Рефераты. Изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах

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.

Описание макета

Исследуемая в работе схема представлена на рис. II. С помощью переключателей, расположенных на передней панели лабораторной установки, можно путем соответствующей коммутации эмиттерной, базовой и коллекторной цепей транзистора собрать любой из трех усилительных каскадов (ОЭ, ОБ или ОК).

Для оценки входного тока усилителя служат измерительные резисторы R1(ОЭ, ОК) и R6(ОБ). При этом iвх=(Uг-Uвх)/Rизм, где Uг. - напряжение на клеммах генератора, Uвх напряжение на входе усилителя (за измерительным резистором).

При опенке выходного сопротивления усилителя

Rвых =Uвых xx/iвых кз будем считать, что холостой ход на выходе усилителя возникает, если установить RH=RHмакс, а режим короткого замыкания – при RH=RHмин, так как других возможностей данная лабораторная установка не предоставляет.

Рис. II. Схема макета лабораторной работы № 2

Питание усилительного каскада осуществляется от источника G1, напряжение на выходе которого устанавливают 10 В.

В исследуемой схеме стоит маломощный низкочастотный транзистор МП42А ( fh21б = 1¸3 мГц, В= 30¸50, rб= 200 Ом, Ск = 30 пФ, Ркмакс =200 мВт). Резисторы и конденсаторы имеют следующие номиналы: R1=1 кОм, R2=11 кОм, R3=5.1 кОм, R4=R5=R9=3.6 кОм, R6=470 Ом, R7=20 Ом, R8=510 Ом, R10=10 кОм, С1=С2=С3=20 мкф.

Задание

Подготовить к работе генератор стандартных сигналов (ГСС) и милливольтметр переменного тока с большим входным сопротивлением. Ознакомившись с назначением органов управления лабораторной установки и присоединив к ней измерительные приборы, подключить установку к сети переменного тока.

1. Подавая на вход схемы синусоидальный сигнал с частотой fc=2кГц (средняя частота для усилителя) и напряжением Uг = 35 мВ, для каждого из усилительных каскадов ОЭ, ОБ, ОК провести экспериментальную оценку малосигнальных параметров каскада Rвх, кi, кu, кр, Rвых различных сопротивлениях нагрузки RН . Построить зависимости параметров усилителя от RН .

Страницы: 1, 2