Реферат: Изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах
Реферат: 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
Электронные 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)
На рис. 4
приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную
нагрузку. В интервале времени t2 – t1,
соответствующем изменению фазового угла wt2 – wt1, диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда
конденсатора С . Постоянная времени заряда tзар
= С(RH ||Rпот), где сопротивление потерь
Rпот = Rпр.ср.+Rтр (Rтр - активное
сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда Rпот
£ RH и tзар @ С(RH ||Rпот.
В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается
tразр » С(RH ||Rобр+Rтр)).
Поскольку у правильно
выбранных диодов их обратное сопротивление Rобр³Rтр+RH, постоянная времени разряда tразр » СRH и t
разр <<tзар -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 2q=wt2-wt1,
где q - угол отсечка. Чем
меньше q . тем больше U0 и меньше пульсации. Поэтому q 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(q) при расчетах определяют и коэффициент
пульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постоянной
составляющей выпрямленного напряжения U0'
.
Выходное сопротивление , где DU0 и DJ0, 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 DUвых
- приращение U0 при
изменении Uвх на величину DUвх ;
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||rg»rg так как rg<<Rб.
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 q 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 ОБ), и тем самым
обеспечивает присоединение эмиттера(базы) к общей точке схемы.
Для анализа транзисторных схем важно знать, как
связаны электродные тока и напряжения между выводами транзистора, т.е. знать
вольт-амперные характеристики.
При анализе каскада ОЭ удобно пользоваться
зависимостями Iб=f1(Uбэ,
Uкэ) и Iк=f2(Uкэ,Iб). Первые из них называются семейством
входных, а вторые - семейством выходных характеристик. Их типичный вид приведен
на рис. 8. Здесь же приведена построенная нагрузочная прямая по постоянному
току и выбранная на ней рабочая точка транзистора А с координатами IкА, UкэА, Iб
, которая отображена также на семействе входных характеристик и имеет
координаторы IбА, (UбэА, IкэА). Для построенной нагрузочной прямой
Iк=(Ек-Uкэ)/(Rк+Rэ) (рис.8а)
транзистop будет работать в активном режиме при токах базы в диапазоне Iк0 - IбН.
В усилительных схемах транзистор работает в активном
режиме когда эмиттерный переход смещен прямо (для р-п-р-транзистора Uбэ>0), а
коллекторный - обратно (Uбк>0)
. При этом транзистор обладает усилительными свойствами и токи его электродов
связаны между собой через статические коэффициенты передачи по току транзистора
В и a
В= Iк /Iб , В+1= Iэ /Iб, a= Iк /Iэ
откуда следует, что В=a/(1-a),
a=В/В+1.
Рис. 8 . Статические
вольт-амперные характеристики транзистора: а) выходные, б) входные.
Для оценки параметров усилителя его принципиальную
схему преобразуют в эквивалентную, в которой транзистор замещается своей
малосигнальной эквивалентной схемой рис. 9.
Нас интересуют формулы для кu, кi, кp, Rвх и Rвых
в диапазоне средних частот. На этих частотах можно не учитывать частотную зависимость
коэффициента передачи по току и емкость Скэ(она отбрасывается). Емкости
конденсаторов CI, C2 и
СЗ выбирают настолько большими, чтобы на средних частотах их
сопротивление было пренебрежимо малым по сравнению с суммарным сопротивлением
окружающих их резисторов. Поэтому в эквивалентной схеме на рис.10 они представлены
коротко- замкнутыми ветвями. То же относится и к источнику питания Ек,
так как схема на рис.10 справедлива только для переменных составляющих токов и
напряжений. С учетом сказанного резисторы R1 и R2, так же как и резисторы Rк
и RH (RH
- нагрузка, подключается к выходным клеммам усилителя), оказываются
соединенными параллельно. Поэтому в эквивалентной схеме фигурируют Rб = R1||R2 и RkH = Rk||RH. Аналогично можно
получить эквивалентные схемы для каскадов ОБ и ОК. Применяя к эквивалентным
схемам каскадов известные методы анализа электрических цепей (например, метод
контурных токов), можно получить приближенные формулы для
оценки основных параметров усилительных каскадов, представленные в таблице. В
этих формулах
RЭH = RЭ||RH Rвх троэ = rf +
rЭ (B+1), где rЭ=26 мВ/IЭА,
R'=RrRб/(
Rr+Rб), а Rr-
внутреннее сопротивление источника сигнала. Для всех схем кр=кuкi.
Верхняя граничная частота полосы пропускания (на этой
частоте Uвых в раз меньше, чем на средней
частоте) транзисторного каскада зависит от параметров транзистора fh21б,
B, Cк, rб и rэ, нагрузки RH,CH
, внутреннего сопротивления источника сигнала Rr
и схемы включения транзистора. Дkя любого усилительного
каскада fв=(2ptв)-1 где tв=G(tв+CкэRкH)+CHRкH. В последней формуле tв=(B+1)/ 2p fh21б, Cкэ=Cк(B+1), а коэффициент G для каждой схемы включения транзистора
вычисляют по формулам таблицы.
Страницы: 1, 2
|