работает однополупериодный выпрямитель?
4.Какими основными параметрами характеризуются выпрямители?
5. Для чего применяется и как работает сглаживающий RС-фильтр?
Цель работы: исследование двухполупериодного выпрямителя и сглаживающего RC-фильтра.
Краткие теоретические сведения
Схема двухполупериодного мостового выпрямителя представлена на рис.5.1а.
а) б)
Рис. 5.1. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя (а) и графики напряжения и тока (б)
При напряжении питания мостовая схема обеспечивает за каждый период Т протекание в нагрузке RН двух полуволн тока i2 (рис.5.1б). При u1 >0 диоды Д2 и Д3 открыты, а Д1 и Д4 заперты, ток проходит через диод Д2, сопротивление нагрузки и диод Д3. При u1 <0 диоды Д1 и Д4 открыты, а Д2 и Д3 заперты, ток проходит через диод Д4, сопротивление нагрузки и диод Д1.
Постоянная составляющая U2- напряжения на нагрузке при двухполупериодном выпрямлении равна .
Действующее значение U2 однополупериодного напряжения на нагрузке .
Активная мощность Р, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки
.
Коэффициент пульсаций КП равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного тока к его постоянной составляющей. Поскольку разложение в ряд Фурье двухполупериодного выпрямленного тока имеет вид
, то .
Мостовой выпрямитель в сравнении с однополупериодным имеет большее значение среднего выпрямленного тока, меньший коэффициент пульсаций.
Рис.5.2. Схема исследуемой цепи
Рабочее задание
1. Соберите исследуемую цепь, в качестве сопротивления нагрузки используйте магазин сопротивлений, величину сопротивления установите по указанию преподавателя.
2. При разомкнутом ключе К (без сглаживающего фильтра) подай те на вход выпрямителя переменное напряжение U1, с величиной и частотой, указанными преподавателем.
3. Включите осциллограф последовательно в точки A,D; B,D и C,D. Зарисуйте наблюдаемые процессы с соблюдением масштаба.
4. Те же измерения проделайте при замкнутом ключе К (включенном сглаживающим фильтре).
5. Повторите измерения для различных значений сопротивления нагрузки.
6. Постройте нагрузочную характеристику выпрямителя UН=f(RН);
7. Дайте подробные объяснения полученным результатам.
Контрольные вопросы
1.Расскажите об устройстве, принципах работы и основных параметрах диодов.
2.Как работает двухполупериодный мостовой выпрямитель?
4.Какими основными параметрами характеризуются выпрямители?
Цель работы: изучение принципа действия RС-генератора синусоидальных колебаний.
Краткие теоретические сведения. Для получения гармонических колебаний от долей герц до сотен килогерц применяют генераторы, где в качестве звеньев обратной связи (ОС) используются RС-четырехполюсники. В соответствии со структурной схемой (рис.6.1) RС-генератор состоит из усилителя зву ковой частоты с комплексным коэффициентом усиления К и RС- четырехполюсника положительной обратной связи с комплексным коэффициентом передачи B. Схема усили теля, как и схема цепи ОС, может быть любой, но неиз менным остается общее требование, выполнение кото рого позволяет получить синусоидальный выходной сиг нал. Генерация должна возникать и поддерживаться на одной-единственной частоте, для которой выполняются условия самовозбуждения К В = 1 (условие баланса амп литуд) и (jК + jВ= 0;2p;...) (условие баланса фаз), где К и В –модули коэффициентов передачи, jК и jВ – аргументы.
Рис.6.1. Структурная схема генератора
Особенно широко распространены RС-генераторы с фильтром Вина (рис. 6.2а). Определим сопротивления участков фильтра в комплексной форме
, .
а) б)
Рис. 6.2. Схема (а) и частотные характеристики (б) фильтра Вина
При , , используя безразмерную переменную , получаем комплексный коэффициент передачи напряжения:
,
откуда
; .
Кривые частотных характеристик фильтра Вина представлены на рис.6.2б. Максимальное значение модуля коэффициента передачи ВU, равное 1/3, и нулевое значение аргумента jB достигается при W=1, на частоте
. (6.1)
Рис.6.2. Схема генератора
Схема генератора с фильтром Вина представлена на рис.6.2. В качестве усилителя в нем использован операционный усилитель. Фильтр Вина образует цепь положительной обратной связи, резисторы R3 и R4 формируют отрицательную обратную связь. Сопротивления резисторов выбираются так, чтобы усилитель имел коэффициент усиления .
Рабочее задание
1. Для указанных в макете сопротивлений резисторов R емкостей конденсаторов С рассчитайте частоты колебаний по формуле (6.1).
2. Соберите схему исследуемой цепи (рис.6.2), включите стенд.
3. Снимите и зарисуйте в масштабе осциллограммы напряжений на выходе генератора. Определите по ним частоту генерации. Сравните полученные результаты с расчетными.
4. Дайте подробные объяснения полученным результатам.
Контрольные вопросы
1. Расскажите о принципах построения генераторов синусоидальных колебаний.
2. Сформулируйте условие баланса амплитуд и баланса фаз.
3. Что такое обратная связь?
4. Какие виды обратной связи Вам известны?
5. Где применяются генераторы синусоидальных колебаний?
|
[0.1] МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ [0.2] ОБНИНСКИЙ ИНСТИТУТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ [1] Факультет кибернетики [1.0.1] Лабораторный практикум
[2] [3] Характеристики биполярного транзистора [3.0.0.1] Рабочее задание [3.0.0.2] Рис.1.5. Схема исследуемой цепи [4] Лабораторная работа № 2 [5] Характеристики полевого транзистора [6] Лабораторная работа № 3 [7] Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером [8] Лабораторная работа № 4 [9] Исследование однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром [9.0.0.1] Рис.4.4. Схема исследуемой цепи [10] Лабораторная работа № 5 [11] Исследование двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром [11.0.0.1] Рис.5.2. Схема исследуемой цепи [12] Лабораторная работа № 6 [13] RC-генератор синусоидальных колебаний [13.0.0.1] Рабочее задание [14] Литература
[15] [15.1] A |
Редактор Г.А.Суркова
Лицензия ЛР №020713 от 02.02..93
Подписано к печати . . 2001 Формат бумаги 60х84.16
Печать офсетная Бум.типогр. Печ.л.
Заказ Тираж 200экз. Цена договорная
Фабрика офсетной печати. 249020 г.Обнинск,ул. Королева 6
i1
i2
u1
u2
i2
u2
1/h22
h12 u2
u1
i1
h11
h21i1
б)
а)
К
UКЭ
-
ЕК
+
R
RК
RБ
Э
Б
URК
+UЗИ -
И
З
З
С
p-канал
+UСИ -
n-затвор
+UCИ -
+UЗИ -
И
С
З
V
V
IЭ
Э
IД
UБЭ
IБ
- ЕК +
К
UКЭ
RК
R1
Б
R2
IК
IБ
IЭ
Э
UБЭ
- ЕК +
К
UКЭ
RК
Б
IК
С1
С2
UВЫХ
ЕГ
RВН
СЭ
IЭ
Э
IД
UБЭ
IБ
RЭ
- ЕК +
К
UКЭ
RК
R1
Б
R2
RН
UВХ
UВЫХ
RН
h11
iВХ
К
iК
RК
1/h22
Б
iБ
h21iБ
ЕГ
RВН
R1
R2
UВХ
iВЫХ
вД
аД
i1
С1
u2
R3
СЭ
i2
Э
RЭ
- ЕК +
К
RК
R1
Б
R2
u1
RН
Сеть
Т
В
Ф
СН
Tt
u1
t
i2
t
Д
RН
U1
UД
IД
U2
UД
I
U
Д
IД
СФ
RФ
Д
RН
U1
UД
IД
U2
D
К
B
СФ
RФ
А
RН
U1
C
Tt
u1
t
i2
t
U2
Д2
Д3
Д1
Д4
RН
U1
C
B
D
А
Д2
Д3
Д1
Д4
RН
U1
К
СФ
RФ
UВЫХ
К
В
С1
С2
U2
R1
R2
U1
С
С
UВЫХ
R4
R3
R
R
BU
jB