Изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах
Данные методические указания издаются в соответствии с учебным планом. Рассмотрены и одобрены кафедрой ИУ-6 21,12.87г.-методической комиссией факультета ИУ 23.12.87 г. и учебно-мето-дическим управлением 08.01.88 г.
Рецензент к.т.н. доц. Меньков А.В.
Московское высшее техническое училище имена Н.Э.Баумана
Цель лабораторного практикума - изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах, установление связи между параметрами указанных приборов и параметрами электронных схем, в которых они работают.
Содержание
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ 2
Работа №1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ 2
Работа № 2. ТРИ Схемы ВКлючения ТРАНзистора 8
Работа № 3. ключевой РЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА 14
Работа №4. УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В ШИРОКОПОЛОСНОМ УСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ С RC –СВЯЗЯМИ. 18
Редактор Н.Г.Ковалевская Корректор Л.И.Малютина
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Отчеты по проведенным лабораторным работам должны включать:
1. Наименование работы.
2. Чертеж принципиальной схемы макета лабораторной работы.
3. Дня каждого этапа выполняемой работы – наименование этапа и результаты (в форме таблиц, графиков, зарисовок осциллограмм).
4. Краткие выводы по рабе те в целом.
Работа №1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ
Цель работы - исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторов напряжения. Продолжительность работы - 3,5 часа.
Теоретическая часть
Э
лектронные
приборы и устройства
требуют для
своего питания
стабильного
напряжения
постоянного
тока. В большинстве
практических
случаев такое
напряжение
получают из
переменного
напряжения
сети с помощью
вторичных
источников
питания, включающих
выпрямитель
сетевого напряжения,
сглаживающий
фильтр и стабилизатор
напряжения
(рис. I).
Рис.1 Структурная схема вторичного источника питания
В состав выпрямителя обычно входят:
силовой трансформатор, предназначен для получения необходимых величин переменного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической развязки с сетью;
вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока;
емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения.
Если к выходному напряжению предъявляются высокие требования по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения.
На рис. 2а
представлена
схема однополупериодного
выпрямителя
с полупроводниковым
выпрямительным
диодом V. Как
известно,
вольтамперная
характеристика
(BAX) выпрямительного
диода имеет
вид, представленный
на рис. 3. Для
упрощения
практических
расчетов ее
часто представляют
на основе
кусочно-линейной
аппроксимации
двумя .участками
прямых АВ и
ВС , причем
АВ идет по оси
абсцисс, а наклон
ВС определяется
средним, прямым
сопротивлением
диода
.
С целью дальнейшего
упрощения
иногда принимают
UgH
0 и тогда
точка В смещается
в начало координат.
Как следует
из такой аппроксимация
ВАX, диод представляют
элементом с
односторонней
проводимостью,
его внутреннее
сопротивление
на участке ВА
стремится к
бесконечности,
а на участке
ВС сравнительно
мало.
Рис. 2. Схемы выпрямителей: а - однополупериодного, б – двухполупериодного (мостового)
Н
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика диода
а рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t2 – t1, соответствующем изменению фазового угла t2 – t1, диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С . Постоянная времени заряда зар = С(RH ||Rпот), где сопротивление потерьRпот = Rпр.ср.+Rтр (Rтр - активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда Rпот RH и зар С(RH ||Rпот. В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается разр С(RH ||Rобр+Rтр)).
П
оскольку
у правильно
выбранных
диодов их обратное
сопротивление
RобрRтр+RH,
постоянная
времени разряда
разр
СRH
и
разр <<зар
-т.е. процессы
заряда и разряда
конденсатора
С идут с разной
скоростью.
Следовательно,
появляется
постоянная
составляющая
напряжения
Uc
, на диоде
обратное напряжение
.может достигать
величины Uобр=2U2m.
Поэтому диод
выбирают с
Uобр.макс>2U2m.
Фазовый угол,
в течение которого
диод открыт,
обозначается
2=t2-t1,
где
- угол отсечка.
Чем меньше
. тем больше
U0
и меньше пульсации.
Поэтому
желательно
уменьшать.
В установившемся
режиме площади
под кривыми
тока заряда
конденсатора
Jсз и
тока разряда
Jcр
одинаковы.
Основные расчетные
параметры
выпрямителя
являются функциями
коэффициента
,
где m=1 для
однополупериодного
и m = 2
для двухполупериодного
выпрямителей.
С помощью этого параметра определяют необходимые значения:
Jm - максимального импульса тока через диод;
J2 - действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;
E2 - действующего значения ЭДС вторичной обмотки.
С помощью коэффициента A() при расчетах определяют и коэффициент пульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U0'
.
Выходное
сопротивление
,
где U0
и J0,
находят по
нагрузочной
характеристике
источника
U0=f(J0);
U0
и J0
- напряжение
и ток нагрузки.
На рис. 26 приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диода V2 и V3 (пунктирные стрелки), в другом – через диоды V1 и V4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в две раза Uобр.макс>2U2m по сравнению с однополупериодной схемой. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.
Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе
Например, простой LC -фильтр, представляющий собой последовательно о нагрузкой включенный дроссель и параллельно c нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U0 сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора - к бесконечности, для пульсирующей - наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а пульсирующая существенно уменьшается.
Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить кп, Rвых, а также зависимость U0 от колебаний напряжения сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузки
где Uвых - приращение U0 при изменении Uвх на величину Uвх ;
Uвх.ном ; Uвых.ном - номинальные значения напряжений.
Рис. 5. Параметрический стабилизатор (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)
Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления Rб и стабилитрона. Он устанавливается в источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схеме используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных избиениях протекающего через него тока (рис. 56, обратная ветвь ВДХ стабилитрона в области Uст). При отклонении Uвх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на Rб , а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки J2 (Uвх – const) перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется Jcт ) почти без изменения общего тока J1 . Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле
где rg - динамическое сопротивление стабилитрона.
Выходное
сопротивление
стабилизатора
Rвых=Rб||rgrg
так как rg<
Описание макета
Макет, схема которого представлена на рис. 6, включает:
- выпрямитель, который в зависимости от положения переключателя BI может работать по однополупериодной или мостовой схеме;
- LC –фильтр /L1,C2/;
- параметрический стабилизатор /R2,V6/;'
- контрольно-измерительные приборы (I1, V2);
- дискретно изменяющуюся нагрузку (R3,R4,R5,R6);
- емкостную нагрузку (CI).
Риc.6. Схема макета лабораторной работы №1
Задание
1. Исследовать работу однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямителя для случаев:
активной нагрузки;
емкостной нагрузки;
зарисовать форму выходного напряжения, а также форму тока, протекающего через диод.
2. Определить с помощью осциллографа угол отсечки и коэффициент пульсаций кп для одно- и двухполупериодной схем.
3. Исследовать сглаживающее действие фильтра LC при одно- и двухполупериодном выпрямлении. Определить коэффициенты сглаживания.
4. Отснять нагрузочные характеристики выпрямителя и определить его выходное сопротивление.
5. Подключить к выпрямителю параметрический стабилизатор, снять нагрузочную характеристику стабилизатора и определить по ней его выходное сопротивление, определить коэффициент стабилизации (схема выпрямителя мостовая, фильтр LC отключен).
kонтрольные вопросы
1. Как работают однополупериодный и двухполупериодный мостовой выпрямители?'
2. Каковы основные параметры выпрямителей?
3. На чем основана работа LC -фильтра и что такое коэффициент сглаживания?
4. Как определяется коэффициент стабилизации стабилизатора?
5. Что такое угол отсечки и как его измерить?
6. Что такое нагрузочная характеристика, как она снимается и какие параметры можно по ней определить?
7. Объясните работу параметрического стабилизатора.
8. В чем отличие работы диода в однополупериодной и двух-полупериодной мостовой схемах?
9. Чему равен угол отсечки при коротком замыкании нагрузки и при холостом ходе?
Литература
1.Иванов-Цаганов А.И. Электротехнические устройства радио-систем: Учеб. для студентов радиотехн. спец. вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1984.- 280 о., илл.
2. Вересов Г.П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1983. - 128 с., ил.
Работа № 2. ТРИ Схемы ВКлючения ТРАНзистора
Цель работы - изучить, как влияют различные способы включения биполярного транзистора и величина сопротивления нагрузки на свойства усилительного каскада,
Продолжительность работы - 3,5 часа.
Теоретическая часть
В транзисторных схемах источник сигнала может включаться в цепь базы или эмиттера, нагрузка - в цепь коллектора или эмиттера, а третий электрод транзистора оказывается общим для входной и выходной цепи. В зависимости от того, какой электрод транзистора оказывается общим, различают схемы ОЭ (о общим эмиттером), ОБ (с общей базой) и ОК (с общим коллектором), показанные на рис. 7.
В этих схемах конденсаторы С1 и С2 служат для связи каскада с источником сигнала и нагрузкой на переменном токе и исключают в то же время влияние источника сигнала и нагрузки на режим работы каскада по постоянному току. Резисторы R1, R2, Rк и Rэ обеспечивают выбранный режим работы транзистора в активной области, т.е. выбранное положение рабочей точки на вольт-амперных характеристиках транзистора. Конденсатор СЗ выполняет роль блокировочного конденсатора, исключая из работы на переменном токе резистор Rэ (каскад ОЭ) или делитель напряжения в цепи базы R1, R2 (каскад