Изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах - Радиоэлектроника - Скачать бесплатно
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 [pic]. 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.
[pic]
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 (t2 – (t1, диод открыт и через него
протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С . Постоянная времени заряда
(зар = С(RH ||Rпот), где сопротивление потерь
Rпот = Rпр.ср.+Rтр (Rтр - активное сопротивление потерь трансформатора).
Практически всегда Rпот ( RH и (зар ( С(RH ||Rпот. В остальную часть
периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается (разр
( С(RH ||Rобр+Rтр)).
Поскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление
Rобр(Rтр+RH, постоянная времени разряда (разр ( СRH и ( разр <<(зар -т.е.
процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью.
Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения Uc , на диоде
обратное напряжение .может достигать величины Uобр=2U2m. Поэтому диод
выбирают с Uобр.макс>2U2m. Фазовый угол, в течение которого диод открыт,
обозначается 2(=(t2-(t1, где ( - угол отсечка. Чем меньше ( . тем больше U0
и меньше пульсации. Поэтому ( желательно уменьшать.
В установившемся режиме площади под кривыми тока заряда конденсатора
Jсз и тока разряда Jcр одинаковы. Основные расчетные параметры выпрямителя
являются функциями коэффициента [pic], где m=1 для однополупериодного и m
= 2 для двухполупериодного выпрямителей.
С помощью этого параметра определяют необходимые значения:
Jm - максимального импульса тока через диод;
J2 - действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;
E2 - действующего значения ЭДС вторичной обмотки.
С помощью коэффициента A(() при расчетах определяют и коэффициент
пульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постоянной
составляющей выпрямленного напряжения U0'
[pic].
Выходное сопротивление [pic], где (U0 и (J0, находят по нагрузочной
характеристике источника U0=f(J0); U0 и J0 - напряжение и ток нагрузки.
На рис. 26 приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя.
Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два
импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диода V2 и V3
(пунктирные стрелки), в другом – через диоды V1 и V4. Частота пульсаций
выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в
две раза Uобр.макс>2U2m по сравнению с однополупериодной схемой. Еще одной
особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного
подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в
противоположных направлениях.
Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем и
нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания
определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента
пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе
[pic]
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
[pic]
где (Uвых - приращение U0 при изменении Uвх на величину (Uвх ;
Uвх.ном ; Uвых.ном - номинальные значения напряжений.
[pic]
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
[pic]
где rg - динамическое сопротивление стабилитрона.
Выходное сопротивление стабилизатора Rвых=Rб||rg(rg так как rg<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 (
В= Iк /Iб , В+1= Iэ /Iб, (= Iк /Iэ
откуда следует, что В=(/(1-(), (=В/В+1.
[pic]
Рис. 8 . Статические вольт-амперные характеристики транзистора: а)
выходные, б) входные.
[pic]
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.
[pic]
Верхняя граничная частота полосы пропускания (на этой частоте Uвых в
[pic] 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=(2((в)-1 где (в=G((в+CкэRкH)+CHRкH. В
последней формуле (в=(B+1)/ 2( 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.
[pic]
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 .
2. Используя формулы таблицы, оценить те же параметры усилителя и
вычислить относительное расхождение между экспериментальными и
аналитическими результатами.
3. Пользуясь экспериментальными данными определить, какой каскад и при
каких RН обладает наибольшим усилением по мощности. Объясните почему?
4. Дать заключение, как соотносятся между собой у различных каскадов
кi, кu, Rвх , Rвых. Объясните полученные результаты.
5. Экспериментально определить верхнюю граничную частоту для каждого
из каскадов ОЭ, ОБ и ОК при RН = R10 . Напряжение на выходе ГСС
поддерживать неизменным на всех частотах и равным 35 мВ.
6. Рассчитать fв для каждого каскада и сопоставить расчетные и
экспериментально полученные значения между собой.
Контрольные вопросы
1. Какова малосигнальная эквивалентная схема транзистора,
транзисторных каскадов ОЭ, ОБ, ОК?
2. Чем отличаются между собой усилительные каскады ОЭ, ОБ, ОК (схемные
различия, различия в параметрах и характеристиках)?
3. Как измерить входное и выходное сопротивления усилителя, усиление
по напряжению, току, мощности?
4. Объясните, почему возникают искажения в транзисторных каскадах?
Какова природа возникающих искажений?
5. Дайте определение граничной частоты усилителя.
Литература
1. В.Г.Гусев, Ю.М.Гусев. Электроника. - М.: Высшая школа,1982. - С.
I62-I78.
2. Е.И.Манаев. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985. -
С. 95-100, I30-I32.
Работа № 3. ключевой РЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА
Цель работы - исследовать статические режимы и переходные процессы в
схеме простого транзисторного ключа. Продолжительность работы - 3,5 часа.
Теоретическая часть
Транзисторные ключи (ТК) являются основой логических элементов ЭВМ.
Дня отображения двоичных символов используются статические состояния ТК, в
которых транзистор работает в режимах отсечки или насыщения. Во время
переходных процессов при переключении из одного статического состояния в
другое транзистор работает в нормальном и инверсном активных режимах.
Основными параметрами статических состояний ТК являются напряжение
насыщения Uкэн и обратный ток Jко. Режим отсечки ТК (рис. 12)
характеризуется низким уровнем напряжения
Uвых=-Ек+JкоRк(-Ек. В режиме насыщения через ТК протекает ток
[pic] Uвых=Uкэ(0.
Основными параметрами переходных процессов являются: при включении ТК
tз - время задержки и tф - длительность фронта, а при выключении tрас -
время рассасывания накопленного в базе заряда и tc - длительность среза.
На рис. 13 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие переходные
процессы в ТK. Время задержки [pic], где (вх=RбСвх ; Uб0- начальное
напряжение на Свх. Длительность фронта определяется по формуле
[pic]
Рис. 13. Временные диаграммы работы транзисторного ключа
Для удобства измерения фронта его часто определяют как время
нарастания тока от уровня 0.1Jкн до уровня 0.9Jкн ; [pic]. В этих формулах
[pic] (fв- верхняя граничная частота каскада ОЭ), а [pic]- коэффициент
насыщения. Ток базы, соответствующий границе насыщения, [pic]
Время рассасывания заряда в базе [pic], где (u - время жизни
неосновных носителей в базе в режиме насыщения.
Время рассасывания характеризуется интервалом времени от момента
подачи запирающего входного напряжения +Еб2 до момента, когда заряд в базе
уменьшается до граничного значения Qгр=Jбн(u,при котором транзистор
переходит из насыщенного состояния в активный режим. Если коллекторный
переход запирается раньше эмиттерного (tк< tкu ), то в инверсный
активный режим. В последнем случае на графике Jk и Uк появляется
характерный выброс (рис. 13, штриховые линии).
Заканчивается переходный процесс при выключении транзистора срезом
выходного напряжения (задним фронтом). Длительность tc можно оценить,
считая, что процесс формирования заднего фронта заканчивается при Q(0.
Тогда [pic].
Однако в реальных схемах большая часть среза выходного напряжения
происходит, когда транзистор находится в режима отсечки. Поэтому
длительность среза определяется постоянной времени (к=RкСк или
(к=Rк(Ск+Сн) с учетом емкости нагрузки Сн. Конденсатор С в схеме ТК (рис.
12. пунктир) является форсирующим. Он позволяет увеличить токи базы Jб1 и
Jб2 нa короткий промежуток времени, в то время как стационарные токи базы
практически не меняются, это приводит к повышению быстродействия ТК. Другим
способом увеличения быстродействия ТК является введение нелинейной обратной
связи. Диод с малым временем восстановления (диод Шоттки), включенный между
коллектором и базой, предотвращает глубокое насыщение ТК, фиксируя
потенциал коллектора относительно потенциала базы. Такие ТК называют
ненасыщенными.
Описание макета
Макет, схема которого показана на рис. 14, позволяет исследовать
статические состояния ключа и переходные процессы в нем. В первом случае с
помощью переключателя BI возможна подача в цепь базы низкого уровня
напряжения от источника G1 с сопротивлением в его -цепи R1. Для измерения
постоянных токов и напряжений в цепях ключа используется прибор,
установленный на панели лабораторного стенда о пределами измерения тока
J1=20 мА, J2=200 мкА, U1=20В, U2=0,2 В.
[pic]
Рис. 14. Схема макета лабораторной работы и 3
При исследовании переходных процессов на вход схемы подаются импульсы
отрицательной полярности амплитудой не более 15 В от генератора
прямоугольных импульсов. В схеме макета предусмотрена возможность установки
в коллекторной и базовой цепях транзистора различных деталей (резисторов и
конденсаторов) с целью исследования влияния их параметров на свойства
исследуемого ключа. Так, возможна смена резисторов в коллекторной цепи
(переключатель В4),подключение к схеме ускоряющего конденсатора С2
(переключательВ2), подключение к выходу ключа нагрузочного конденсатора СЗ
(переключатель ВЗ). В схеме установлен маломощный низкочастотный транзистор
МП42А ( fa = I...3 мГц, Вст = 30...60, Ск= 30 пф, Ркмакс=200мвт). Резисторы
и конденсаторы имеют следующие номиналы:
|R1=75 кОм, |R6=5,1 кОм |
|R2=3 кОм |R7=10 кОм |
|R3=,130 Ом. |R8=75 кОм |
|R4=910 Ом, |C1=10,0 мкф |
|R5=30 кОм |C2=1000 пФ |
| |C3=470 пф. |
Напряжение источника G1 следует установить равным 10 В.
Задание
1. Измерить статический коэффициент усиления по току транзистора,
установленного в ключе.
2. Исследовать статические состояния ТК при различных Rк. Определить
величину сопротивления Rк, соответствующую границе насыщения.
3. Исследовать характеристики ТК в динамическом режиме. Выявить
зависимости основных параметров переходных
|
