Электронная техника. Руководство к лабораторным работам: Учебное пособие

Н. Ю. Шевченко

РУКОВОДСТВО К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ +

Cб

Ек

Rк

R1

Cк Rн Сэ

R2

Rэ

3

Uвых

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

Н. Ю. Шевченко

Электронная техника РУКОВОДСТВО К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим объединением по среднему профессиональному образованию Волгоградской области к использованию в учебном процессе в качестве учебного пособия для учебных заведений СПО Волгоградской области

РПК «Политехник» Волгоград 2006 4

УДК 621.38 (075.8) Ш 37 Рецензенты: к. т. н. Н. П. Хромов, А. В. Мельситов. Шевченко Н. Ю. ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА. РУКОВОДСТВО К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2006. – 52 с. ISBN 5–230–04728–3 Написано в соответствии с курсом «Электронная техника» для студентов специальности 1004 (код по ОКСО 140212) «Электроснабжение промышленных предприятий». Представлены описания шести лабораторных работ по изучению и измерению основных параметров электронных приборов. Описание каждой лабораторной работы содержит основные теоретические положения, необходимые для подготовки и выполнения лабораторной работы; указания по выполнению работы и оформлению отчета; контрольные вопросы для подготовки к выполнению работы. Предназначено для студентов СПО специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» при подготовке и выполнении лабораторных работ по дисциплине «Электронная техника». Ил. 52. Табл. 10. Библиогр.: 5 назв. Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

ISBN 5–230–04728–3

© Волгоградский государственный технический университет, 2006 5

Наталья Юрьевна Шевченко

ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА РУКОВОДСТВО К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ Учебное пособие Редактор Просондеев М. И. Темплан 2006 г., поз. № 20. Подписано в печать 27. 06. 2006 г. Формат 60×84 1/16. Бумага листовая. Гарнитура ”Times“. Усл. печ. л. 3,25. Усл. авт. л. 3,06. Тираж 100 экз. Заказ № Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28. РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131 Волгоград, ул. Советская, 35.

6

ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие составлено применительно к лаборатории ТОЭ электрических измерений и электроники, рассчитанной на одну учебную группу. Для проведения лабораторных работ используются 4 универсальных стенда. Лабораторные занятия проводятся «фронтальным методом», т. е. студенты учебной группы выполняют одновременно одну и ту же работу. Приведенные в учебном пособии теоретические сведения охватывают минимум материала, необходимый для подготовки и выполнения лабораторной работы. Коллоквиум по проверке готовности студентов к выполнению лабораторной работы проводится в начале каждого занятия. Хорошая подготовка к лабораторной работе – непременное условие ее эффективности, т. к. проведение любого эксперимента имеет смысл только в том случае, если экспериментатор отчетливо представляет себе цель эксперимента и характер ожидаемых результатов. Перед выполнением работы в лаборатории необходимо внимательно ознакомиться с измерительными приборами, установленными на стенде, и с объектами исследования, смонтированными на съемной испытательной панели, предназначенной для данной работы. В ходе выполнения лабораторных работ студенты должны: • научиться читать схемы наиболее распространенных электронных устройств, различать условные обозначения основных полупроводниковых приборов; • ознакомиться с устройством и внешним видом полупроводниковых приборов, интегральных микросхем и важнейших измерительных электронных устройств; • научиться определять экспериментально характеристики полупроводниковых приборов, работать с электронными измерительными приборами, осциллографом, генератором и некоторыми другими устройствами; • получить представление о возможностях использования полупроводниковых приборов и устройств при решении определенных практических задач. Перед началом выполнения каждого пункта рабочего задания необходимо выбрать нужный для данного эксперимента прибор и соответствующие пределы измерения. Результаты измерений необходимо заносить в заготовленные дома таблицы. После снятия показания приборов, относящихся к данной серии измерений (выполнение определенного пункта задания), необходимо построить график соответствующих кривых зависимости (характеристик) и показать их преподавателю. 7

После этого можно разобрать электрические цепи и отключить измерительные приборы. ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ • перед началом проведения курса лабораторных работ студенты проходят вводный инструктаж по технике безопасности; • перед выполнением лабораторных работ студент должен дома изучить основные теоретические положения, подготовить бланк отчета, нарисовать схему установки и необходимые таблицы; • выполнять лабораторную работу на одном стенде должны не менее двух человек одновременно; • перед началом работы на стенде необходимо убедиться, что все выключатели стенда находятся в положении «Выключено»; • категорически запрещается включать стенд без разрешения преподавателя; • при проведении опытов на испытательной панели стенда, находящейся под напряжением, все переключения и регулировки с помощью переключателей и переменных резисторов, включение и выключение тумблеров и тому подобные операции должны производиться одним человеком и только одной рукой. Вторая рука должна быть свободной и не должна касаться аппаратуры стенда; • на испытательной панели 1 стенда, находящейся под напряжением, запрещается производить какие-либо переключения при помощи соединительных проводов. Перед любым изменением исследуемой цепи испытательная панель должна быть обесточена. Для этого соответствующие выключатели должны быть поставлены в положение «Выключено»; • при проведении опытов с использованием электронных приборов (генератора, осциллографа, электронного вольтметра и т. п.) необходимо остерегаться одновременного касания руками, карандашами и другими предметами испытательной панели, находящейся под напряжением, и корпуса прибора, соединенного с клеммой прибора «⊥». При использовании в опыте нескольких электронных приборов одновременно необходимо корпусы приборов соединить между собой через эти клеммы; • при обнаружении каких-либо повреждений или неисправностей электрического оборудования стенда или испытательной панели, а также при появлении дыма, искрения или специфического запаха перегретой изоляции необходимо немедленно обесточить стенд и сообщить об этом преподавателю или лаборанту; • преподаватель проверяет готовность студента на рабочем месте; 8

• после того, как схема установки будет собрана студентами, она проверяется преподавателем или лаборантом; • после выполнения работы каждая группа студентов должна представить полученные результаты и выводы по работе; • дома студент оформляет отчет и на следующем занятии представляет его на проверку преподавателю. На контрольные вопросы он отвечает устно; • каждая лабораторная работа оценивается согласно рейтингу программы по данной дисциплине; • если студент пропускает занятие по уважительной причине, то ему дается возможность выполнить ее на следующем занятии. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ ИЛИ РАБОЧЕГО МЕСТА СТУДЕНТА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ: Лабораторные работы № 1–4 проводятся на лабораторном устройстве по электротехнике «К 4822-2». Конструктивно устройство представляет собой лабораторный стол, в котором находятся комплекты приборов и элементов, необходимых для выполнения лабораторных работ. На крышке стола устанавливается блок питания и приборный штатив для установки сменных измерительных приборов. В нижней части штатива расположены клеммы, на которые выведены все напряжения блока питания. Крышка стола имеет съемный вкладыш, на место которого устанавливается плата с необходимым набором для выполнения лабораторной работы. Для выполнения лабораторной работы приборы устанавливаются в необходимом наборе в приборный штатив. На клеммы, находящиеся во время работы под напряжением выше 36 В, установлены предохранительные втулки. Электрические соединения элементов схемы, измерительных приборов и подключение схемы к клеммам питания осуществляется с помощью комплекта соединительных проводов. На передней стенке блока питания размещены тумблеры, переключатели, кнопки включения и отключения с соответствующими надписями. На задней стенке блока питания размещаются держатели предохранителей и разъемы для подключения блока к трехфазной сети и к приборному штативу, а так же встроен автоматический выключатель защиты сети. Стол, блок питания, приборный штатив и металлические корпуса приборов имеют клеммы для защитного заземления. Для защиты блока питания от перегрузок и коротких замыканий служит автоматический выключатель. Для подачи регулируемых напряжений постоянного тока «0–120 В» и переменного тока «0–250 В» служит автотрансформатор. 9

При проведении лабораторной работы подсоединение приборов и узлов устройства должно проводиться только при отключенном напряжении питания. Перед началом проведения работы на блоке питания необходимо установить все тумблеры в отключенное положение, ручки – против часовой стрелки до упора. В стол вместо вкладыша установить плату, необходимую для проведения лабораторной работы. На приборный штатив установить приборы. Собрать схему лабораторной работы и включить на блоке питания тумблер «СХЕМА СОБРАНА». Устройство обеспечивает проведение следующих лабораторных работ: • исследование двухэлектродной лампы – плата № 4; • исследование полупроводникового диода – плата № 4; • исследование полупроводникового транзистора – плата № 4; • работы полупроводниковых однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей – плата № 4; • исследование фоторезистора и фотоэлемента с внешним фотоэффектом – плата № 5; • исследование работы электронно-лучевой трубки; • измерение температур электрическими методами – плата № 5. Лабораторные работы № 5–6 выполняются с помощью лабораторного устройства по электротехнике № 4826, представляющего собой чемодан, на крышке которого установлены съемные электронные приборы, вмонтированные в прозрачные кубы и соединенные с выводами, выходящими из дна куба. На нижней панели чемодана находится поле с разъемами для сборки схем. На панели выведены клеммы питания «± 5 В», «± 15 В», «~ 24 В», «Um». В правом углу расположен блок питания, встроенный вольтметр, ручки для точной настройки напряжения. В нижнем правом углу расположен генератор сигналов. Переключатель вида сигналов, регулятор частоты и ручка точной настройки частоты. Чемодан запитывается от сети 220 В. Монтажное поле выполнено в виде гнезд, состоящих из 4-х клеток, представляющих собой одну точку. Схему собирают без проводников, устанавливая необходимые элементы в гнезда монтажной платы. Подавать напряжение можно только после проверки правильности сборки схемы преподавателем. Почти все работы проводятся с осциллографом, поэтому необходимо каждому студенту ознакомиться с его устройством и научиться подготавливать осциллограф к работе. В качестве измерительного прибора используется мультиметр. Порядок настройки и регулировки дается в описании каждой лабораторной работы в разделе «порядок выполнения лабораторной работы».

10

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА Цель работы: ознакомиться с конструкцией полупроводниковых диодов, изучить физический принцип их работы, научиться снимать вольтамперную характеристику в лабораторных условиях. Работа рассчитана на 2 часа. ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ Полупроводники (германий и кремний) − это монокристаллы с регулярной кристаллической структурой. Имеют кубическую решетку типа алмаза (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура кристаллической решетки типа алмаза

Беспримесный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой называют собственным полупроводником. При температуре абсолютного нуля в нем нет свободных носителей заряда, и он является идеальным изолятором. С повышением температуры кристалла количество и энергия фотонов возрастают, и они разрывают ковалентные связи между атомами решетки. При этом образуются свободные электроны и незаполненные связи − дырки. Нарушение ковалентных связей и генерация пар электрон-дырка могут происходить не только из-за нагрева, но и под действием света, рентгеновских и γ-лучей. При введении донорной (пятивалентного элемента: фосфора, сурьмы, мышьяка) примеси в четырехвалентный кремний (или германий) образуется электронный полупроводник n-типа. Если ввести в кремний (германий) 3х валентный элемент (например, бор, галлий, алюминий), то образуется дырочный полупроводник p-типа. Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: она лучше пропускает в одном направлении (прямом), чем в другом (обрат11

ном). Выпрямительные свойства рассматриваемой структуры позволяют использовать ее в качестве полупроводникового диода (рис. 1.2).

а

б Рис. 1.2. Полупроводниковый диод: а – упрощенная структура; б – условное обозначение

Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Различают точечные (рис. 1.3) и плоскостные (рис. 1.4) диоды. В стеклянном или металлическом корпусе 2 точечного диода крепится германиевый или кремниевый кристалл n-типа 3 площадью порядка 1 мм2 и толщиной 0,5 мм, к которому прижимается стальная или бронзовая игла 4, легированная акцепторной присадкой. Прибор включается в схемы через выводы 1. В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом кончик иглы оплавляется, и часть акцепторной примеси внедряется в кристалл. Вокруг иглы образуется микроскопическая (точечная) область с дырочной электропроводностью. На полусферической границе этой области с кристаллом n-типа возникает электронно-дырочный переход. Малая площадь р-n-перехода в точечном диоде обеспечивает ему минимальное значение межэлектродной емкости.

Рис. 1.3. Конструкция точечного германиевого диода типа Д103: 1 – вывод; 2 – стеклянный корпус; 3 – полупроводниковый кристалл, 4 – стальная пружина

Рис. 1.4. Конструкция плоскостного выпрямительного диода: 1– вывод, 2 – стеклянная втулка, 3 – полупроводниковый кристалл, 4 – гайка, 5 – шайба; 6 – основание, 7 – металлический корпус

Площадь р-n-перехода плоскостных диодов достигает десятков и сотен мм2. Для получения таких площадей используют методы сплавления или диффузии. При методе сплавления на пластинку кристалла с донорной примесью помещают таблетку акцепторной примеси, которая рас12

плавляется при нагреве в печи. Расплав частично проникает в кристалл и образует область р-типа, граничащую с массой кристалла. У этой границы возникает р-n-переход. При изготовлении диода методом диффузии кристалл в донорной примесью помещают в газовую среду акцептора (кристалл с акцепторной примесью – в газовую среду донора) и выдерживают длительное время при заданной температуре. Диффундируя в поверхность кристалла, молекулы акцептора (или донора) образуют область с типом электропроводности, противоположным типу электропроводности кристалла. Метод сплавления позволяет получить р-n-переход с резким изменением концентрации примеси. При методе диффузии концентрация примесных атомов в области р-n-перехода изменяется плавно. Мощные плоскостные полупроводниковые диоды, рассчитанные на большие токи, изготовляют в массивных металлических корпусах, обеспечивающих поглощение и отвод теплоты, выделяющейся в р-nпереходе. С помощью массивных шайб и гаек корпус диода плотно прижимается к монтажной металлической панели.

Рис. 1.5. Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода

Основной характеристикой диода служит его вольтамперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики р-n-перехода (рис. 1.5). Вольтамперная характеристика диода существенно зависит от температуры окружающей среды, с повышением которой прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. При заданном прямом токе с увеличением температуры снижается прямое напряжение между электродами диода. Существенным образом влияет температура окружающей среды и на обратный ток, который тоже возрастает с увеличением температуры. При увеличении температуры окружающей среды выше определенного значения уже при небольших обратных напряжениях развивается тепловой про13

бой р-n-перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германиевых диодов теряется при температуре около 70° С, а кремниевых – при 200° С. Высокая термическая устойчивость кремния – важнейшее его преимущество по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Кремниевые диоды допускают плотность тока в прямом направлении 10 А/мм2 и более, что позволяет изготовлять мощные полупроводниковые устройства с относительно небольшими массами и габаритами. Одна из важных характеристик диода – пробивное обратное напряжение. Это напряжение зависит от ширины обедненного слоя и у современных плоскостных диодов равно сотням и тысячам вольт. Оно несколько увеличивается с повышением температуры, не выходящим за пределы работоспособности диода. Внутреннее сопротивление плоскостных диодов прямому току при номинальных режимах работы составляет десятые доли Ом, с повышением температуры оно уменьшается. Применение полупроводниковых диодов в современной технике весьма разнообразно. Рассмотрим наиболее характерные случаи. Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды малой и средней мощности широко используют в схемах питания радиоаппаратуры, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках, для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов, обеспечения технологических процессов в химическом и металлургическом производствах. Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысокой частоты (ультракоротковолновая и космическая радиосвязь, радиолокация, теле-, измерительная техника и т. д.), называют высокочастотными. СВЧ-диоды используются для модуляции и детектирования сверхвысокочастотных колебаний в диапазоне сотен мегагерц, а также в каскадах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных обычно применяют точечные диоды, емкость электронно-дырочного перехода в которых составляет сотые и десятые доли пикофарад. Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управляемой емкостью, называют варикапами. Наличие у диода критического обратного напряжения, при котором наступает электрический пробой, позволяет использовать полупроводниковый диод в схемах стабилизации напряжения. Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном. При больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект р-n-перехода. При этом в вольтамперной ха14

рактеристике диода появляется участок с отрицательным сопротивлением (прямой ток увеличивается с уменьшением прямого напряжения), что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний. Такие диоды называют туннельными. Для работы в импульсных схемах изготовляют импульсные диоды, у которых перераспределение носителей зарядов в p-n-переходах при смене полярности напряжения (переходные процессы) происходит в десятые доли наносекунды. Чем меньше время переходных процессов, тем меньше искажается форма импульсов. Для ускорения переходных процессов уменьшают до возможного предела межэлектродную емкость, р-n-перехода небольшой присадкой золота.

Рис. 1.6. Условное обозначение полупроводниковых диодов: 1-выпрямительный диод, 2-СВЧ диод, 3-варикап, 4-стабилитрон, 5-тунельный диод

Маркировку диодов осуществляют с помощью цифр и букв (рис. 1.6). Первая цифра или буква обозначает материал полупроводникового кристалла. Цифрой 1 или буквой Г обозначают германий; цифрой 2 или буквой К – кремний, цифрой 3 или буквой А – арсенид галлия. На втором месте ставят букву, обозначающую класс диода: Д – выпрямительный, А – СВЧ-диод, В – варикап; С – стабилитрон, И – туннельный диод. Три последующие цифры характеризуют тип или область применения прибора: если цифры лежат в пределах 101–399, то диод предназначен для выпрямления переменного тока, если в пределах 401–499, то для работы в высокочастотных и сверхвысокочастотных цепях, если в пределах 501–599, то работы в импульсных схемах, диоды, маркируемые цифрами 601–699, используют в качестве конденсаторов с регулируемой емкостью (варикапы). Последняя буква указывает на некоторые конструктивные или другие особенности диода (разновидность прибора). Например, маркировка КС196В расшифровывается следующим образом, кремниевый стабилитрон плоскостного типа, разновидность В. Если положительный вывод омметра соединен с анодом диода, а отрицательный вывод с катодом, то диод смещен в прямом направлении. В этом случае через диод идет ток, и омметр показывает низкое сопротивление. Если выводы омметра поменять местами, то диод будет смещен в обратном направлении, через него будет идти маленький ток, и омметр покажет высокое сопротивление.

15

Если сопротивление диода низкое в прямом и обратном направлениях, то он, вероятно, закорочен. Если диод имеет высокое сопротивление в прямом и обратном направлениях, то в нем, вероятно, разорвана цепь. ЗАДАНИЕ 1. Проверить пригодность полупроводникового диода. 2. Снять вольтамперную характеристику полупроводникового диода. 3. Построить график вольтамперной характеристики диода. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА 1. Изучить устройство, принцип действия и область применения полупроводникового диода. 2. Начертить схему установки и таблицу для снятия характеристик. РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ 1. С помощью омметра, проверьте годность диода. Для этого положительный вывод омметра подсоедините к аноду диода, отрицательный вывод – к катоду. Измерьте прямое сопротивление диода. 2. Поменяйте выводы омметра и измерьте обратное сопротивление. 3. По данным измерениям сделайте выводы о пригодности полупроводникового диода. 4. Соберите схему согласно рис. 1.7.

Рис. 1.7. Схема лабораторной установки: ИП1 – миллиамперметр постоянного тока 50 мА; ИП2 – вольтметр постоянного тока 3 В; VD – исследуемый диод

5. Установите переключатель «0-6,3 V» в положение «–». 6. Подключите схему к клеммам питания «~ 0–6,3 V» штатива приборного. 7. Изменяя напряжение Unp от 0 до 1 V, измерьте прямой ток Iпр для диодов Д104А, КД209А. 8. Данные измерения запишите в табл. 1.1, 1.2. 16

Для диода Д104А Таблица 1.1 U, В I, mA

Для диода КД209А Таблица 1.2 U, В I, mA

9. Постройте графики зависимости: Inp = f(Unp). СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Технические данные оборудования и измерительных приборов, используемых в работе. 2. Схема испытания диода. 3.Прямое и обратное сопротивление диода. 4. Таблицы измерений. 5. Вольтамперная характеристика. 6. Выводы по работе. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Что представляет собой полупроводниковый диод? Области применения диодов. Достоинства полупроводниковых диодов. Виды специальных диодов и области их применения. Методы получения р-n-переходов для выпрямительных диодов. Основная характеристика полупроводниковых диодов Маркировка диодов. Принцип действия полупроводниковых диодов. ЛИТЕРАТУРА

1. И. А. Данилов, П. М. Иванов. Общая электротехника с основами электроника. – М.: Высшая школа, 1998. 2. Ю. Синдеев. Электротехника. Ростов на Дону. 2000. 3. К. А. Арестов, Б. С. Яковенко. Основы электроники. – М.: Радио и связь. 1988. 4. В. И. Лачин, Н. С. Савелов. Электротехника. Ростов на Дону. 2004. – С 32, 49.

17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Цель работы: oзнакомиться с устройством и принципом действия полупроводникового транзистора и получить практические навыки по исследованию входных и выходных характеристик транзистора. Работа рассчитана на 2 часа. ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ Биполярный транзистор представляет собой трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, имеет три вывода и предназначен для усиления и генерирования электрических сигналов. Электронно-дырочные переходы в транзисторе образуются тремя областями различной электропроводности. В зависимости от порядка чередования областей транзисторы могут быть типов р-п-р и п-р-п. В обоих случаях транзистор содержит два р-п (или п-р)-перехода. На рис. 2.1, а, б показано условное обозначение транзисторов типов р-п-р и п-р-п.

а) б) Рис. 2.1. Условные изображения транзисторов разных типов: a) – транзистор типа р-п-р; б) – транзистор типа п-р-п

Крайний, сильно легированный слой с меньшей площадью называется эмиттером, а слой с большей площадью – коллектором. Средний слой транзистора называют базой. Биполярный транзистор можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 2.2.)

Рис. 2.2. Эквивалентная схема биполярного транзистора

18

Существуют три способа включения транзистора: схема с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схема ОБ (рис. 2.3) позволяет раскрыть физику транзистора.

Рис. 2.3. Включение n-p-n транзистора с общей базой и с общим эмиттером

Эта схема обладает малым входным сопротивлением и не обеспечивает усиления тока. Главную роль в транзисторной технике играет включение с общим эмиттером (рис. 2.4)

Рис. 2.4. Включение p-n-p транзистора с общей базой и с общим эмиттером

В схеме с общим эмиттером ток базы управляет током коллектора, в схеме с общим коллектором ток базы управляет током эмиттера. Наиболее часто используют транзисторы при их включении по схеме с общим эмиттером. Входным напряжением в схеме с общим эмиттером является Uбэ. На базе должно быть отрицательное напряжение (в случае транзистора тина р-n-р, чтобы первый переход оказался открытым). Выходным напряжением здесь является Uкэ. Напряжение на коллекторе также должно быть отрицательным относительно эмиттера, а чтобы второй переход был закрытым, напряжение на коллекторе по модулю должно превышать напряжение на базе. Принцип действия транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, показан на рис. 2.5. Представим себе структуру транзистора типа n-р-n, включенного по схеме ОЭ (рис.2.5, а). Условное обозначение такого транзистора приведено на рис. 2.5, б. Для удобства отсчета потенциалов эмиттер транзистора заземлим. Входным электродом транзистора является база р-типа, выходным – коллектор n-типа. В соответствии с изложенным ранее между базой и эмиттером подается небольшое положительное напряжение Uбэ, а между коллектором и эмиттером напряжение Uкэ также положительное и боль19

шее, чем Uбэ (несколько вольт). Тогда на переходах транзистора получаются напряжения, соответствующие его работе в усилительном режиме.

a)

б)

Рис.2.5. Транзистор типа n-р-n: а) – структура; б) – условное обозначение

При подаче указанных напряжений в структуре транзистора происходят следующие явления. Поскольку на эмиттерный p-n-переход подано прямое напряжение, возникает инжекция, т. е. введение электронов из эмиттера в базу. Одновременно инжектируют и дырки из базы в эмиттер, но этим явлением можно пренебречь, т. к. база имеет меньшую концентрацию примесей по сравнению с эмиттером, а, следовательно, и меньшую концентрацию носителей заряда. Небольшая часть инжектированных электронов (1–3 %) рекомбинирует с дырками базы. За счет этого по проводу, соединенному с базой, будет протекать небольшой ток базы Iб. Остальная часть электронов (α = 0,97÷0,99) проникает далее в коллектор. Этому способствует положительный заряд коллектора, а также то, что базу намеренно выполняют очень тонкой (порядка 1 мкм). Из такого рассмотрения легко понять механизм усиления схемы ОЭ по току и напряжению. Действительно, пусть за счет входного переменного сигнала напряжение Uбэ изменяется. Это приведет к значительным колебаниям инжектированного эмиттером тока. Наиболее значительная часть этого тока будет протекать в коллектор, а на долю базы опять будет приходиться только небольшая часть тока. Это означает, что хотя входной ток базы небольшой, однако он вызывает значительные колебания тока на выходе. Если же в коллекторную цепь включить резистор с достаточно большим сопротивлением, то в соответствии с законом Ома колебания тока вызовут увеличение амплитуды колебания напряжения, т. е. произойдет усиление сигнала и по току, и по напряжению. Поскольку полярность напряжений, подаваемых на базу и коллектор, положительная, обе цепи можно питать от одного источника, на базу напряжение подают с помощью делителя, т. к. оно должно быть небольшим. 20

Параметры транзистора можно определить по его входным и выходным характеристикам. Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости тока базы от напряжения на базе: Iб = f(Uбэ) при Uкэ = const. На рис. 2.6 приведены входные характеристики транзистора при его включении с общим эмиттером.

Рис. 2.6. Входная характеристика транзистора

При открытом первом переходе ток базы Iб (т. е. входной ток) сильно зависит от прямого напряжения на базе Uбэ и мало зависит от обратного напряжения Uкэ (при его большом значении). При увеличении обратного напряжения Uкэ входная характеристика немного смещается вниз, что объясняется уменьшением тока базы из-за увеличения тока коллектора. Используя входную характеристику транзистора, можно определить его входное сопротивление Rвх для определенного положения рабочей точки А (см. рис. 2.6). Для этого при постоянном напряжении на коллекторе Uкэ задают приращение тока базы ∆Iб и определяют получающееся при этом изменение напряжения на базе ∆Uбэ. Входное сопротивление транзистора определяют как отношение Rвх = ∆Uбэ / ∆Iб. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, представляют собой зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе: Iк = f(Uкэ) при Iб = const. На рис. 2.7 приведены выходные характеристики транзистора включенного по схеме с общим эмиттером. С увеличением тока базы Iб характеристики смещаются вверх. Связь между током коллектора Iк и током базы Iб определяется коэффициентом передачи тока базы β = ∆Iк /∆Iб, который легко можно выразить через известный коэффициент передачи тока эмиттера а: β = ∆Iк /∆Iб = ∆Iк /(∆Iэ-∆Iк) = а /(I - а). 21

Коэффициент передачи тока базы β зависит от напряжения на коллекторе Uкэ и от тока эмиттера Iэ.

Рис. 2.7. Выходные характеристики транзистора

При малых напряжениях на коллекторе ‫׀‬Uкэ‫׀ < ׀‬Uбэ‫ ׀‬транзистор переходит в режим насыщения, при котором неосновные заряды инжектируются в базу не только эмиттером, но и коллекторным переходами. Для сохранения тока базы неизменным (т. к. характеристики снимают при Iб = const) нужно уменьшить напряжение на базе, что приводит к резкому уменьшению токов эмиттера и коллектора. В этом месте выходные характеристики имеют резкий спад, коэффициент передачи тока базы β резко уменьшается, эффективность управления коллекторным током снижается. По выходным характеристикам можно определить также выходное сопротивление транзистора Rвыx. Для этого в рабочей точке А при Iб = const задают приращение коллекторного напряжения ∆Uкэ и определяют получающееся при этом приращение тока коллектора ∆Iк. Выходное сопротивление транзистора находят как отношение: Rвых=∆Uкэ/∆Iк. ЗАДАНИЕ 1. Собрать схему лабораторной установки. 2. Снять семейство статических характеристик транзистора. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА 1. Изучить устройство и принцип действия биполярного транзистора. 2. Начертить схему установки и таблицу для снятия характеристик. РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ 1. Собрать схему лабораторной установки для снятия статических характеристик транзистора (рис. 2.8). 2. Установите на блоке питания переключатель «0–30 V», «0–6,3 V» в положение «–». 3. Подключите схему к клеммам питания « - 0–30 V» и «- 0–6,3 V» штатива приборного. 22

Рис. 2.8. Схема лабораторной установки: ИП1 – вольтметр постоянного тока 3 V; ИП2 – миллиамперметр постоянного тока 10 mА; ИПЗ – миллиамперметр постоянного тока 300 mА; ИП4 – вольтметр постоянного тока 15 V; VТ – транзистор КТ801В.

4. Изменяя напряжение базы Uб от 0 до 1V, измерьте по прибору ИП2 ток базы Iб для двух фиксированных значений коллекторного напряжения: Uк = 0; Uк = 6V. 5. Изменяя коллекторное напряжение Uк от 0 до 10 V, измерьте по прибору ИПЗ коллекторный ток Iк для двух фиксированных значений тока базы: Iб = 2 мА; Iб = 4мА. 6. Показания приборов свести в таблицы 2.2, 2.3. Таблица 2.1 Uбэ, Вт Iб, мкА

0,1

0,2

Uкэ = 0В 0,3 0,4

0,6

0,8

1

Uкэ = 6В Uбэ, mВ Iб, mкА

Таблица 2.2 Iб, мА Uкэ, В

2

4 Iк, мА

7. По данным измерений постройте графики зависимости: Iб = f(Uб) при UK = const, Iк = f (Uк) при Iб = const. 8. Для заданной преподавателем рабочей точки определить выходное сопротивление транзистора. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Перечень и номинальные данные используемой аппаратуры. 23

2. Схема лабораторной установки. 3. Входные и выходные характеристики исследованного транзистора. 4. Экспериментальное определение характеристики исследованного транзистора. 5. Экспериментальное определение параметров транзистора в рабочей точке. 6. Выводы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Объяснить принцип действия транзистора. 2. Привести возможные схемы включения транзистора. 3. Как определить параметры транзистора с помощью входных и выходных характеристик? ЛИТЕРАТУРА 1. Харченко В. М. Основы электроники. – М.: Электроиздат, 1992. 2. И. А. Данилов, П. М. Иванов. Общая электротехника с основами электроника. – М.: Высшая школа, 1998.

24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОРЕЗИСТОРА И ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ Цель работы: изучить принцип действия фоторезистора и фотоэлемента. Работа рассчитана на 2 часа ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ Фотоэлектрическими приборами называют преобразователи лучистой энергии, благодаря которой изменяются электрические свойства вещества, образующего данный прибор. Эти приборы делятся на два типа: с внешним и внутренним фотоэффектом. Суть внешнего фотоэффекта состоит в том, что при облучении фотокатода светом возникает явление фотоэлектронной эмиссии. При этом ток фотоэмиссии прямо пропорционален световому потоку (закон Столетова): I ф = kФ , где Iф – ток фотоэмиссии, мкА; Ф – световой поток, лм; k – интегральная чувствительность фотокатода. Интегральная чувствительность равна значению фототока, вызванного световым потоком стандартного источника белого света в 1 лм. Главные закономерности фотоэффекта были выведены А. Эйнштейном на основе фотонной теории света. Согласно этой теории, лучистая энергия излучается и поглощается не как непрерывный поток, а определенными порциями – квантами. Каждый квант (фотон) в зависимости от частоты излучения ν обладает определенным количеством энергии:

W = hv , где h = 6,66·10-34 Дж·с – постоянная Планка. Когда поток фотонов падает на фотокатод, энергия фотонов передается свободным электронам, которые, совершая определенную работу выхода W0, покидают катод с начальной скоростью U0. Этот процесс описывается уравнением Эйнштейна: ⎛ m U2 ⎞ hv = W0 + ⎜ e 0 ⎟. ⎜ 2 ⎟ ⎝ ⎠ Из уравнения Эйнштейна следует, что электрон может покинуть катод, если работа выхода меньше энергии кванта. Суть внутреннего фотоэффекта состоит в том, что в полупроводнике под действием световой энергии возникают подвижные носители зарядов: пары электронов и дырок. При этом энергия фотона идет на переме25

щение электрона из валентной зоны в зону проводимости и сопротивление полупроводника уменьшается. Фотоэлементами с внешним фотоэффектом называются электронные приборы, работа которых основана на явлении фотоэлектронной эмиссии с катода. Фотоэлемент монтируется в стеклянной колбе, внутри которой, как и в электронных лампах, создается вакуум.

а) б) Рис 3.1. Устройство: а) – и условное изображение; б) – фотоэлемента

Рис. 3.2. Схема включения электронного фотоэлемента

Фотокатодом элемента (рис. 3.1) является тонкий слой светочувствительного материала (щелочноземельного металла), которым покрыто около 50 % внутренней поверхности колбы. Анодом фотоэлемента 2 является кольцо из тонкой никелевой проволоки, что обеспечивает свободное поступление света на фотокатод. На рис. 3.2 представлена схема включения фотоэлемента, которая служит для преобразования светового потока в сигнал постоянного напряжения (тока). При освещении фотокатода в цепи появляется фототок Iф, проходящий через сопротивление нагрузки Rн. Так как, значение Iф прямопропорционален световому потоку, то выходное напряжение U н = kI ф R н . Интегральная чувствительность k электронных фотоэлементов с кислородно-цезиевым катодом составляет 20–60 мкА/лм, с сурьмяноцезиевым – 80–180 мкА/лм. Для правильной эксплуатации фотоэлементов необходимо знать их спектральные характеристики, ход которых показан на рис. 3.3. Вольтамперные характеристики, приведенные на рис. 3.4, дают возможность судить о зависимости фототока Iф от анодного напряжения Ua при различных значениях светового потока Ф. Видно, что в режиме на26

сыщения фототок не зависит от анодного напряжения. Этот режим и является рабочим.

Рис. 3.3. Спектральные характеристики

Рис. 3.4. Вольтамперные характеристики

Электронные фотоэлементы широко применяются в различных областях науки и техники. В частности, их применяют в фотореле, которые обеспечивают контроль различных величин на производстве: освещенности, прозрачности сред, качества обработки поверхности деталей и т. п. Электронные фотоэлементы, как и все фотоэлектрические приборы, обозначают буквенно-цифровым кодом. Например, СЦВ-3 – электронный фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым катодом, номер разработки – 3. Фоторезисторы – приборы, принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте – изменении сопротивления полупроводникового материала под действием электромагнитного излучения. Устройство фоторезистора показано на рис. 3.5, а. Пленка 2 из полупроводникового материала (сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмут и т. д.) закреплена на диэлектрической подложке 3 (стекло, кварц, керамика). Световой поток Ф попадает на полупроводник через специальное отверстие в пластмассовом корпусе. Электроды 1, выполненные из благородных металлов (золото, платина), обеспечивают хороший контакт с полупроводником и не подвержены коррозии. Поверхность полупроводника покрыта защитным слоем прозрачного лака. В схеме (рис. 3.5, б) при отсутствии светового потока по цепи проходит так называемый тем новой ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника. Этот ток весьма мал, и его значение определяется темновым сопротивлением Rт, имеющим широкий диапазон значений: 102–1010 Ом. Наибольшее значение Iт имеют фоторезисторы, выполненные из сернистого кадмия.

а) б) Рис. 3.5. Фоторезистор: а) – устройство; б) – схема включения

27

При освещении фоторезистора в нем возникают дополнительные свободные электрические заряды – электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает. Разность между световым Iсв и темновым токами называется фототоком: Iф = Icв – Iт Зависимость фототока Iф от лучистого потока Ф иллюстрируется энергетической характеристикой (рис. 3.6). Нелинейность этой характеристики является недостатком фоторезисторов.

Рис. 3.6. Электрическая схема фоторезистора

Рис. 3.7. Спектральная характеристика фоторезистора, выполненного из сульфида кадмия

Значения фототока сильно зависят от спектрального состава светового потока. Эта зависимость видна из спектральной характеристики, вид которой для фоторезистора, выполненного из сульфида кадмия, приведен на рис. 3.7 (где Iфmах – фототок, соответствующий максимуму спектральной чувствительности). Интегральная чувствительность фоторезисторов на два порядка выше, чем электронных фотоэлементов. Важным параметром фоторезисторов является пороговый световой поток Фп – минимальный поток излучения, который вызывает появление в цепи фоторезистора электрического напряжения, превышающего в 2–3 раза шумовое напряжение. Существенным недостатком фоторезистора является их большая инерционность, обусловленная значительным временем генерации и рекомбинации электронов и дырок при изменении освещенности фоторезистора. Фоторезисторы обозначают буквами ФС или СФ, затем следует буква и цифра, которые определяют состав и конструктивное оформление: А-РЬ; К-CdS, Г – герметизированный корпус. Например, ФСК–Г1 обозначает фоторезистор из сернистого кадмия в герметизированном корпусе. Фоторезисторы широко применяются в автоматике, вычислительной технике и промышленной электронике. В частности, фоторезисторы ис28

пользуют для сортировки изделий по их окраске, размерам или какимнибудь другим признакам. ЗАДАНИЕ 1. Изучить устройство и принцип действия фотоэлемента с внешним фотоэффектом и фоторезистора. 2. Посмотреть зависимость тока фотоэлемента и напряжения на нагрузке от освещенности. 3. Построение вольтамперной характеристики для фотоэлемента и фоторезистора. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА 1. Изучить принцип действия, устройство и область применения фотоэлемента и фоторезистора. 2. Начертить схему установки и таблицу для снятия характеристик. РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ А. На лабораторном устройстве по электротехнике “К4822-2”.

Рис. 3.8. Схема для исследования фотоэлемента: ИП1 – микроамперметр постоянного тока 50 µА; ИП2 – вольтметр постоянного тока 50 V; Л1-ЛЗ — лампы; ФЭ – фотоэлемент Ф-9; B1, B2 – тумблеры.

1. Собрать схему согласно рис. 3.8. 2. Установите на блоке питания переключатель «0–30 V», в положение «–». 3. Подключите схему к клеммам питания «0–30 V» и «~220 V». 4. Изменяя напряжение на фотоэлементе от 0 до 30 V, измерьте ток фотоэлемента для различных источников света, (при включении одной, двух, трех ламп). 5. Данные измерений занести в табл. 3.1. Таблица 3.1 UВ I µА (при 1 лампе) I µА (при 2-х лампах) I µА (при 3-х лампах)

29

6. Построить вольтамперную характеристику для фотоэлемента. 7. Соберите схему согласно рис. 3.9.

Рис. 3.9. Схема для исследования фоторезистора: ИП1 – миллиамперметр постоянного тока 10 mА; ИП2 – вольтметр постоянного тока 50 V; Л1–ЛЗ – лампы; ФР – фоторезистор ФР-765; Bi, B2 – тумблеры.

8. Установите на блоке питания переключатель «0–30 V» в положение «–». 9. Подключите схему к клеммам питания «0–30 V» и «~220 V». 10. Изменяя напряжение на фоторезисторе от 0 до 30 V, измерьте ток фоторезистора для различных источников света (при включении одной, двух, трех ламп). 11. Данные измерений занести в табл. 3.2. Таблица 3.2 UВ I mА (при 1 лампе) I mА (при 2-х лампах) I mА (при 3-х лампах)

12. Постройте вольтамперные характеристики для фоторезистора для различных источников света: Iф = f(Uф). Б. На лабораторном устройстве по электротехнике № 4826. 1. Собрать схему согласно рис. 3.10. + 15В VD

ФЭ

R1

R2

VТ

0 ФЭ – фотоэлемент ФЭ-9; Т – транзистор типа КТ – 315Б; R1 – активное сопротивление 1 кОм, R2 – 10 кОм; Д – светодиод типа АЛ 307 БМ. Рис. 3.10.

30

2. Изменяя освещенность фотоэлемента снять зависимость UН = f(Ф), напряжения на нагрузке от освещенности. 3. Собрать схему рис.3.11. 4. Снять зависимость тока фотоэлемента от светового потока. 5. Начертить световую характеристику фотоэлемента Iф = f(Ф) и Uн = f(Ф). + 15 В

ФЭ

μА 0 (-15) В Рис. 3.11.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Перечень и номинальные данные используемой аппаратуры. 2. Схемы лабораторных установок. 3. Начертить вольтамперную характеристику фотоэлемента Iф = f(U) и фоторезистора. 4. Начертить световую характеристику фотоэлемента Iф = f(Ф) и Uн = f(Ф). 5. Выводы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Дать определение фотоэлектрическим приборам. 2. Суть внешнего фотоэффекта. 3. Суть внутреннего фотоэффекта. 4. Законы фотоэффекта. 5. Устройство принцип действия фотоэлемента. 6. Вольтамперная характеристика и световая характеристика фотоэлементов. 7. Области применения фотоэлемента. 8. Обозначения фотоэлемента. 9. Устройство и принцип действия фоторезистора. 10. Условные обозначения фоторезистора. 11. Характеристики фоторезисторов. 12. Основные параметры фоторезисторов. 13. Области применения фоторезисторов. 31

ЛИТЕРАТУРА 1. И. А. Данилов, П. М. Иванов. Общая электротехника с основами электроника. – М.: Высшая школа, 1998. 2. Ю. Синдеев. Электротехника. Ростов не Дону. 2000. 3. К. А. Арестов, Б. С. Яковенко. Основы электроники. – М.: Радио и связь. 1988.

32

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Цель работы: анализ процессов в схемах выпрямительного диодного моста. Исследование осциллограмм входного и выходного напряжения для выпрямительного моста. Работа рассчитана на 4 часа. ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ В качестве источников питания различных электронных устройств часто используют выпрямители. В состав выпрямителя (рис. 4.1) входят следующие основные элементы: трансформатор: Тр – устройство для преобразования напряжения переменного тока питающей сети в требуемое переменное напряжение и разделения электрических цепей, вентиль В – прибор, обладающий односторонней проводимостью электрического тока, фильтр Ф – устройство, обеспечивающее необходимое ослабление пульсации выпрямленного напряжения.

Рис. 4.1. Выпрямитель

Вентиль преобразует переменное напряжение в пульсирующее, что обеспечивается его свойством односторонней проводимости. При прямом напряжении вентиль имеет сопротивление, близкое к нулю, а при обратном напряжении его сопротивление становится очень большим. В качестве вентилей можно использовать ламповые диоды, различные газоразрядные приборы, газотроны, тиратроны, игнитроны и др. Однако в настоящее время большинство выпрямителей выполняют на полупроводниковых диодах германиевых и кремниевых. Силовые полупроводниковые вентили по сравнению с другими имеют ряд преимуществ: более высокий КПД, постоянная готовность к работе, большой срок службы, малая масса и габариты, высокая надежность. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода (рис. 4.2, б) отличается от идеальной характеристики вентиля (рис. 4.2, а), т. к. при обратном напряжении диод проводит ток. Однако у хороших полупроводниковых диодов обратные токи весьма малы и несущественно влияют на работу выпрямителя. 33

Iа

Ia

Ua

Ua

0

0

Рис. 4.2. Вольтамперная характеристика

На рис. 4.3 представлена простейшая схема однополупериодного выпрямителя, в состав которой входят трансформатор Т, вентиль VД и активная нагрузка R. Диаграммы напряжений и тока в схеме однополупериодного выпрямителя показаны на рис. 4.4.

T

Рис. 4.3. Простейшая схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 4.4. Диаграммы напряжений и тока в схеме однополупериодного выпрямителя

Ток в цепи нагрузки, включенной последовательно с вентилем, проходит лишь в те моменты времени, когда к вентилю приложено прямое напряжение. Каждые полпериода напряжение вторичной обмотки трансформатора меняет свой знак. Поэтому в течение одной половины периода к вентилю прикладывается прямое напряжение, в течение следующего полупериода – обратное. Через вентиль и нагрузку ток проходит только в одном (прямом) направлении, т. е. ток в нагрузке получается постоянным по направлению, но пульсирующим. Выпрямленное напряжение совпадает по форме с выпрямленным током. Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети. Пульсирующие ток и напряжение содержат постоянные составляющие. Среднее за период значение выпрямленного (пульсирующего) напряжения, т. е. его постоянная составляющая, определяется величиной Uо = U2m/π, где U2m – амплитудное значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора, или Uо = 2U 2 /π = 0,45U 2 , где U2 – действующее значение напряжения. 34

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к вентилю, равно амплитудному значению U2m: U обр.m = U 2m = πU 0

Качество выпрямителя характеризуется отношением постоянной составляющей выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения: Uо/U2. Чем больше значение этого отношения, тем выше качество схемы выпрямителя. Для однополупериодного выпрямителя Uо/U2 = 0,45. Важным требованием к выпрямителю является снижение переменной составляющей выпрямленного напряжения при получении постоянной составляющей. Выполнение этого требования характеризуется коэффициентом пульсаций Кn, равным отношению амплитудного значения переменной составляющей выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей: Кn = Um/U0. Коэффициент пульсаций часто определяют по первой гармонике: Kn1 = Um1/Uo, где Um1 – амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя Kn1 = 1,57. К выпрямителям предъявляется также требование, касающееся режима работы вентилей: обратное напряжение, прикладываемое к закрытым вентилям, не должно намного превышать выпрямленное напряжение. Выполнение этого требования характеризуется отношением максимального значения обратного напряжения к среднему значению выпрямленного: Uобр.m/ Uо. Для однополупериодного выпрямителя: Uобр.m / Uo = π. Схемы однополупериодных выпрямителей имеют ряд существенных недостатков: малое значение выпрямленного напряжения, большой коэффициент пульсаций и др. На практике часто используют различные схемы двухполупериодных выпрямителей. На рис. 4.5, а, б представлены схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора и мостовая схема. Наиболее распространена из них мостовая схема, в которой не требуется трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки.

а) б) Рис. 4.5. Однополупериодные выпрямители: а) – схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора; б) − мостовая схема

35

Четыре вентиля схемы образуют мост, к одной диагонали которого присоединяются концы вторичной обмотки трансформатора, а к другой нагрузка выпрямителя. Вентили в схеме работают поочередно попарно: при положительной полуволне напряжения U2, которая соответствует прямому напряжению вентиля Д1, ток проходит через Д1 нагрузку и Д3, а при отрицательной полуволне напряжения U2, соответствующей прямому напряжению вентиля Д2 ток проходит через Д2 нагрузку и Д4. На рис. 4.6 представлены диаграммы напряжений и тока в мостовой схеме. Частота пульсаций выпрямленного напряжения здесь в два раза больше, чем в однополупериодной схеме, что увеличивает среднее значение выпрямленного напряжения: U0 = 2 U2m /π = 2 2 U2 / π. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения по первой гармонике Кn1 = 0,667. Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к закрытым вентилям, равно амплитудному значению напряжения U2m, т. к. падение напряжения на открытых вентилях близко к нулю, т. е. UОБР m = U2m = πU0/2 = 1,57 U0.

Рис. 4.6. Диаграммы напряжения и токов в мостовой схеме

Простейшие схемы выпрямителей имеют большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. Поэтому далее предусматривают сглаживающие фильтры. Обычно используют Г- или П-образные фильтры, включающие в себя дроссели, конденсаторы и резисторы. Чаще всего используют LС-фильтры (рис. 4.7, а, б), обеспечивающие хорошее сглаживание пульсаций при различных нагрузках. Конденсатор фильтра С включают параллельно нагрузке R. Тогда при выполнении условия Хс = 1 / (ω С) << R конденсатор сильно шунтирует нагрузку по переменной составляющей и значительно уменьшает переменное напряжение на нагрузке. Дроссель L включают последовательно с нагрузкой R. При выполнении условия XL = ω L >> R переменное напряжение с выхода выпрямителя задерживается на дросселе фильтра и в нагрузку не попадает. Одновременное включение L и С дает большой эффект в сглаживании пульсаций выпрямленного напряжения. Качество фильтра оценивают коэффи36

циентом сглаживания Ксгл = Кп. вх / Кп. вх, где Кп. вх и Кп. вх – коэффициенты пульсаций выпрямителя на входе и выходе фильтра. Чем больше Ксгл, тем эффективнее работает фильтр.

а) б) Рис. 4.7. Схемы использования LC-фильтров для сглаживания пульсаций при различных нагрузках: а) − Г-образный фильтр, б) − П-образный фильтр

При работе выпрямителя часть выпрямленного напряжения падает на активном сопротивлении вторичной обмотки трансформатора, на прямом сопротивлении открытого вентиля, на элементах сглаживающего фильтра. С увеличением выпрямленного тока I0 подобные потери напряжения увеличиваются, а напряжение на нагрузке U0 уменьшается. Зависимость U0 = f (I0) называют внешней характеристикой выпрямителя (рис. 4.8). Чем меньше изменяется напряжение на нагрузке U0 при изменении тока I0, тем выше качество выпрямителя.

Рис. 4.8. Внешняя характеристика выпрямителя

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ЗАДАНИЕ 1. Собрать схему однофазного мостового выпрямителя. 2. Снять и построить вольтамперную характеристику. 3. Зарисовать осциллограмму изменения выходного напряжения во времени. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА 1. Изучить устройство, принцип действия и область применения однофазного мостового выпрямителя. 2. Начертить схему установки и таблицу для снятия характеристик.

37

РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ

Рис. 4.9. Схема лабораторной установки: ИП1 – амперметр переменного тока ~ 1 mА; ИП2 – миллиамперметр переменного тока 300 mА; ИПЗ – вольтметр переменного тока 250 V; ИП4 – вольтметр постоянного тока 450 V; ИП5 – миллиамперметр постоянного тока 300 mА; ИП6 – осциллограф электронный; Д1-Д4 – диоды КД 209А; Л1-ЛЗ – нагрузочные лампы; Bl, B2– тумблеры

1. Соберите схему согласно рис. 4.9. 2. Установите на блоке питания переключатель ЛАТР в положение «~0–250 V». 3. Подключите схему к клеммам питания «~ 0–250 V» приборного штатива. 4. Изменяя напряжение на входе выпрямителя от 0 до 250 V, снимите и постройте вольтамперную характеристику однофазного мостового выпрямителя. Iвыпр = f (Uвыпр) 5. Показания приборов занесите в табл. 4.1. Таблица 4.1 Параметры U2, В

Однофазный выпрямитель 0

20

50

100 120 140 160 180 При нагрузке с одной лампой

Uвып, В Iвып, А I2, А При нагрузке с двумя лампами Uвып, В Iвып, А I2, А При нагрузке с тремя лампами Uвып, В Iвып, А I2, А

38

200

220

250

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. В бланке отчета дать перечень и указать номинальные данные использованной аппаратуры. 2. Схема лабораторной установки однофазного и трехфазного мостового выпрямителя. 3. Таблицы с экспериментальными данными. 4. Рисунки с экрана осциллографа. 5. Выводы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Пояснить назначение элементов схемы выпрямителя. 2. Изобразить вольтамперную характеристику вентиля. 3. Какие элементы можно использовать в качестве вентилей? 4. Перечислить известные вам схемы выпрямителей. 5. От чего зависит частота пульсаций выпрямленного напряжения? 6. Дать определение коэффициентов пульсаций и сглаживания 7. Из каких соображений выбирают элементы сглаживающего фильтра? 8. Изобразить внешнюю характеристику выпрямителя. Измениться ли она при подключении к выпрямителю сглаживающего фильтра? ЛИТЕРАТУРА 1. Харченко В. М. Основы электроники. – М.: Электроиздат, 1992. 3. Осциллограф универсальный С1-77. ТО и инструкция по эксплуатации. – 1990. 4. И. А. Данилов, П. М. Иванов. Общая электротехника с основами электроника. – М.: Высшая школа, 1998. 5. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, 1998. – 400 с. 6. Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник. – 4-е изд. перераб. и доп. – К.: Выща шк., 1989. – 423 с.

39

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы: ознакомиться с работой тиристорного регулятора переменного напряжения и работой управляемого выпрямителя. Работа рассчитана на 4 часа. ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, с тремя выводами (анод, катод, управляющий электрод), имеющий четырехслойную структуру p-n-p-n. Условное обозначение тиристора – В связи с тем, что тиристоры в электрической цепи могут быть только в двух состояниях: полностью открытом или полностью закрытом, они эквивалентны контакторам. Снабжая тиристорный переключатель системой фазового управления, подающей управляющие импульсы на тиристоры не в начале полупериодов их проводимости, а с отставанием на угол α, получаем регулятор мощности. Тиристорные переключатели переменного тока широко применяются для питания электротермических установок, электропривода асинхронного двигателя. При помощи быстродействующих тиристорных переключателей можно эффективно воздействовать на процессы разгона и замедления привода, осуществлять интенсивное торможение и точную остановку. Безыскровая коммутация, отсутствие подвижных частей и высокая надежность, позволяют применять тиристорные переключатели для приводов, работающих с большим числом включений. Включенный встречно-параллельно тиристор с диодом образуют тиристорно-диодный элемент, позволяющий изменять величину тока только в течении одного из полупериодов приложенного напряжения (рис. 5.1). B u, i u = Umsinϕ

Zн D Рис. 5.1. Схема тиристора

0 α

π

i = Imsinϕ

Рис. 5.2. Диаграмма тока и напряжения

При включении ТЭ в цепь с чисто активным сопротивлением форма кривой тока при открытом тиристоре повторяет форму кривой приложенного напряжения (рис. 5.2). Поэтому при подаче управляющего импульса, смещенного на угол α относительно нуля напряжения, в цепи сразу возни40

кает ток. В течение проводящей части полупериода ток изменяется по синусоиде и прекращается при перемене знака напряжения на аноде. Регулировать выходное напряжение выпрямителя можно с помощью тиристоров. Простейшая схема регулируемого выпрямителя показана на рис. 5.3. VS UC

R H UH

Uд

Рис. 5.3. Схема регулируемого выпрямителя

Напомним, что для включения тиристора необходимо выполнить два условия: 1) напряжение на аноде тиристора должно быть положительным (но меньше Uпр.вкл.); 2) к управляющему электроду должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее отпирающему току. Первое условие выполняется для положительных полуволн напряжения сети UC, а для выполнения второго условия к управляющему электроду тиристора подводится отпирающий импульс UД. После включения тиристора управляющий электрод теряет управляющие свойства, поэтому включение тиристора произойдет, когда напряжение на его аноде станет равным нулю UA = 0. Форма импульсов напряжения на резистивной нагрузке RH без фильтра приведена на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Форма импульсов напряжения

Момент включения тиристора можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения сети, т. е. 0 ≤ α ≤ π. Если тиристор включается при α = 0, то среднее выпрямленное напряжение на нагрузке Ucв будет максимальным, а если α = 180°, то Ucв = 0. Такой способ называется фазоимпульсным. 41

С увеличением угла управления среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается, внешние характеристики (рис. 5.5) сдвигаются вниз относительно оси ординат. Uс.вп, Iс.вп – среднее значение выпрямленного напряжения и тока.

Рис.5.5. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя при различных углах управления α

Рис.5.6. Регулировочная характеристика выпрямителя

На рис. 5.6. представлена регулировочная характеристика выпрямителя. При α = 0 среднее значение выпрямленного напряжения максимально, а при α = π, равно нулю. ЗАДАНИЕ 1. 2.

Изучить работу тиристорного регулятора напряжения. Посмотреть зависимость изменения угла управления тиристора. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА

1. Начертить схему лабораторной установки. РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ 1. Собрать схему согласно рис. 5.7. 2. Подключить схему к гнездам «∼ 24 В», а параллельно тиристору – осциллограф. 3. Изменяя сопротивление R3, установить значение угла управления тиристора 0; 45°; 90°, при этом следить за степенью освещенности Л1 (при φ = 180° лампа не горит). 4. Зарисовать осциллограммы напряжений на тиристоре и лампе HL1 при углах управления φ = 0; 45°; 90°. 42

R2

R1 VD1

R4

∼ 24 B

N

R3

IV

VD2 Рис. 5.7. Рабочая схема: R1 – резистор 27 Ом; R2 – резистор 1 кОм; R3 – резистор переменный 22 кОм; R4 – резистор 470 Ом; HL – лампа накаливания МН 26-0,16; VD1 – тиристор КУ 115Б; VD2 – диод КД 209Д; IV – осциллограф.

5. Собрать схему согласно рис. 5.8. R1

HL1

R2

+ ∼24 B

S1P D

VD1 R4

N

R3

+ -

С1

Рис. 5.8. Рабочая схема: R1 – резистор 27 Ом; R2 – резистор 27 Ом; R3 – резистор переменный 47 кОм; R4 – резистор 470 Ом; HL1 – лампа накаливания МН 26-0,12; VD1 – тиристор КУ 115А; PS1 – осциллограф; D – блок выпрямительный КУ 405Б; С1 – конденсатор 1mF.

6. Подключить схему к гнездам «∼ 24 В», а параллельно тиристору – осциллограф. 7. Изменяя сопротивление резистора R3 установить значение угла управления φ = 0; 45°; 90°; 180° при этом следить за степенью освещенности лампы HL1. 8. Зарисовать осциллограммы напряжений на тиристоре и лампе HL1 при углах управления φ = 0; 45°; 90°; 180°. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Перечень и номинальные данные используемой аппаратуры. 2. Схема лабораторной установки. 3. Осциллограммы напряжений на тиристоре при углах управления φ = 0°; 45°; 90°. 4. Выводы по работе. 43

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Области применения тиристорных переключателей переменного тока. 2. Как зависит выпрямленное напряжение от угла управления α. 3. Какую зависимость называют регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя. 4. Каким способом нельзя перевести тиристор из открытого состояния в закрытое. 5. Области применения тиристорных регуляторов напряжения. 6. В каких пределах возможно изменение угла управления. 7. Внешняя характеристика управляемого выпрямителя. ЛИТЕРАТУРА 1. Харченко В. М. Основы электроники. – М.: Электроиздат, 1992. 2. И. А. Данилов, П. М. Иванов. Общая электротехника с основами электроника. – М.: Высшая школа, 1998. 3. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА, 1998. – 400 с.

44

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ НА ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ И НА МИКРОСХЕМЕ Цель работы: исследовать характеристики усилителя напряжения низкой частоты на биполярном транзисторе с общим эмиттером и на микросхеме. Работа рассчитана на 4 часа. ПОЯСНЕНИЕ К РАБОТЕ Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током, поступающим от источника питания в нагрузку. Обобщенная схема включения усилителя приведена на рис. 6.1. Источник питания

Источник питания

Усилитель

Нагрузка

Рис. 6.1. Обобщенная схема включения усилителя

Источниками сигналов могут быть различные преобразователи неэлектрических величин в электрические: микрофоны, элементы считывающие магнитные головки, термоэлектрические датчики и т. д. Частота и форма напряжения или тока этих источников может быть любой: импульсной, гармонической. Нагрузкой усилителей могут быть различные устройства, преобразующие электрическую энергию в неэлектрическую, например, громкоговорители, индикаторные устройства, осветительные и нагревательные приборы и др. Основной передаточной характеристикой усилителя является коэффициент усилителя. КU= U вых ; U вх

КI= Iвых Iвх

;

КР= Рвых Р вх

.

Любой усилитель должен усиливать входной сигнал по мощности. Но поскольку мощность равна произведению напряжения и силы тока, она может быть увеличена за счет усиления по току, напряжению или по тому и другому одновременно. В многокаскадных усилителях от предва45

рительных каскадов усиления требуется в основном усиление по напряжению, поэтому, хотя они обычно усиливают и ток, их называют усилителями напряжения. В лабораторной работе исследуется каскад усилителя напряжения низкой частоты (УНЧ), широко применяющийся в электронных установках. Упрощенная принципиальная схема УНЧ (рис 6.2). -Ек Rб

Rн

Cр

VT Т

~Uвх=Еб

+Ек Рис. 6.2. Принципиальная схема УНЧ

В большинстве случаев транзистор в усилительном каскаде включают по схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления такого каскада УНЧ определяется выражением: R U К = вых = β н , R вх U вх где β – коэффициент усилителя тока базы; Rн – сопротивление нагрузки цепи коллектора; Rвх – входное сопротивление транзистора. В реальных схемах сопротивление нагрузки обычного не входит в коллекторную цепь. Например, в схеме двухкаскадного УНЧ (рис. 6.3) нагрузкой первого каскада является входная цепь второго каскада. -Ек R1

Rк1

RK2

Rк

C VТ1

VТ

Cp2

Сэ1

Сэ2

~U

Rэ1

R’2

R2

Uвых Rэ2 +Ек

Рис. 6.3. Двухкаскадный УНЧ

46

В данном усилители оба каскада собраны по схеме с общим эмиттером. Такая схема характеризуется большим выходным и относительно малым входным сопротивлением. Между каскадами существуют различные способы связи: через разделительные конденсаторы (емкостная), с помощью трансформаторов (трансформаторная), непосредственная (гальваническая). В УНЧ широко распространена емкостная связь. В усилителях напряжения низкой частоты (рис. 6.4) рабочую тоску Р выбирают приблизительно в середине нагрузочной прямой, т. к. при этом возникающие в процессе работы усилителя нелинейные искажения, связанные с изменением формы выходного сигнала будут наименьшими, т. е. УНЧ работают в классе усиления А, который характеризуется непрерывным протеканием тока в выходной цепи в течение всего периода изменения напряжения усиливаемого сигнала (к. п. д. = 20–30 %).

Рис.6.4. Динамические характеристики

Уравнение динамического режима (уравнение прямой АG). Uк = Ек – Iкּ Rк. Динамические характеристики строят на семействе выходных статических характеристик при заданных значениях источника питания коллекторной цепи Ек и Rк. При Iк = 0, Uкэ = Ек (точка G) (точка G), при Uкэ = 0, Iк = Ек/Rк (точка А). Точка пересечения нагрузочной прямой АG со статической характеристикой при заданном входном токе Iб2, определяемую источников сме47

щением Еб называют рабочей точкой. А ее начальное положение – точкой покоя Р (при отсутствии входного переменного напряжения). Точка покоя определяет ток покоя в выходной цепи I0к и напряжение покоя U0к. В усилителях широко применяются обратные связи. Положительная обратная связь увеличивает, а отрицательная (ООС) уменьшает коэффициент усиления. Но положительная обратная связь (ОС) увеличивает возможность возникновения паразитной генерации, т. е. превращает усилитель в генератор. ООС повышает стабильность усилителя и улучшает его параметры. Рассмотрим работу усилителя с термостабилизацией за счет ООС по постоянному току рис. 6.5.

+ Cб

Ек

Rк

R1

Cк

~U

Сэ R2

Rн Uвых

Rэ

Рис. 6.5 Схема усилителя с термостабилизацией

А. Назначение элементов в схемы: Конденсаторы Сб и Ск являются разделительными, назначение которых определять переменный (усиливаемый) сигнал от постоянных напряжений и токов, действующих внутри схемы. Делитель напряжения R1R2 предназначен для установления рабочей точки транзистора в состоянии покоя. В зависимости от соотношения между плечами R1 R2 на базе транзистора создается потенциал D напряжение Uкэ состояния покоя, которое определяет ток базы и ток коллектора: Iк = β · Iб. Через резистор Rк на коллектор течет ток от источника питания Ек. Благодаря наличию этого резистора осуществляется динамический режим работы транзистора, при котором колебания коллекторного тока вызывают колебания напряжения на коллекторе. Эти колебания и являются полезным усиленным сигналом. 48

Резистор Rэ служит для осуществления отрицательной обратной связи по постоянному току с целью температурной стабилизации. Конденсатор Сэ предназначен для устранения ООС по переменному сигналу, т. е. для того чтобы колебания тока не вызывали колебаний напряжения на эмиттере, переменная составляющая тока должна проходить через Сэ. Для этого надо, чтобы Rc << Rэ. Б. Цепи постоянных токов, протекающих в схеме в режиме покоя и распределения напряжения в узлах схемы. В состоянии покоя, т. е. в отсутствие входного переменного сигнала, через усилитель протекают следующие постоянные токи: 1) коллекторный ток Iк по цепи: положительный полюс источника питания, резистор Rк, транзистор (от коллектора к эмиттеру), резистор Rэ, отрицательный полюс источника; 2) ток базы Iб по цепи: положительный полюс источника питания, резистор R1, транзистор (от базы к эмиттеру), резистор Rэ, отрицательный полюс источника питания; 3) ток делителя Iд по цепи: положительный полюс источника питания, цепь R1R2 – отрицательный полюс источника питания. Через Rэ протекает сумма токов Iк + Iб, а через R1 сумма токов: Iб + Iд. Эти токи выравнивают падение напряжения на резисторах в соответствии с законом Ома. На Rэ происходит падение напряжения Uэ = (Iк + Iб)· Rэ, причем потенциал эмиттера положителен относительно заземленной точки. Потенциал базы также положителен и в состоянии покоя Uб0 = Iд · R2. Следовательно, напряжение между базой и эмиттером транзистора Uбэ = Iд · R2 – (Iк + Iб) Rэ. Это напряжение определяет рабочую точку в состоянии покоя на входной характеристике транзистора, т. е. Iбазы в состоянии покоя. От него зависит и коллекторный ток транзистора в состоянии покоя (он приблизительно в 3 раза больше тока базы). Iк0 = β · Iб Именно делитель напряжения R1R2 характеризует состояние транзистора в отсутствии входного сигнала. В. Принцип работы схемы при усилении входного сигнала. На вход усилителя подается синусоидальный сигнал небольшой амплитуды, при этом рабочая точка на входной характеристике перемещается по линейному участку характеристики. Ток базы будет колебаться в определенных пределах, и его можно представить как сумму тока базы в состоянии покоя и синусоидальной составляющей Iб = Iб0 + Iб sin. Но ток коллектора в усилительном режиме приблизительно пропорционален току базы, Iкm = β · Iбm (где Im – амплитуда тока). 49

Изменение Iк приводят к изменениям потенциала коллектора, т. к. потенциал точки резистора Rк фиксирован источником питания и равен Ек, а падение напряжения на Rк пропорционально протекающему через него току и равно Uк = Iк · Rк. Uк=Ек + Iк·Rк., т. е. как сумму постоянной и синусоидальной составляющих. Постоянное напряжение не передается через разделительный конденсатор. Каскад усиления изменяет фазу сигнала на 180°. Г. Принцип работы системы температурной стабилизации за счет обратной связи. Пусть температура окружающей среды возрастает, тогда ток транзистора будет увеличиваться. Стабилизировать работу транзистора, это значит сделать так, чтобы коллекторный ток транзистора при этом не изменился. При увеличении тока через резистор Rэ падение напряжения на нем Uэ возрастает, и разность потенциалов между базой и эмиттером, равная разности напряжений на резисторах R2 и Rэ уменьшается Uб - Uэ = IR2 - IRэ. Это снижает ток базы Iб и следовательно Iк. В результате ток коллектора практически останется неизменным. Чем больше напряжение на Rэ, тем лучше стабилизирована схема, но это падение напряжение уменьшает напряжение питания транзистора, вычитаясь из напряжения источника Ек, что снижает коэффициент усиления и максимальную амплитуду усиленного напряжения. Обычно напряжение на Rэ составляет 10–30% от напряжения источника питания. Важной для усиления является частотная характеристика. Усилитель низкой частоты предназначен для усиления электрических сигналов в некоторой полосе частот. Об особенностях УНЧ можно судить по его амплитудной (выходной) и частотной характеристикам. На рис. 6.6 изображена амплитудная характеристика УНЧ [Uвых. = = f(Uвx)]. По ней можно определить динамический диапазон, т. е. величину D = Uвых. mах / Uвых. min, где значения Uвых. mах, Uвых.min ограничивают линейный участок характеристики. Обычно динамический диапазон определяют в децибелах, т. е. Dдб – 20 lg D. Чем больше D, тем выше качество усилителя. Амплитудная характеристика заметно нелинейна при очень малых и очень больших напряжениях входного сигнала. Причем даже при отсутствии входного сигнала на выходе имеется некоторое напряжение. Оно определяется собственными шумами усилителя. Поэтому очень малое значение Uвых min нельзя выбирать из-за того, что слабые сигналы будут заглушаться напряжением собственных шумов. При больших входных сигналах происходит перегрузка усилительных элементов, что приводит к уменьшению усиления и искажениям усиливаемого сигнала. Поэтому очень большое значение Uвых max также нельзя выбирать. Таким образом, значение динамического диапазона усилителя получается ограниченным. 50

Рис. 6.6. Амплитудная характеристика УНЧ

Рис. 6.7. Частотная характеристика усилителя К=φ(f) при Uвх = const

На рис. 6.7 изображена частотная характеристика усилителя К = φ(f) при Uвх = const. Из нее видно, что электрические сигналы проходят через УНЧ с искажениями, причем искажения увеличиваются на самых низших и высших рабочих частотах. Это связано с изменением значения сопротивления нагрузки для различных частот. Частотные искажения определяют коэффициентом частотных искажений М = К0 / К, где К0 – усиление в области средних частот; К – усиление на данной частоте. Допускают на граничных частотах fн и fв коэффициенты частотных искажений, обычно не более: М н = Мв =

2 = 1,41 (3∂Д). ЗАДАНИЕ

1. Изучить принцип действия усилителя низкой частоты. 2. Изучить назначение всех элементов схемы. 3. Рассчитать коэффициент усиления по мощности. 4. Снять и построить частотную характеристику усилителя. 5. Ознакомиться с устройством и назначением микросхемы К118УН1В. 6. Вычислить коэффициент усиления по напряжению. 7. Снять частотную характеристику. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА 1. Изучить дома основные теоретические положения. 2. Подготовить бланк отчета. 3. Нарисовать схему установки. 4. Начертить таблицы. РАБОТА В ЛАБОРАТОРИИ 1. Собрать схему согласно рис. 6.8. 51

Рис 6 .8. Рабочая схема С1, С2 — конденсатор 10 мкФ, 16 V; С3 — конденсатор 50 μФ, 16V; R1 — резистор 150 кОм; R2 — переменный резистор 47 кОм; RЗ — резистор 10 кОм; R4 — резистор 680Ом; R5 — резистор 22 кОм; VТ1 — транзистор КТ361Д; VТ2—транзистор КТ315А; РS1—осциллограф

2. Установить необходимое напряжение питания на блоке ПГ и подключить схему к гнездам «0», «+15 V», «Um». 3. Подать на вход схемы от блока ПГ синусоидальный сигнал частотой 1000 Гц, и плавно увеличивая его величину, определить максимальное значение Uвх, при котором выходное напряжение еще не ограничивается по амплитуде. 4. Измерить с помощью осциллографа Uвх, Uвых и UR1 при частоте входного сигнала 1000 Нz. 5. По данный измерений вычислить коэффициент усиления усилителя по мощности: Kp = Pвых/Pвх; Рвх = Uвх.Iвх = Uвх(Uвх/R1); Рвых = Uвых2/R8. 6. Изменяя частоту входного сигнала, снять частотную характеристику усилителя Кu = F(f) при Uвх max и по данным измерений построить характеристику (Кu = Uвых/Uвх). 7. Данные занести в табл. 6.1. Таблица 6.1 fk, Hz 200 1000 10000

Uвх, V

Uвых, V

Кu

8. Собрать схему усилителя на микросхеме согласно рис. 6.19, не подключая конденсатор С3.

52

+5V R3

Um Uвх

14 3

R1

DD1

2 R2

Uвых 6

N

C1

PS1

1

VT1

0 Рис. 6.9. Схема лабораторной установки: R1 – резистор 10 кОМ; R2 – резистор 10 кОМ; R3 – резистор 1,5 кОМ; VT1 – транзистор КТ 315 А; DD1 – микросхема К155ТМ2, С1 – конденсатор 0,1 мкФ; PS1 – осциллограф

9. Установить по вольтметру блока БП на пределе «+15V» напряжение 12.6 V. 10. Подключить схему к гнездам «+15V» , «0», «Um» на блоке БП. 11. Изменяя выходной сигнал от 0 до ограничения выходного сигнала, снять с помощью осциллографа амплитудную характеристику Uвых = F(Uвх) на частоте 1000 Hz и вычислить коэффициент усиления усилителя Кu Кu = Uвых U вх

12. Подключить в схему конденсатор С3 емкостью 47 мкФ и снять амплитудную характеристику Uвых = F(Uвх) на частоте 1000 Hz . Вычислить коэффициент усиления. 13. Данные занести в табл. 6.2. Таблица 6.2 f, Hz

Uвх, V Uвых, V без конденсатора

Кu

1000 10000 с конденсатором 1000 10000

14. Установить входной сигнал напряжением, равным половине значения сигнала, при котором начинается ограничение, снять с помощью осциллографа частотную характеристику усилителя Кu = f(γ). По данным измерений построить частотную характеристику усилителя. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 1. Технические данные приборов, используемых в работе. 2. Принципиальная схема исследуемого устройства. 53

3. Таблицы снятых измерений. 4. Графическое построение частотных и амплитудных характеристик. 5. Осциллограммы. 6. Вычисление коэффициента усиления. 7. Выводы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Основные параметры и характеристики усилителей. 2. Начертите амплитудную и частотную характеристики усилителя. 3. Что такое обратная связь в усилителе? Виды обратной связи. Что такое коэффициент обратной связи? 4. Начертить схему усилителя напряжения низкой частоты на транзисторе с температурной стабилизацией. Назначение всех элементов схем. 5. Цепи постоянных токов в схеме УИЧ. Каковы соотношения между потенциалами в узлах схемы в режиме покоя? 6. Поясните принцип работы усилителя при подаче на его вход синусоидального напряжения небольшой амплитуды. 7. Почему усилитель инвертирует сигнал? 8. Объясните принцип действия цепей температурной стабилизации усилителя. Какова должна быть емкость конденсатора в эмиттерной цепи. 9. Виды межкаскадных связей. ЛИТЕРАТУРА 1. Харченко В. М. Основы электроники. – М.: Электроиздат, 1992. 2. И. А. Данилов, П. М. Иванов. Общая электротехника с основами электроника. – М.: Высшая школа, 1998. 3. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: КОРОНА принт, 1998. – 400 с. 4. Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники: Учебник. – 4-е изд. перераб. и доп. – К.: Выща шк., 1989. – 423 с.

54

ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ………………………………………………………………………………… 3 Правила выполнения лабораторных работ………………………………………………… 4 Описание установки или рабочего места студента для выполнения лабораторных работ ……………………………………………………………………….. 5 Лабораторная работа № 1 Исследование полупроводникового диода ………………………………………………. 7 Лабораторная работа № 2 Исследование входных и выходных характеристик биполярного транзистора …………14 Лабораторная работа № 3 Исследование фоторезистора и фотоэлемента с внешним фотоэффектом ………………21 Лабораторная работа № 4 Исследование работы мостового выпрямителя ………………………………………….. 29 Лабораторная работа № 5 Исследование тиристорных регуляторов напряжения …………………………………… 36 Лабораторная работа № 6 Исследование усилителя напряжения низкой частоты на дискретных элементах и на микросхеме …………………………………………………………………………………. 41 Оглавление …………………………………………………………………………………. 51

55