Инженерно-производственный центр «Учебная техника»

 

Комитет по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ТЕХНИКУМ ОТРАСЛЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, ФИНАНСОВ И ПРАВА» (ГБОУ СПО «СПбТОТФиП») Телефоны: Директор 388-02-35, начальник  АХО 388-19-01, бухгалтерия 388-33-55               196070, г. Санкт-Петербург, ул. Бассейная, 20   referent@totfip.ru www.totfip.ru              _____11.03.2016____       № ____190_____

Заведующей охраны репродуктивного здоровья подростков Миндриной Л.И.

 

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОНИКА

 

 

Руководство по выполнению лабораторных работ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2018

 

Беглецов Н.Н. Основы аналоговой электроники. Руководство по выполнению базовых экспериментов. ОАЭ.002 РБЭ (941) - Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2008. - 166 с.

 

                   Методические указания   составлены   в  соответствии  с  программой  курса «Электронная техника»  для подготовки  студентов  по  специальности «Автоматизация технологических процессов и производств»  . Содержит  задания и  методические указания  для   выполнения лабораторных работ, а также контрольные вопросы  для самопроверки и  проведения  практических занятий.

                   Лабораторные  работы   выполнены на  основе  типового   комплекта  лабораторного  оборудования  ОЭ1-Н-Р,  изготовленного  Инженерно-производственным  центром «Учебная  техника»  при  ЮрГУ (г. Челябинск),  автор Н. Н.  Беглецов. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение. 5

1.      Ознакомление с комплектом типового лабораторного оборудования. 6

1.1.       Общие сведения. 6

1.2.       Экспериментальная часть. 16

2.      Полупроводниковые приборы.. 17

2.1.       Исследование характеристик полупроводниковых диодов на постоянном и переменном токах. 17

2.2.       Определение основных характеристик стабилитрона и исследование параметрического стабилизатора напряжения. 23

2.3.       Экспериментальное снятие вольтамперной характеристики светодиода. 27

2.4.       Исследование диода с переменной ёмкостью (варикапа) 29

2.5.       Испытание pn-переходов биполярного транзистора и снятие его выходных характеристик с помощью осциллографа. 34

2.6.       Снятие статических характеристик транзистора на постоянном токе. 37

2.7.       Выбор рабочей точки биполярного транзистора и ознакомление с режимами усиления переменного напряжения классов A, B, AB и D.. 41

2.8.       Снятие статических характеристик полевого транзистора с p-n переходом.. 45

2.9.       Снятие статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом   49

2.10.     Экспериментальное определение основных характеристик тиристоров. 52

2.11.     Экспериментальное определение основных характеристик и параметров оптопар. 56

3.      Электронные цепи и микросхемотехника. 60

3.1.       Сравнительное исследование одиночных усилительных каскадов на биполярных транзисторах. 60

3.2.       Исследование усилительных каскадов на полевых транзисторах. 65

3.3.       Исследование двухкаскадного транзисторного усилителя. 69

3.4.       Исследование двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах. 75

3.5.       Исследование основных схем включения операционного усилителя. 78

3.6.       Снятие частотных характеристик операционного усилителя. 85

3.7.       Исследование схем суммирования, интегрирования и дифференцирования на операционном усилителе. 90

3.8.       Экспериментальное определение характеристик RC-фильтров на операционном усилителе. 97

3.9.       Исследование простейшего логарифмирующего преобразователя
 на операционном усилителе. 103

3.10.     Исследование генератора синусоидальных колебаний на операционном усилителе. 106

3.11.     Ознакомление с принципом действия триггера Шмидта и релаксационных генераторов на операционном усилителе. 109

3.12.     Ознакомление с работой RS-триггера, мультивибратора и одновибратора на транзисторах. 115

3.13.     Исследование аналоговых интегральных компараторов  и цепей с ними. 120

3.14.     Исследование аналогового таймера на интегральной микросхеме в автоколебательном и ждущем режимах  126

4.      Cтабилизаторы и вторичные источники питания. 131

4.1.       Исследование однополупериодной и мостовой схем выпрямления. 131

4.2.       Исследование трёхфазной мостовой схемы выпрямления и сглаживающих фильтров. 135

4.3.       Ознакомление с  принципом построения управляемых выпрямителей и тиристорных регуляторов с фазовым управлением.. 139

4.4.       Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения и тока. 144

4.5.       Испытание основных схем включения линейного интегрального стабилизатора напряжения. 148

4.6.       Ознакомление с принципом действия широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения  152

4.7.       Исследование интегрального импульсного преобразователя-стабилизатора напряжения с частотно-импульсной модуляцией. 155

Таблица используемых миниблоков. 163

Литература. 166

 

 

Введение

 

Основными компонентами являются лабораторного оборудования «Основы аналоговой электроники»:

 - блок генераторов напряжений с наборным полем;

 - два набора миниблоков ;

 - блок мультиметров;

 - двухканальный осциллограф, имеющий режим X – Y;

 - соединительные провода и перемычки, питающие кабели;

 - настольная рама для установки оборудования с выдвижным ящиком для хранения аксессуаров;

 

 

1.          Ознакомление с комплектом типового лабораторного оборудования

1.1.          Общие сведения

Компоновка оборудования

Общая компоновка типового комплекта оборудования показана на рис. 1.1. Всё оборудование располагается на столе заказчика. На стол устанавливается специальная рама с подставкой, в которой устанавливаются блок генераторов с наборным полем, блок мультиметров, и блок однофазного источника питания. Расположение блоков в раме жёстко не фиксировано. Оно может изменяться для удобства проведения того или иного конкретного эксперимента. В выдвижном ящике подставки хранятся соединительные провода, перемычки и шнуры питания, методические материалы. Ящик имеют встроенный замок.

Наборы миниблоков располагаются на столе. На стол устанавливается также осциллограф.

Однофазный источник питается от трёхпроводной однофазной сети (фаза, ноль и земля). В нём смонтированы устройство защитного отключения при нарушении изоляции, автомат для защиты от сверхтоков и блок розеток и разъёмов (на тыльной стороне блока) для подключения всех остальных блоков и осциллографа.

 

 

Рис. 1.1

 

Блок генераторов напряжений с наборным полем (код 213.5)

 

Блок генераторов напряжения с наборным полем (БГННП) предназначен для формирования однофазных сигналов различной формы, регулируемых по амплитуде и частоте, формирования трёхфазного напряжения  и постоянных напряжений для питания исследуемых схем. БГННП содержит наборное поле для сборки электрических схем с использованием набора миниблоков.

Синусоидальное, прямоугольное или импульсное напряжения на выходе генератора задается переключателем «ФОРМА». Амплитуда выходного напряжения устанавливается ручкой «АМПЛИТУДА» в пределах от 0 до 12 В. Диапазон регулирования частоты генератора напряжений специальной формы - от 0,2 Гц до 200 кГц. Частота устанавливается ручкой энкодера-потенциометра.  При горящем состоянии светодиода частота меняется по декадам. При мигающем состоянии светодиода, частота меняется с минимально возможным шагом. Переключение между режимами производится путем нажатия кнопки энкодера-потенциометра.

Генератор постоянных напряжений предназначен для получения стабилизированных напряжений +15 В, -15 В и регулируемого напряжения от 0 до +13 В. Все генераторы имеют общую точку «^».

Общий вид блока генераторов напряжений показан на рис. 1.2. В левой части расположены органы управления источников питания, в правой – гнёзда для подключения исследуемых элементов электрической цепи (миниблоков). В нижней части показан фрагмент электрической цепи, собранной на наборном поле.

Все источники напряжений включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ» и защищены от внутренних коротких замыканий плавким предохранителем с номинальным током 0,5 А.

На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника напряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напряжений имеют общую точку  «^», не соединённую с заземлённым корпусом блока. Источники защищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохранителями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >».

Наборная панель, расположенная справа от генератора напряжений служит для расположения на ней миниблоков в соответствии со схемой данного опыта.

Гнёзда на этой панели соединены в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке миниблоков в гнёзда панели. Остальные соединения выполняются проводами и перемычками. Так на фрагменте цепи, показанной на рис.1.2, напряжение от фазы С трёхфазного источника подводится с помощью перемычки к одной из обмоток трансформатора. К другой обмотке подключены резистор и конденсатор, соединённые последовательно.

 

 

Рис.1.2

 

Для измерения токов в ветвях цепи удаляется одна из перемычек и вместо неё в образовавшийся разрыв включается амперметр. Для измерения напряжений на элементах цепи параллельно рассматриваемому элементу включается вольтметр.

Наборы миниблоков (коды 600.15 и 600.16)

 

Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей (резисторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещённые в прозрачные корпуса, имеющие штыри  для соединения с гнёздами наборной панели. Некоторые миниблоки содержат несколько элементов, соединённых между собой, или более сложные функциональные блоки. На этикетках миниблоков изображены условные обозначения элементов или упрощённые электрические схемы их соединения, показано расположение выводов и приведены некоторые технические характеристики. Миниблоки хранятся в специальном контейнере.

Набор 600.15 состоит только из одноэлементных миниблоков. Он содержит резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Набор 600.16 содержит одноэлементные миниблоки с отдельными полупроводниковыми приборами и микросхемами, а также миниблоки с различными полупроводниковыми устройствами. Общий вид контейнера (600.16) с миниблоками представлен на рис. 1.3.

В табл. 1.1  приведены характеристики одноэлементных миниблоков, входящих в оба набора, а ниже дано описание более сложных миниблоков.

Таблица 1.1

 

Наименование и характеристики	Кол.	Наименование и характеристики	Кол.
Резисторы МЛТ, 2 Вт, ±5% (или ±10%): 1 Ом 10 Ом 22 Ом 33 Ом 47 Ом 68 Ом 100 Ом 150 Ом 220 Ом 330 Ом 470 Ом 680 Ом 1 кОм 2,2 кОм 3,3 кОм 4,7 кОм 10 кОм 15 кОм 22 кОм 33 кОм 47 кОм 100 кОм 1 Мом	1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 3 1 1 2 4 1 2 1 1 2 1	Конденсаторы К73-17, 63 или 100 В 0,01 мкФ 0,022 мкФ 0,1 мкФ 0,22 мкФ 0,47 мкФ 1 мкФ Конденсатор К10-17,25 В 4,7 мкФ Конденсаторы К50-35 или SR, 25, 50 или 63 В 10 мкФ 47 мкФ 100 мкФ 470 мкФ Индуктивности СW-68 10 мкГн Iмакс=1300 мА, R=0,09 Ом 22 мкГн Iмакс=960 мА,  R=0,12 Ом 47 мкГн Iмакс=830 мА,  R=0,23 Ом 100 мкГн Iмакс=710 мА,  R=0,44 Ом 1 мГн Iмакс=210 мА,  R=4,55 Ом Индуктивности 09Р 10 мГн Iмакс=90 мА,  R=18 Ом 33 мГн Iмакс=50 мА,  R=60 Ом 100 мГн Iмакс=50 мА,  R=180 Ом	1 1 2 1 2 2   1     1 1 1 1   1 1 1 1 1   1 1 1

 

Продолжение таблицы 1.1

 

Наименование и характеристики	Кол.	Наименование и характеристики	Кол.
Потенциометры СП4-2М 1 Вт: 1 кОм 10 кОм Лампа сигнальная СМН-10-55 10 В, 55 мА Диоды выпрямит. КД226 (1N5408) 100 В, 1,7 А Диод импульсный КД522Б 100 мА, 50 В Диод Шотки 1N5819 1А 40 В, Uпр < 0,6В Стабилитрон КС456 5,6 В, Iмин/макс =3…139 мА, Светодиод АЛ307Б(красный) 2 В, 20 мА Варикап 1SV149B (2 шт) 435…540 пФ, Uмакс обр=15 В, Iобр=50 нА Динистор КН102А Iпр.=2 А, Uпр.=1,5 В, Uзакр.=5 В Тиристор ВТ149 Iпр.=0,8 А, Uпр.=1,2 В, Uзакр.=400 В, Iупр.откр.<200 мкА, Uупр.откр.<0,8 В Симистор МАС97А6 Iоткр.=0,6 А, Uоткр.=1,4 В, Uзакр.=400 В, Iупр.откр.<7мА, Uупр.откр.<2 В	1 1   1   6   1   1   1   1     1   1     1     1	Транзисторы биполярные: КТ502Г pnp, b=80…240, Uкб=60 В, Uбэ=5 В, Iк=150 мА КТ503Г npn, b=80…240, Uкб=60 В, Uбэ=5 В, Iк=150 мА Транзисторы полевые с pn переходом: КП103Е канал типа р, S=2,8 мА/В, Uси=10 В, Uзс=17 В, Uзи=10 В КП303Е канал типа n, S>4 мА/В, Uси=25 В, Uзс=30 В, Uзи=30 В, Iс=20 мА Транзисторы полевые с изолированным затвором: IFRD024 с индуцированным каналом типа р, Uси=60 В, Uзи=±20 В, Iс=2,5 А, Rоткр=0,1 Ом IFRD9024 с индуцированным каналом типа n, Uси=-60 В, Uзи=±20 В, Iс=1,6 А, Rоткр=0,28 Ом Линейный стабилизатор напряжения L7805CV 5 В (±4%), 1,5 А, Uвх.макс=35 В	2   2       1   1         1     1     1

 

1. Миниблок «ОЭП13» содержит резистивную оптопару ОЭП13 и токоограничивющий резистор 1 кОм, включённый последовательно со светоизлучающим прибором – лампой накаливания. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений. Выходное темновое сопротивление фоторезистора не менее 1,5×10⁸ Ом, световое при I_вх=16 мА – не более 3×10³ Ом.

Предельные эксплуатационные данные: входной средний ток оптопары 20 мА, выходной ток – 2 мА, напряжение изоляции – 100 В, выходная мощность рассеяния – 25 мВт.

2. Миниблок «3ОД101Б» содержит диодную оптопару  3ОД101Б, токоограничивющий резистор 1,5 кОм, включённый последовательно со светодиодом и диод КД522, шунтирующий светодиод в обратном направлении. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений и не опасаться пробоя светодиода при подаче на него обратного напряжения. Коэффициент передачи по току при I_вх=10 мА составляет 1,5%.

Предельные эксплуатационные данные: входной постоянный ток оптопары 20 мА, входное обратное напряжение 3,5 В, выходное обратное напряжение 100 В, выходной ток – 2 мА.

3. Миниблок «АОТ110А» содержит транзисторную оптопару  АОТ110А, токоограничивющий резистор 1,5 кОм, включённый последовательно со светодиодом и диод КД522, шунтирующий светодиод в обратном направлении. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений и не опасаться пробоя светодиода при подаче на него обратного напряжения. Кроме того, эмиттерный переход зашунтирован сопротивлением 100 кОм.

Предельные эксплуатационные данные: входной постоянный ток оптопары 30 мА, входное обратное напряжение 0,7 В, коммутируемое напряжение 100 В, выходной ток – 200 мА, напряжение изоляции – 100 В, выходная мощность рассеяния – 360 мВт.

 

 

Рис. 1.3

 

4. Миниблок «МОС3010» содержит симисторную оптопару  МОС3010, токоограничивющий резистор 1,5 кОм, включённый последовательно со светодиодом и диод КД522, шунтирующий светодиод в обратном направлении. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений и не опасаться пробоя светодиода при подаче на него обратного напряжения. Остаточное напряжение симистора в открытом состоянии – не более 1,8 В, открывающий входной ток – не более 15 мА.

Предельные эксплуатационные данные: входной постоянный ток оптопары 60 мА, выходной – 100 мА, входное обратное напряжение 3 В, коммутируемое напряжение 250 В, напряжение изоляции – 5300 В, выходная мощность рассеяния – 300 мВт.

5. Миниблок «Измерительный преобразователь» (ИП) служит для измерения высокочастотных сигналов, например, при снятии частотных характеристик электрических цепей. Необходимость в этом миниблоке обусловлена тем, что диапазон частот мультиметров, входящих в комплект стенда, составляет от 40 до 400 Гц. В миниблоке смонтирован выпрямитель на быстродействующем операционном усилителе LF357N. На вход миниблока подаётся синусоидальное измеряемое напряжение, а к выходу подключается мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения. Коэффициент передачи выпрямителя подобран так, что величина постоянного выходного напряжения равна действующему значению переменного входного напряжения. При увеличении частоты погрешность измерения возрастает и на частоте 100кГц может достигать 5…10%.

6. Миниблок «Трансформатор». Трансформатор выполнен на разъёмном U-образном сердечнике из электротехнической стали с толщиной листа 0,08 мм. Сечение сердечника 16´12 мм. На сердечнике установлены катушки 900 и 300 витков. Номинальные параметры трансформатора при частоте 50 Гц приведены в табл. 1.2. Если между половинками сердечника вставить полоски бумаги (немагнитный зазор), то устройство можно использовать в качестве дросселя.

Таблица 1.2

W	UH, B	IH, мА	R, Ом	SH, ВА
300	7	200	4,8	1,4
900	21	66,7	37	1,4

 

7. Миниблок «140УД608» содержит операционный усилитель КР140УД608 или импортный аналог ОР-07С, подстроечный резистор для балансировки и два диода, защищающие микросхему от подачи обратного напряжения питания.

Основные характеристики: напряжение питания ±15 В, потребляемый ток <5 мА, входной ток <7 нА, напряжение смещения <150 мкВ, коэффициент усиления >27000, частота единичного усиления >0,3 МГц.

8. Миниблок «LM393» содержит сдвоенный компаратор LM393 и диоды, защищающие микросхему от подачи обратного напряжения питания. Ввиду большого количества выводов микросхемы, часть их подсоединена к штырям, которыми миниблок вставляетя в наборную панель, а другая часть – к гнёздам на крышке миниблока. Выходной каскад компаратора представляет собой транзистор с открытым коллектором.

Основные характеристики: напряжение питания от +2 до +36 В или от ±1 В до ±18 В, входное напряжение от -0,3 до +36 В, потребляемый ток <1 мА(при U_пит = 15 В), входной ток <250 нА, выходной ток – до 20 мА, напряжение смещения <5 мВ, низкий уровень выходного напряжения -400 мВ, коэффициент усиления >50000.

9. Миниблок «NE555» содержит таймер NE555 и конденсатор, подключённый между выводом 5 (опорное напряжение) и общей точкой для сглаживания помех, приходящих по цепи питания.

Основные характеристики: напряжение питания от +4,5 до +18 В, потребляемый ток <15 мА (при U_пит = 15 В), входной ток <500нА, выходной ток –до 200 мА, максимальная частота импульсов 0,5 МГц.

10. Миниблок «XR-8038» содержит функциональный генератор XR-8038А, два диода, защищающие микросхему от подачи обратного напряжения питания и резистор 10 кОм, включённый в цепь открытого коллектора выходного транзистора микросхемы для формирования прямоугольных импульсов на выходе.

Возможности микросхемы описаны в разделе 3.15, а здесь приводятся лишь некоторые технические характеристики.

Общие характеристики: напряжение питания от 10 до 30 В или от ±5 до ±15 В, потребляемый ток 12…20 мА.

Частотные характеристики: Диапазон генерируемых частот от 0,001 Гц до 200 кГц, максимальная частота модуляции 100 кГц, диапазон модуляции 1000:1, линейность в диапазоне модуляции 10:1 составляет 0,2%.

Выходные характеристики: двойная амплитуда выходного напряжения прямоугольной формы (0,9…0,98)U_пит, треугольной формы (0,3…0,33)U_пит, синусоидальной формы (0,2…0,22)U_пит, нелинейные искажения без коррекции формы 0,8…3%, выходное сопротивление 200 Ом.

11. Миниблок «Усилительный каскад с общим эмиттером» (УКОЭ) служит для исследования однокаскадных и двухкаскадных транзисторных усилителей. Его схема изображена на рис. 1.4. Конденсатор С1 является разделительным, а конденсатор С2 служит для уменьшения верхней границы полосы пропускания.

Рис. 1.4

12. Миниблок «Фазовое управление тиристора» (ФУТ) содержит маломощный  тиристор ВТ149 и генератор импульсов (рис. 1.5). Генератор импульсов выполнен на однопереходном транзисторе VT1. При подаче полуволны напряжения на анод запертого тиристора конденсатор C1 заряжается через сопротивления R₁, и R₃. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения 0,7…0,8 от напряжения стабилизации стабилитрона (т.е. на верхнем выводе базы КТ317Г), транзистор открывается и конденсатор разряжается по цепи эмиттер – база – управляющий электрод – катод тиристора. Тиристор отпирается, создает цепь для протекания тока через нагрузку и одновременно шунтирует генератор импульсов. Скорость заряда конденсатора и, следовательно, задержка подачи отпирающего импульса по отношению к моменту подачи положительного напряжения на анод тиристора регулируется потенциометром R₃. Вывод Х2 служит только для наблюдения импульсов управления с помощью осциллографа.

 

 

Рис.1.5

 

9. Миниблок «ADP1111» содержит импульсный стабилизатор напряжения ADP1111 с встроенным ключевым транзистором, шунтирующий диод Шотки для защиты микросхемы от подачи входного напряжения обратной полярности, электролитический конденсатор 10 мкФ, сглаживающий входное напряжение и резистор 100…200 Ом, включённый между выводами 1 и 2 микросхемы для ограничения амплитуды импульсов выходного тока.

Основные характеристики микросхемы: напряжение питания от 2 до 5 В в обратноходовой схеме преобразования (с повышением напряжения) и не более 30 В в прямоходовой схеме (с понижением напряжения), выходное напряжение 4,75…5,25 В, максимальный ток ключа 1,5 А, максимальная рассеиваемая мощность 500 мВт, частота преобразования 54…88 кГц, скважность 43…65%.

 

Блок мультиметров (код 509.2)

 

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.4. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.

Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:

Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы

Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключатель пределов измерения на наибольшую величину.

Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от проверяемой цепи.

Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.

Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.

Присоединение мультиметра как вольтметра, амперметра и омметра показано на рис. 1.7.

 

Рис. 1.7

 

До подключения мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции: выбрать род измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или W; выбать диапазон измерений соответственно ожидаемому результату измерений; правильно подсоединить зажимы мультиметра к исследуемой цепи.

1.2.          Экспериментальная часть

Задание

 

Проверить работоспособность блока генераторов напряжений и измерительных приборов.

Порядок выполнения эксперимента

·         Соберите цепь согласно схеме рис.1.8, включив в нее для начала резистор R = 100Ом. Подайте на вход питание от нерегулируемого источника постоянного напряжения +15 В, отрегулируйте осциллограф и убедитесь, что пульсации напряжения незначительны или отсутствуют, что напряжение равно 15±0,5 В, а ток примерно равен 150 мА.

·         Переключите мультиметр для измерения тока 2 А, замените резистор 100 Ом на 47  или 33 Ом, убедитесь, что появляются пульсации напряжения на выходе и через некоторое время срабатывает защита и включается сигнализация перегрузки.

 

 

Рис. 1.8

 

·         Повторите этот опыт с другим нерегулируемым источником напряжения -15 В и с регулируемым источником при максимальном напряжении на его выходе. Проверьте, как работает регулятор напряжения источника

·         Установите в схему резистор 47 Ом, переключите мультиметры для измерения синусоидальных сигналов и подключите к схеме генератор напряжений специальной формы.

·         Установите синусоидальный сигнал на выходе и убедитсь, что частота и амплитуда напряжения регулируются (по осциллографу). На частоте 1000 Гц (или какой нибудь другой) убедитесь, что переключается форма сигнала. Внимание! Мультиметры не предназначены для измерения несинусоидальных токов и напряжений!

·         Замените резистор 47 Ом на 22 Ом и убедитесь, что срабатывает защита и сигнализация перегрузки.

·         Снова включите в схему резистор 100 Ом, и, подключая  к ней напряжения U_AO, U_BO, U_CO, U_AB, U_BC и U_CA трёхфазного источника, убедитесь что фазные напряжения регулируются в пределах от 0 до 8 В, а линейные в √3 раз больше. Замените резистор 100 Ом на 22 Ом и проверьте работу защиты каждой фазы.

 

 

2.          Полупроводниковые приборы

2.1.          Исследование характеристик полупроводниковых диодов на постоянном и переменном токах

Общие сведения

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n - и  p -проводящий слои (рис. 2.1.1). В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в p-проводящем слое - дырки. В результате диффузии электронов из n-области в р-область и, наоборот, дырок из р-области в n-область на границе создаётся потенциальный барьер (рис. 2.1.1 а и б).

При прямом приложенном напряжении («+» к слою p, « - » к слою n) потенциальный барьер уменьшается, и диод начинает проводить ток (диод открыт). При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается (диод заперт).

Вольт-амперная характеристика диода имеет вид, изображённый на рис. 2.1.1в.

 

 

Рис. 2.1.1

 

Прямой ток через р-n переход определяется носителями заряда, неосновными для того слоя, куда они проникают. В процессе движения они сталкиваются с основными носителями данного слоя и рекомбинируют. С увеличением прямого тока падение напряжения на диоде несколько возрастает. При рекомбинации может выделятся энергия в виде излучения. Это явление используется в светодиодах.

В обратном направлении через диод протекает только небольшой ток утечки, обусловленный неосновными носителями. С увеличением обратного напряжения выше предельно допустимого для данного типа диода наступает пробой р-n перехода. В диодах различных типов он протекает по разному: в обычных выпрямительных диодах – это необратимое разрушение р-n перехода в результате его перегрева, в лавинных – происходит лавинное размножение неосновных носителей, что приводит к резкому уменьшению обратного напряжения на нём и уменьшению нагрева, в стабилитронах – при увеличении обратного тока имеется достаточно протяжённый участок вольт-амперной характеристики, на котором напряжение мало зависит от тока (зенеровский пробой).

Основные статические параметры диодов, такие как пороговое напряжение U₀, прямое падение напряжение U_пр, дифференциальное сопротивление R_д, обратный ток I_обр, напряжение стабилизации стабилитрона U_ст, можно определить по вольтамперной характеристике, снятой на постоянном или медленно изменяющемся токе.

Переключение диода из закрытого состояния в открытое происходит не мгновенно. Это можно наблюдать на экране осциллографа, если приложить к диоду напряжение прямоугольной формы высокой частоты (рис. 2.1.2).

Рис. 2.1.2

 

При переходе из закрытого в открытое состояние необходимо время t_вкл, необходимое для рассасывания избыточных зарядов потенциального барьера и достижения диффузионного равновесия.

При переходе из открытого состояния в закрытое необходимо время t₁, за которое рассасываются избыточные носители и время t₂, за которое вновь устанавливается потенциальный барьер. Общее время выключения t_выкл = t₁ + t₂. На этапе t₁ через диод протекает большой обратный ток, а напряжение на нём убывает, сохраняя прямое направление. На этапе t₂  ток обратный ток убывает до нормального значения. Реальная картина, наблюдаемая на экране осциллографа, может несколько отличаться от описанной из-за влияния входной ёмкости осциллографа и монтажа.

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять вольтамперные характеристики выпрямительного диода (типа КД226, 1N5408), импульсного диода (типа КД521, КД522, 1N4148), диода Шотки (типа 1N5819), По характеристикам определить основные параметры и сравнить их. На экране осциллографа пронаблюдать процессы включения и выключения диода, определить время включения и выключения.

Порядок выполнения эксперимента

 

·         Соберите цепь (рис.2.1.3.а) для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики диодов. Монтажная схема изображена на рис. 2.1.4. Обратите внимание, что вольтметр этой схеме подключён к точке «В»  (после амперметра.) и на его показания не влияет падение напряжения на амперметре, которое соизмеримо с прямым падением напряжения на диоде. В то же время ток через вольтметр несоизмеримо мал с прямым током диода и не вносит заметной погрешности в показания амперметра.

Рис. 2.1.3

 

 

Рис.2.1.4

 

·         Устанавливая токи, указанные в табл.2.1.1 снимите прямую ветвь вольтамперной характеристики сначала выпрямительного диода затем – импульсного и, наконец, диода Шотки. На рис. 2.1.5 постройте графики.

·         Измените схему для снятия обратной ветви вольтамперных характеристик переключив вольтметр в точку А (до амперметра) и перевернув диод. В этой схеме через амперметр не протекает ток вольтметра, который теперь соизмерим и даже больше обратного тока через диод. В то же время падение напряжения на амперметре ничтожно мало по сравнению с обратным напряжением на диоде.

·         Устанавливая напряжения, указанные в табл. 2.1.2, снимите обратную ветвь вольтамперной характеристики диода Шотки. Убедитесь, что обратный ток выпрямительного и импульсного диодов настолько мал, что его невозможно измерить приборами, имеющимися в стенде. На рис. 2.1.5 постройте графики.

 

Таблица 2.1.1 (прямая ветвь)

I, мА		2	5	10	20	30	40	5	10	20	40
U, B	КД226
	КД521
	1N5819

 

 

Таблица 2.1.2 (обратная ветвь)

U, B		2	5	10	15	20	25	30
I, мА	КД226
	КД521
	1N5819

 

 

Рис. 2.1.5

·         Для исследования характеристик диодов на переменном токе соберите на наборном поле цепь согласно принципиальной схеме рис. 2.1.6. Измерительные приборы в схему не включайте, так как они могут создать дополнительные паразитные ёмкости. Не забудьте включить инвертирование сигнала по каналу II, чтобы отклонение луча вверх соответствовало прямому току через диод.

 

Рис. 2.1.6

 

·         Для начала включите в цепь выпрямительный диод, подайте на вход синусоидальное напряжение частотой 1 кГц, установите ручку регулятор амплитуды примерно в среднее положение (4…6 В) и отрегулируйте развертку, синхронизацию и усиление по двум каналам осциллографа так чтобы на экране помещались 1,5…2 периода кривых тока и напряжения.

·         Переключая множитель частоты ×1, ×10, ×100, и регулируя каждый раз длительность развёртки осциллографа, пронаблюдайте за изменением кривой тока. Объясните результаты (имейте в виду, что в положении множителя ×100 выходное напряжение генератора снижается примерно в 2 раза).

·         Переключите осциллограф в режим X-Y. При этом на экране появится изображение динамической вольтамперной характеристики диода: прямой ток по оси Y вверх, прямое падение напряжения – по оси Х вправо.

·         Снова попереключайте множитель частоты, наблюдая за изменением динамической вольтамперной характеристики. Объясните, почему при низкой частоте динамическая вольтамперная характеристика совпадает со статической, а при высокой – не совпадает.

·         Попробуйте повторить эти опыты с импульсным диодом и с диодом Шотки. Объясните отличия.

·         Снова включите в цепь выпрямительный диод, переключите осциллограф в режим развёртки и установите на входе прямоугольное двухполярное напряжение частотой примерно 40…50 кГц и небольшой амплитуды (2…3 В), чтобы меньше искажалось выходное напряжение генератора.

·         Настройте изображение, перерисуйте осциллограмму в отчёт (рис. 2.1.7), не забыв указать масштабы по осям (масштаб по оси тока вычисляется как масштаб напряжения , по каналу II, делённый на сопротивление, с которого снимается сигнал.).

·         Определите по осциллограмме время включения  t_вкл и время выключения: t_вкл.

 

Рис.2.1.7

 

Из осциллограммы:

время включения         t_вкл = ……..мкс;

время выключения:      t_вкл = ……..мкс.

 

Контрольные вопросы

1. Почему у диода Шотки пороговое напряжение меньше, чем у выпрямительного диода и импульсного диода, а обратный ток больше?

2. Какой из испытанных диодов имеет наименьшее быстродействие и почему?

3. Чем отличается вольтамперная характеристика диода, снятая при высокой частоте от статической характеристики?

 

 

2.2.          Определение основных характеристик стабилитрона и исследование параметрического стабилизатора напряжения

Общие сведения

Стабилитрон представляет собой кремниевый диод, характеристика которого в открытом состоянии такая же, как у выпрямительного диода. Отличие стабилитрона заключается в относительно низком напряжении пробоя при обратном напряжении. Когда это напряжение превышено, ток обратного направления возрастает (пробой Зенера). В выпрямительных диодах такой режим является аварийным, а стабилитроны нормально работают при обратном токе, не превышающем максимально допустимого значения.

Наличие почти горизонтального участка на вольтамперной характеристике стабилитрона делает его пригодным для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке. Для этого нагрузку включают параллельно стабилитрону. Чтобы избежать перегрузки, последовательно со стабилитроном  включают балластный резистор. Величина его вычисляется следующим образом:

 

R_БАЛ = (U_РАБ - U_СТ) ¤ (I_СТ + I_НАГР),

 

где      U_РАБ - приложенное рабочее напряжение,

U_СТ - напряжение стабилизации стабилитрона испытываемого типа,

I_СТ - допустимый ток стабилизации,

I_Н - ток в резисторе нагрузки R_Н, включенном параллельно стабилитрону.

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику и определить напряжение стабилизации U_СТ стабилитрона. Исследовать зависимость выходного напряжения и тока стабилитрона от входного напряжения в цепи параметрического стабилизатора напряжения.

 

Порядок выполнения эксперимента

 

• Соберите цепь согласно  принципиальной схеме (рис. 2.2.1) или монтажной (рис. 2.2.2). Подайте на вход синусоидальное напряжение от генератора напряжения специальной формы частотой 0,5…1 кГц максимальной амплитуды.
• Включите и настройте осциллограф в режиме X-Y. Включите инвертирование вертикального входа.

Рис. 2.2.1

 

Рис. 2.2.2

 

• Перенесите изображение с экрана осциллографа на график (рис.2.2.3).
• Определите по осциллограмме напряжение стабилизации, напряжение на стабилитроне при прямом токе, дифференциальное сопротивление в середине диапазона стабилизации.
• Увеличьте частоту в 10 раз и посмотрите, как изменится вольтамперная характеристика. Объясните почему.

 

Рис.2.2.3

 

·         Соберите цепь параметрического стабилизатора согласно принципиальной схеме (рис. 2.2.3) сначала не включая в неё сопротивление нагрузки.

·         Включите генератор напряжений и, изменяя постоянное напряжение на входе стабилизатора от 0 до максимального значения 13…14 В, снимите зависимость выходного напряжения от входного на холостом ходу. Результаты записывайте в табл. 2.2.1.

Рис. 2.2.3

 

Таблица 2.2.1

UВХ, В	0	2	4	6	8	10	12
UВЫХ, В

 

·         Установите максимальное напряжение на входе и, включая различные сопротивление нагрузки, согласно табл. 2.2.2, снимите зависимость выходного напряжения стабилизатора от тока нагрузки.

Таблица 19.2

 

·         На рис. 2.2.4а и б постройте графики U_ВЫХ (U_ВХ) и U_ВЫХ (I_Н).

Рис. 2.2.4

·         На графиках укажите минимально допустимое входное напряжение, максимально допустимый ток нагрузки и определите коэффициенты стабилизации по напряжению и по току, приняв U_{ВХ НОМ} = 8 В и I_Н.НОМ = 80 мА.

 

 = ……………………………………

………………………………………

 

Контрольные вопросы

1. Как изменяется вольтамперная характеристика стабилитрона при увеличении частоты и почему?

2. Напряжение питания параметрического стабилизатора напряжения 10 В, напряжение стабилизации стабилитрона 5,6 В, ток стабилизации - от 3 до 160 мА, сопротивление нагрузки – 100 Ом. Определите величину балластного сопротивления, так, чтобы в нормальном режиме ток через стабилитрон был равен 80 мА.

 

 

 

 

2.3.          Экспериментальное снятие вольтамперной характеристики светодиода

Общие сведения

 

В случаях, когда полупроводниковые диоды выполнены из таких материалов как арсенид галлия или фосфид галлия, часть подводимой к ним электрической энергии преобразуется не в тепло, как в других полупроводниках, а в световые потоки с намного более короткой длиной волны. Цвет излучения определяется выбором соответствующего материала и присадками. Цвет может быть инфракрасным, красным, желтым, оранжевым, зеленым или голубым.

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять вольтамперную характеристику светодиода посредством осциллографа. Изучить влияние напряжения U_СД и тока I_СД светодиода на световую эмиссию.

Порядок выполнения эксперимента

 

• Соберите цепь согласно схеме (рис.2.3.1). Включите осциллограф в режиме X – Y, на горизонтальный вход (Х) подайте напряжение со светодиода, а на вертикальный (Y) – напряжение с сопротивления, пропорциональное току. Включите инвертирование канала Y, чтобы прямому напряжению на светодиоде соответствовало отклонение луча осциллографа вверх. Обычный диод шунтирует светодиод в обратном направлении для предотвращения его пробоя.

 

Рис. 2.3.1

 

• Перерисуйте осциллограмму на график (рис. 2.3.2). По осциллограмме определите прямое напряжение на светодиоде.
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 2.3.3) и изменяйте входное напряжение последовательными шагами, как указано в табл. 2.3.1. Измерьте прямое напряжение U_СД и ток I_СД светодиода с помощью мультиметра и оцените визуально светоизлучение (отсутствует, слабое, среднее, сильное). Занесите данные в таблицу.

·         На рис.2.3.2 постройте график вольтамперной характеристики светодиода, снятую на постоянном токе (в том же масштабе, что и осциллограмма).

 

Из осциллограммы:    UСД = ……………..В.

 

Рис. 2.3.2

 

 

Рис. 2.3.3

 

Таблица 2.3.1

 

UВХ, В	UСД, В	IСД, мА	светоизлучение
2
4
6
8
10
12
14
15

 

Контрольные вопросы

1. Определите с помощью снятой вольтамперной характеристики, какое сопротивление необходимо включить последовательно со светодиодом, чтобы ток в нём составил 12 мА при напряжении питания 5 В.

 

 

2.4.          Исследование диода с переменной ёмкостью (варикапа)

Общие сведения

p-n переход запертого кремниевого диода подобен диэлектрику конденсатора. Приложенное обратное напряжение влияет на толщину p-n перехода и, соответственно, на емкость запорного слоя. Для измерения этой ёмкости в данной работе используется резонансный метод в параллельном резонансном контуре (рис..2.4.3). В работе нужно учесть также собственную ёмкость катушки индуктивности, которая соизмерима с ёмкостью варикапа. Она определяется по собственной резонансной частоте катушки индуктивности и, затем, вычитается из общей резонансной ёмкости.

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику варикапа. В параллельном резонансном контуре изучить зависимость резонансной частоты от обратного напряжения варикапа и влияние этого напряжения на емкость обедненного (запирающего) слоя.

Порядок выполнения эксперимента

 

·         Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис.2.4.1). На горизонтальный вход (Х) подайте напряжение с варикапа, а на вертикальный (Y) – напряжение с сопротивления, пропорциональное току. Включите инвертирование канала Y, чтобы положительному току  соответствовало отклонения луча осциллографа вверх.

 

~ U = 7…9 B f = 50 Гц

Рис. 2.4.1

 

• Перерисуйте осциллограмму на график (рис. 2.4.2).
• Соберите цепь параллельного резонансного контура согласно принципиальной схеме  (рис. 2.4.3) или монтажной (рис. 2.4.4). Конденсатор C = 0,22 мкФ служит для исключения пути протекания постоянного тока через катушку и ввиду большой емкости не влияет на параметры резонансного контура.


• Установите частоту напряжения генератора синусоидальной формы между 10 и 20 кГц и максимальную амплитуду. Включите и настройте осциллограф, который служит в данном опыте для измерения напряжения высокой частоты.
•  

 

 

Рис. 2.4.2

 

Рис.2.4.3

 

·         Изменяйте обратное постоянное напряжение варикапа согласно табл. 2.4.1. и находите значения резонансной частоты f_РЕЗ для каждого значения обратного напряжения, увеличивая или уменьшая частоту подаваемого напряжения. Резонансная частота определяется по максимальной амплитуде  напряжения между концами параллельной цепочки. Если синусоида сильно искажена, то уменьшите её амплитуду. Занесите результаты измерений в табл. 2.4.1.

Рис. 2.4.4

Таблица 2.4.1

 

UОБР, В	fРЕЗ, кГц	L, мГн	С, пФ	СВАР, пФ
2		100
5		100
10		100
15		100
20		100
25		100
30		100

 

·         На рис. 2.4.5 постройте график изменения резонансной частоты от обратного напряжения варикапа.

 

 

Рис.2.4.5

 

• Вычислите общую ёмкость резонансной цепи по измеренным резонансным частотам и индуктивности по формуле:

где      С - общая емкость цепи в пФ,

L- индуктивность катушки в Гн,

f_РЕЗ - резонансная частота в Гц.

 

• Определите собственную ёмкость катушки. Для этого уберите из цепи диод и конденсатор и снова подберите и измерьте резонансную частоту. Собственную ёмкость катушки определите по такой же формуле:

 

 

·         Определите ёмкость варикапа, как разность общей ёмкости при каждом значении обратного напряжения и неизменной собственной ёмкости катушки:

 

С_ВАР = С – С_КАТ.

• Занесите значения емкости варикапа в табл. 2.4.1. Затем постройте зависимость его емкости С_ВАР от обратного напряжения U_ОБР на графике (рис. 2.4.6).

 

Рис. 2.4.6

 

Контрольные вопросы

1. Какова величина порогового напряжения варикапа?

2. Как ведет себя емкость запорного слоя при увеличении обратного напряжения и почему?

 

2.5.          Испытание pn-переходов биполярного транзистора и снятие его выходных характеристик с помощью осциллографа

Общие сведения

Транзистор (рис. 2.5.1) представляет собой полупроводниковый триод, у которого тонкий  р-проводящий слой помещен между двумя n-проводящими слоями (n-p-n транзистор) или n-проводящий слой помещен между двумя р-проводящими слоями (p-n-p транзистор).

p-n переходы между средним слоем (база) и двумя крайними слоями (эмиттер и коллектор) обладают выпрямительным свойством, которое можно исследовать как в случае любого выпрямительного диода.

Рис. 2.5.1

 

В транзисторе p-n-p типа (рис. 5.2.1а) ток от эмиттера к коллектору через базу обусловлен неосновными для базы носителями заряда – дырками. При положительном направлении напряжения U_ЭБ эмиттерный p-n переход открывается, и дырки из эмиттера проникают (инжектируются) в область базы. Часть из них уходит к источнику напряжения U_ЭБ, а другая часть достигает коллектора. Возникает так называемый транзитный тока от эмиттера к коллектору. Он резко возрастает с увеличением U_ЭБ и тока базы.

В транзисторе n-p-n типа (рис. 5.2.1б) транзитный ток через базу обусловлен также неосновными для нее носителями заряда – электронами. Они инжектируются из эмиттера, если к эмиттерному p-n переходу прикладывается напряжение U_БЭ.

Токи эмиттера, коллектора и базы связаны между собой уравнением первого закона Кирхгофа:

I_К = I_Э – I_Б.

Ток базы существенно меньше I_К и I_Э, но от него сильно зависит как I_К, так и I_Э. Отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы называется коэффициентом усиления по току:

b = DI_К  ¤ DI_Б.

 

Он может иметь значения от нескольких десятков до нескольких сотен. Поэтому с помощью сравнительно малого тока базы можно регулировать относительно большие токи коллектора (и эмиттера).

Экспериментальная часть

Задание

 

Протестировать p-n переходы p-n-p и n-p-n транзисторов мультиметром в режиме тестирования диодов. Исследовать влияние тока базы на вольтамперную характеристику I_К(U_КЭ) p-n-p транзистора с помощью осциллографа.

Порядок выполнения эксперимента

 

·         Переключите мультиметр в режим тестирования диодов и измерьте падение напряжения на p-n переходах транзисторов по приведённым в табл. 2.5.1 схемам.
Примечание: в режиме тестирования диодов мультиметр измеряет падение напряжения на открытом p-n переходе при определённом токе (примерно 1 мА), создаваемом самим прибором. В обратном направлении он показывает обрыв цепи (1 в старшем разряде).

Таблица 2.5.1

Схемы изме- рений
DU, мВ

 

• Соберите цепь согласно схеме (рис. 2.5.2). В этой цепи между эмиттером и коллектором действуют полуволны синусоидального напряжения, а между базой и эмиттером - регулируемое постоянное напряжение. Диод VD1 включён для защиты эмиттерного перехода  транзистора от пробоя при «неправильной» полярности источника постоянного напряжения, а диод VD2 – для исключения обратного напряжения между эмиттером и коллектором.

 

Рис. 2.5.2

• Включите осциллограф, настройте усиление и установите режим XY. Включите инвертирование канала Y для правильного отображения полярности сигнала.
• Регулируя тока базы от 0 до максимального значения и наоборот, пронаблюдайте за изменением кривой I_К(U_KЭ) на осциллографе. При нескольких значениях тока базы (включая нулевое и максимальное) перерисуйте кривую I_К(U_KЭ) с осциллографа на рис. 2.5.3. Не забудьте указать масштабы по осям и токи базы для каждой кривой.
• На семействе кривых I_К(U_KЭ) выберите какое-либо постоянное напряжение U_KЭ (например, 5 В) и на рис. 2.5.4 постройте зависимость I_К(I_Б) для этого значения напряжения U_KЭ. Рассчитайте и на этом же рисунке постройте график
  b(I_Б) = DI_К¤DI_Б. Нанесите шкалы по осям.

 

Рис. 2.5.3

 

Рис. 5.2.3.

Контрольные вопросы

1.      В каких направлениях проводит ток p-n-p транзистор и в каких n-p-n транзистор?

2.      Почему с увеличением U_КЭ ток I_К вначале быстро растёт, а затем увеличивается медленно?

3.      Как зависит коэффициент усиления b от тока базы?

 

2.6.          Снятие статических характеристик транзистора на постоянном токе

Общие сведения

Свойства транзисторов описываются следующими четырьмя семействами характеристик.

Входная характеристика показывает зависимость тока базы I_Б от напряжения в цепи база/эмиттер U_БЭ (при U_КЭ = const).

Выходная характеристика показывает зависимость тока коллектора I_К от напряжения цепи коллектор/эмиттер U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы.

Характеристика управления представляет собой зависимость тока коллектора I_К от тока базы I_Б (при U_КЭ = const).

Характеристика обратной связи есть зависимость напряжения цепи база ¤ эмиттер U_БЭ, от напряжения цепи коллектор/эмиттер U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы.

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять экспериментально и построить графики четырех семейств характеристик биполярного транзистора n-p-n типа.

 

Порядок выполнения экспериментов

 

• Соберите цепь согласно схеме (рис. 2.6.1, 2.6.2). Потенциометр 1 кОм используется для регулирования тока базы, резисторы 100 и 47 кОм – для ограничения максимального тока базы. Регулирование напряжения U_КЭ осуществляется регулятором источника постоянного напряжения. Для предотвращения подачи обратного напряжения на транзистор в цепь коллектора включён диод. Переход эмиттер база также защищён шунтирующим диодом. Измерение тока базы I_Б и напряжения U_БЭ производятся мультиметрами на пределах 200 μА и 2 В соответственно, Пределы измерения тока коллектора I_К и напряжения U_КЭ изменяются в ходе работы по мере необходимости. При сборке схемы предусмотрите перемычки для переключения амперметра из одной ветви в другую.
• Установите первое значение тока базы 20 μА, переключите миллиамперметр в цепь коллектора и, изменяя напряжение U_КЭ согласно значениям, указанным в табл. 2.6.1, снимите зависимости I_К(U_КЭ) и U_БЭ(U_КЭ). Повторите эти измерения при каждом значении I_Б, указанном в таблице.

Примечание: характеристики транзистора изменяются в ходе работы из-за его нагрева. Поэтому для большей определенности рекомендуется установить нужные значения I_БЭ и U_КЭ, выключить на 30 с блок генераторов напряжений, затем включить его и быстро записать показания приборов V1 и A2.

 

 

Рис. 2.6.1

 

 

Рис. 2.6.2

 

Таблица 2.6.1

 

UКЭ, В	IБ = 20 μА		IБ = 40 μА		IБ = 60 μА		IБ = 80 μА
	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В
0
0,5
1
2
5
10
15

 

• На рис. 2.6.3 постройте графики семейства выходных характеристик I_К(U_КЭ) и семейство характеристик обратной связи  U_БЭ(U_КЭ), не забыв указать какому току базы соответствует каждая кривая.
• Установите U_КЭ = 0 и изменяя ток базы в соответствии со значениями, указанными в табл. 5.3.2, снимите зависимость U_БЭ(I_Б), Увеличьте напряжение U_КЭ до 5 В и снова снимите зависимость U_БЭ(I_Б), а также и I_К(I_Б). Повторите этот опыт также при U_КЭ = 15 В. (При проведении этих измерений также учитывайте примечание к предыдущему опыту).
• На рис. 5.3.3 постройте графики входных I_Б(U_БЭ) и регулировочных I_К(I_Б) характеристик, указав для каждой кривой соответствующие значения U_КЭ.

 

Таблица 2.6.2

 

IБ, μА	UКЭ = 0 В		UКЭ = 5 В		UКЭ = 15 В
	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА	UБЭ, В	IК, мА
0
5
10
20
50
80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.3.3

 

Контрольные вопросы

1. Что такое область отсечки, область активного усиления и область насыщения на семействе выходных характеристик транзистора?
2. Какое явление в транзисторе отражает характеристика обратной связи?
3. Как можно построить характеристику управления по семейству выходных характеристик?

 

2.7.          Выбор рабочей точки биполярного транзистора и ознакомление с режимами усиления переменного напряжения классов A, B, AB и D

Общие сведения

На рис. 2.7.1 изображены простейшая схема транзисторного усилителя с общим эмиттером и поясняющая диаграмма. Резистор R_К является сопротивлением нагрузки, на резисторах R₁ и R₂ выполнен делитель напряжения, создающий постоянный ток в цепи база – эмиттер. Он поддерживает транзистор в открытом состоянии при отсутствии входного сигнала, благодаря чему через сопротивление R_К протекает постоянный ток. При этом напряжение на транзисторе U_КЭ(I_К) = U_ПИТ – R_КI_К. Точки пересечения этой прямой с вольтамперными характеристиками I_К(U_КЭ) позволяют определить напряжение и ток в транзисторе при любом токе базы. В зависимости от начального положения точки покоя (при отсутствии входного сигнала) различают несколько классов усиления.

В класса А точка покоя выбирается в примерно в середине активной зоны от I_{К МАКС}  до I_{К ММИН}, в которой характеристики транзистора близки к линейным (точка А на поясняюще диаграмме). В этом случае при подаче на базу переменного сигнала (например, синусоидального) в токе базы появляется переменная составляющая, что вызывает соответствующие изменения тока I_К и напряжения U_КЭ. Рабочая точка при этом перемещается по прямой линии U_ПИТ – R_КI_К между зонами насыщения (I_{К МАКС)}  и отсечки (I_{К МИН})_. Если входной сигнал не превышает допустимую величину, то происходит пропорциональное усиление всего сигнала. При превышении допустимого уровня наступает ограничение выходного сигнала на уровнях I_{К МАКС} и I_{К МИН} по току и на уровнях U_{КЭ МИН} и U_{КЭ МАКС} по напряжению.

 

Рис. 2.7.1

 

В классе АВ точка покоя смещена в сторону зоны отсечки, поэтому часть синусоидального сигнала (меньше полупериода) при усилении «обрезается».

В классе В усиливается точно половина синусоидального сигнала. Для этого точка покоя должна выбираться на границе зоны отсечки (точка В,D). В действительности её выбирают несколько выше, чтобы избежать искажений, вызванных существенной нелинейностью начального участка входной характеристики транзистора.

В классе D транзистор работает в ключевом режиме. Для этого точка покоя выбирается также как и в классе В на границе зоны отсечки, но на вход подаётся большой сигнал, чтобы транзистор быстро переходил в режим насыщения. Ещё лучше в этом режиме на вход подавать сигнал прямоугольной формы. Тогда отпадает необходимость в его большой амплитуде. Становится ненужной и цепь, задающая начальное смещение (делитель из резисторов R₁ и R₂), так как при отсутствии входного сигнала транзистор должен быть надёжно закрыт.

Рассмотренные случаи иллюстрируются диаграммами входных и выходных сигналов на рис. 2.7.2.

Рис. 2.7.2

Экспериментальная часть

Задание

 

Экспериментально ознакомиться различными классами усиления. В классах А и В подобрать оптимально точку покоя и определить максимальную амплитуду неискажённого выходного сигнала и допустимую амплитуду входного сигнала. В классе D определить минимальную амплитуду прямоугольного входного напряжения, при которой транзистор надёжно переходит в режим насыщения.

Порядок выполнения экспериментов

 

·         Соберите цепь согласно рис. 2.7.3 и 2.7.4. В ней постоянный ток базы регулируется потенциометром 1 кОм и ограничивается постоянным сопротивлением тоже 1 кОм. Последовательно с источником переменного сигнала включен конденсатор 1 мкФ для предотвращения протекания через источник постоянного тока и токоограничивающее сопротивление 1 кОм. Диод включён для защиты эмиттерного перехода от обратного напряжения, а сопротивление 10 Ом для стабилизации характеристик транзистора. Измерение входного и выходного напряжений осуществляется осциллографом, а токов - двумя мультиметрами в режиме миллиамперметров.

·         Включите осциллограф для наблюдения по двум каналам одновременно(канал I – 0,5 В/дел., канал II – 5 В/дел). Включите мультиметры для измерения постоянных токов (пределы измерения: ток базы – 2 мА, ток коллектора – 200 мА). Включите блок генераторов напряжений и установите частоту синусоидального напряжения 1 кГц, а амплитуду сначала равной нулю. Настройте осциллограф, установите и запомните положение линий нулевого сигнала.

·         Изменяя напряжение смещения на базе поворотом ручки потенциометра вправо и влево, наблюдайте по осциллографу за изменением напряжения на коллекторе, а по мультиметрам за изменением токов базы и коллектора. Установите напряжение покоя U_{КЭ 0} примерно в середине диапазона его изменения.

Рис. 2.7.3

 

рис. 2.7.4

 

·         Подаёте на вход усилителя синусоидальное напряжение и, регулируя его амплитуду, наблюдайте за изменением выходного сигнала. Уточните положение точки покоя так, чтобы вершины выходного сигнала начинали уплощаться одновременно.

·         Установите на входе максимальный сигнал, соответствующий неискажённому напряжению на выходе, и запишите в табл. 2.7.1 токи базы и коллектора и напряжение, амплитуды входного и выходного напряжений, перерисуйте осциллограммы на рис. 2.7.5.

·         Регулируя смещение в сторону зоны отсечки (закрывания транзистора), добейтесь, чтобы усиливалась точно половина периода синусоиды. Увеличьте входное напряжения до максимального значения, при котором выходной сигнал не искажается, подкорректируйте ещё раз смещение и запишите в табл. 2.7.1 параметры режима усиления в классе В. Перерисуйте кривую выходного напряжения также на рис. 2.7.5.

Примечание. I_{Б 0} ,I_{К 0} и U_{КЭ 0} измеряйте при отключённом входном сигнале!

 

Таблица 2.7.1

 

Класс	IБ 0, мА	IК 0, мА	UКЭ 0, В	UВХ МАКС, В	UВЫХ МАКС, В
А
В
D (~U

 

 

Рис. 2.7.5

 

·         Увеличивая входной сигнал, убедитесь, что  выходной сигнал принимает форму трапеции. Переключите форму входного сигнала с синусоиды на прямоугольник и убедитесь, что выходной сигнал тоже стал прямоугольным. Отключите цепь смещения и убедитесь, что выходной сигнал не изменился.

·         Подберите и запишите минимальную амплитуду входного прямоугольного сигнала, при которой транзистор надёжно переходит в режим насыщения.

 

U_{мин.прямоуг.} = ……………………В.

Контрольные вопросы

1. Что такое область активного усиления, насыщения, отсечки?

2. Как выбирается точка покоя в классах усиления А, АВ, В, D?

3. Каковы преимущества и недостатки различных классов усиления?

 

2.8.          Снятие статических характеристик полевого транзистора с p-n переходом

Общие сведения

Структура и условное обозначение полевых транзисторов с р-n переходом и каналами типа n и типа р показана на рис. 2.8.1а и б. На рис. 2.8.1в показан примерный вид выходных характеристик I_С(U_СИ) и стоко-затворная характеристика I_С(U_ЗИ) транзистора с каналом типа n. Три вывода транзистора обозначаются: И – исток, С – сток, З – затвор.

 

Рис. 2.8.1

 

Когда напряжение U_ЗИ равно нулю, а между стоком и истоком приложено постоянное напряжение U_СИ = U₀, по каналу протекает начальный ток стока I_С = I_нач, который обеспечивается свободными электронами, имеющимися в канале типа n. Если же между затвором и истоком приложено управляющее отрицательное напряжение, то вблизи затвора увеличивается объёмный положительный заряд, количество свободных электронов уменьшается, сопротивление канала возрастает, и ток стока уменьшается. При U_ЗИ = U_отс (напряжение отсечки) канал полностью перекрывается и ток прекращается.

При постоянном напряжении U_ЗИ и увеличении напряжения U_СИ от нуля ток стока сначала возрастает по линейному закону, но при этом возрастает и напряжение  U_СЗ, что приводит к сужению канала проводимости в области, прилегающей к стоку. Когда это напряжение достигает значения U_отс, наклон характеристики  I_С(U_СИ) резко уменьшается, и она становится почти горизонтальной. Эта область семейства выходных характеристик называется зоной насыщения. Именно в ней обеспечивается линейное усиление сигналов.

Важной характеристикой транзистора является крутизна стоко-затворной характеристики в области насыщения:

S = DI_C/DU_ЗИ.

 

Все эти обозначения и рассуждения применимы также к транзистору с каналом типа р (рис. 2.8.1б), с той лишь разницей, что полярность напряжений U_СИ и U_ЗИ должно быть противоположными.

Экспериментальная часть

Задание

 

Протестировать транзисторы типа n и типа р с помощью мультиметра, снять статические выходные характеристики и стоко-затворную характеристику. Исследовать влияние сопроивления нагрузки на стоко-затворную характеристику и коэффициент усиления напряжения.

Порядок выполнения экспериментов

 

·         Переключите мультиметр в режим тестирования диодов и измерьте падение напряжения на p-n переходах транзисторов по первым четырём схемам, приведённым в табл. 2.8.

Примечание: в режиме тестирования диодов мультиметр измеряет падение напряжения на открытом p-n переходе при определённом токе (примерно 1 мА), создаваемом самим прибором. В обратном направлении он показывает обрыв цепи (1 в старшем разряде).

·         Переключите мультиметр в режим измерения сопротивлений и измерьте сопротивление «сток – исток» при U_ЗИ = 0 по двум последним схемам табл. 2.8.1.

 

Таблица 2.8.1

 

 

·         Соберите цепь для снятия характеристик транзистора (рис. 2.8.2). Диод включен в схему для предотвращения подачи отрицательного напряжения на транзистор при снятии выходных характеристик, а между точками А и В включена перемычка, удалив которую можно включить в цепь стока сопротивление нагрузки.

Рис.2.8.2

 

·         Включите блок генераторов напряжений и мультиметры. Регулируя напряжение на затворе потенциометром, определите начальный ток стока и напряжение отсечки.

 

I_нач = ……………мА;          U_отс = ………….В.

 

·         Изменяя напряжение на затворе потенциометром от нуля до напряжения отсечки, снимите стоко-затворную характеристику (табл.2.8.2).

Таблица 2.8.2

 

UЗИ, В	0	-1	-2	-3	-3.5
IC, мА

 

·         Постройте график стоко-затворной характеристики (рис.2.8.3) и определите крутизну:

;

 

 

Рис. 2.8.3

 

·         Для снятия выходных характеристик транзистора переключите питание на регулируемый источник постоянного напряжения -13…+13 В, как показано на схеме пунктиром, установите напряжение на затворе равным нулю и переключите вольтметр для измерения напряжения U_СИ.

·         Регулируя напряжение питания от 0 до максимального значения (13…14 .В), снимите зависимость I_С(U_СИ) при U_ЗИ = 0 (табл. 2.8.3).

Таблица 2.8.3

 

UСИ, В		0	0,5	1	1,5	2	3	4	6	8	12
IС мА	при UЗИ=0 В
	при UЗИ=-1 В
	при UЗИ=-2 В
	при UЗИ=-3 В

·         Переключите снова вольтметр для измерения напряжения U_ЗИ, установите потенциометром U_ЗИ = -1 В, переключите вольтметр обратно для измерения напряжения U_СИ и снимите зависимость (U_СИ) при U_ЗИ = -1 В.

·         Аналогично снимите выходные характеристики при других значениях U_ЗИ.

·         На рис. 2.8.3 постройте графики выходных характеристик.

·         Для исследования влияния нагрузочного сопротивления на крутизну стоко-затворной характеристики и коэффициент усиления напряжения вновь переключите питание на нерегулируемый источник +15В, удалите из схемы перемычку и включайте вместо неё различные сопротивления нагрузки, указанные в табл. 2.8.4.

·         При каждом сопротивлении записывайте в табл. значения I_С и U_СИ при двух значениях напряжения на затворе.

·         Вычислите по этим значениям коэффициенты усиления напряжения и крутизну затворно-стоковой характеристики. На рис 2.8.4 постройте графики и проанализируйте их.

Таблица 2.8.4

 

RН, кОм	1		2,2		4,7		10
UЗИ, В	-1	-1,5	-1,5	-2	-2	-2,5	-2,5	-3
UСИ, В
IС, мА
DUЗИ, В
DUСИ, В
DIС, мА
kU= DUСИ/ DUЗИ
S= DIС/ DUЗИ, В

 

Рис. 2.8.4

Контрольные вопросы

1. Что такое зона насыщения и зона линейного изменения сопротивления?
2. Почему коэффициент усиления по напряжению увеличивается при увеличении сопротивления нагрузки?
3. Как можно построить стоко-затворную характеристику по семейству внешних характеристик при R_Н = 0 и при R_Н ≠ 0?

2.9.          Снятие статических характеристик полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом

Общие сведения

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются тем, что затвор выполнен в виде слоя металла, отделённого от полупроводникового канала тонким изолирующим слоем оксида кремния. Поэтому их называют МОП-транзисторами (металл – окисид - полупроводник). Канал между истоком и стоком МОП-транзистора можем быть встроенным, т.е. специально изготовленным или наведённым. В первом случае характеристики МОП-транзистора аналогичны характеристикам транзистора с p-n переходом, но отличаются возможностью работы с прямым смещением затвора (в режиме обогащения). На рис. 2.9.1 показаны структура, условное обозначение и характеристики транзистора с встроенным каналом типа n.

Рис. 2.9.1

 

Структура, условное обозначение и стоко-затворная характеристика МОП-транзистора с индуцировнным каналом типа n показана на рис. 2.9.2. В подложке типа р изготовлены только небольшие области противоположного типа проводимости. При подаче на затвор положительного напряжения относительно истока к затвору будут притягиваться электроны, в то время как дырки от него будут оттесняться. При некотором напряжении, называемым пороговым (U_ЗИпор) под затвором образуется n-слой, перемыкающий n-области под истоком и стоком. Вся стоко-затворная характеристика лежит в области обогащения.

В МОП транзисторе с индуцированным каналом типа р структура симметрична, и аналогичные процессы протекают при отрицательном напряжении на затворе.

Рис. 2.9.2

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять статические выходные характеристики и стоко-затворную характеристику МОП-транзистора с индуцированным каналом типа n, определить пороговое напряжение U_ЗИпор, максимальную крутизну стоко-затворной характеристики S, сопротивления канала в ключевом режиме (в закрытом состоянии R_СИзакр и в открытом - R_СИоткр).

Порядок выполнения экспериментов

 

·         Соберите цепь для снятия характеристик транзистора (рис. 2.9.3). Диод Д226 включен в схему для предотвращения подачи отрицательного напряжения на транзистор при снятии выходных характеристик. Диод, показанный внутри микросхемы IRFD024 является паразитным элементом, обусловленным конструкцией p-n переходов в транзисторах подобного типа..

Рис. 2.9.3

 

·         Включите блок генераторов напряжений и мультиметры. Регулируя напряжение на затворе потенциометром, определите пороговое напряжение, при котором появляется ток стока.

U_ЗИпор = ………….В.

 

·         Устанавливая потенциометром напаряжения на затворе, указанные в табл. 2.9.1, снимите стоко-затворную характеристику.

Таблица 2.9.1

 

UЗИ, В	3,5	3,6	3,7	3,8	3,9	4,0	4,1	4,2	4,3	4,4
IC, мА

 

·         Постройте график стоко-затворной характеристики (рис.2.9.4) и определите крутизну:

;

·         Для снятия выходных характеристик транзистора переключите питание на регулируемый источник постоянного напряжения -13…+13 В, как показано на схеме пунктиром, установите напряжение на затворе равным 3,9 В и переключите вольтметр для измерения напряжения U_СИ.

·         Регулируя напряжение питания от 0 до максимального значения (13…14 .В), снимите зависимость I_С(U_СИ) при U_ЗИ = 3,9 В (табл. 2.9.2).

Таблица 2.9.2

 

UСИ, В		0	0,2	0,5	1	1,5	2	4
IС мА	при UЗИ=3,9 В
	при UЗИ=4 В
	при UЗИ=4,1 В
	при UЗИ=4,2 В

 

·         Переключите снова вольтметр для измерения напряжения U_ЗИ, установите потенциометром U_ЗИ = 4 В, переключите вольтметр обратно для измерения напряжения U_СИ и снимите зависимость (U_СИ) при U_ЗИ = 4 В.

·         Аналогично снимите выходные характеристики при других значениях U_ЗИ.

·         На рис. 2.9.4 постройте графики выходных характеристик.

·         Установите такое напряжение на затворе, при увеличении которого ток стока не изменяется (полностью открытое состояние транзистора) и определите сопротивление:

R_СИоткр= U_СИ/ I_С = …………..Ом.

 

·         Установите на затворе напряжение равным нулю и определите сопротивление транзистора в закрытом состоянии:

 

R_СИоткр= U_СИ/ I_С = …………..Ом.

 

Примечание: В последнем опыте ток весьма мал, поэтому для его измерения необходимо отключить вольтметр и переключить прибор на минимальный предел измерения тока.

 

 

Рис. 2.9.4

 

 

2.10.       Экспериментальное определение основных характеристик тиристоров

Общие сведения

Тиристоры – переключающие полупроводниковые приборы, имеющие четырёхслойную структуру. Они имеют два устойчивых состояния: открытое (проводящее) и закрытое (непроводящее). Они выпускаются с двумя или тремя выводами. В первом случае они называются динисторами (или диодными тиристорами) во втором – тринисторами (триодными или управляемыми тиристорами). Их условные обозначения показаны на рис. 2.10.1. Выводы обозначаются: А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод. Производятся также симметричные динисторы и тиристоры (симисторы), которые могут проводить ток в обоих направлениях и эквивалентны двум динисторам или тиристорам, соединённым встречно - параллельно.

Рис. 2.10.1

 

Четырёхслойная структура динистора представлена на рис.2.10.2а. Для уяснения принципа действия четырёхслойный прибор можно представить как два трёхслойных прибора (рис. 2.10.2б) или два транзистора, соединённых как показано на рис. 2.10.2 в.

 

Рис. 2.10.2

 

При прямом приложенном напряжении,  показанном на рисунках, левый и правый p – n переходы открыты, а средний закрыт. Через тиристор протекает лишь незначительный ток неосновных носителей (рис. 2.10.2г). По мере увеличения прямого напряжения энергия носителей заряда, проходящих через запертый n₁ – p₂ увеличивается и при некотором напряжении (U_ВКЛ) возникает ударная ионизация атомов полупроводника в зоне n₁ – p₂ перехода, ток резко возрастает, два транзистора (рис. 2.10.2в) открываются, напряжение на тиристоре резко падает, и он переходит в открытое состояние. Вольт-амперная характеристика открытого тиристора аналогична вольт-амперной характеристике диода. При снижении тока тиристор остаётся в открытом состоянии до некоторого небольшого тока, называемого током удержания (I_УД). Он несколько меньше тока включения, показанного на рис. 2.10.2г.

Управляемые тиристоры имеют кроме основных выводов «Анод» и «Катод» третий вывод «Управляющий электрод». Он показан на рис. 2.10.2в пунктиром. Подавая на него импульс тока положительной полярности, мы принудительно открываем один из транзисторов, второй транзистор также открывается, так как через его базу начинает протекать ток коллектора другого транзистора. Напряжение включения уменьшается, как показано на рис. 2.10.2г пунктиром. При токе управления, превышающем открывающий ток управления (I _{откр. у}) вольт-амперная характеристика тиристора полностью аналогична характеристике диода.

Важно, что управляемый тиристор остаётся во включенном состоянии и после снятия управляющего тока. Он выключается только при снижении тока через него ниже тока удержания. Причём, для того чтобы тиристор не включился самопроизвольно при следующей подаче на него прямого напряжения, он должен находиться в выключенном состоянии определённое время, называемое временем восстановления запирающих свойств. Кроме того, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать для данного типа тиристоров допустимую величину.

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять статические вольт-амперные характеристики динистора, управляемого тиристора и триодного симистора. Определить напряжение включения динистора, минимальные открывающие токи и токи удержания тиристора и симистора.

 

Порядок выполнения эксперимента

 

• Соберите цепь для снятия вольт-амперной характеристики динистора согласно схеме (рис. 2.10.3).

 

Рис. 2.10.3

• Для определения напряжения включения установите регулятором напряжения какое-нибудь напряжение, например 5 В. Включая и выключая динистор тумблером, определите по показаниям амперметра и вольтметра, включается динистор или нет. При включении динистора напряжение на нём падает, а ток возрастает. Если динистор не включается, то увеличьте напряжение и снова попробуйте несколько раз тумблером включить динистор. Повторяя этот опыт, подберите напряжение при котором динистор будет стабильно включаться. Запишите значение U_ВКЛ в табл. 2.10.1.

• Приведите динистор во включенное состояние и, уменьшая напряжение регулируемого источника, поочередно устанавливайте значения тока, указанные в табл. 2.10.1 и записывайте соответствующие напряжения на динисторе.
• На рис. 2.10.4 постройте кривую зависимости тока от напряжения (вольт-амперную характеристику).

 

Таблица 2.10.1

 

 

 

 

Рис. 2.10.4

·         Соберите цепь (рис. 2.10.5) для исследования характеристик управяемых тиристоров. Ручку потенциометра поверните вправо до упора (ток управления равен нулю).

·         Включите питание и, вращая ручку регулятора постоянного напряжения влево и вправо до упора, убедитесь, что тиристор закрыт, как при прямом, так и при обратном приложенном напряжении.

·         Оставьте ручку регулятора постоянного напряжения в крайнем правом положении, и потенциометром увеличивайте ток управления до тех пор, пока не включится лампочка, что свидетельствует о переходе тиристора в открытое состояние. Верните ручку потенциометра в правое крайнее положение и убедитесь, что и при отсутствии тока управления тиристор остаётся включённым.

·         Выключите тиристор кратковременным разрыванием анодной цепи или снижением приложенного напряжения до любого отрицательного значения.

·         Снова включите тиристор при максимальном приложенном напряжении, ток управления сделайте равным нулю и, уменьшая приложенное напряжение снимите вольтамперную характеристику (табл. 2.10.1) и постройте её график (рис.2.10.4).

·         Снова включив тиристор и, плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определите ток удержания тиристора (Определяйте его при токе управления равном нулю!). Запишите значение I_УД также в табл. 2.10.1.

 

Рис. 2.10.5

 

·         Медленно увеличивая ток управления потенциометром (при максимальном анодном напряжении и непроводящем состоянии тиристора), зафиксируйте ток управления, при котором происходит включение тиристора. Проделайте этот опыт несколько раз и запишите I_откр.у  в табл. 2.10.1.

·         Замените тиристор симистором МАС97А6, сопротивление в цепи управления 10 кОм на 1 кОм  и проделайте аналогичные опыты по определению I_откр.у ,  при двух напряжениях питания: +13 В (ручка регулятора в правом крайнем положении) и - 13 В (ручка регулятора в левом крайнем положении). В каждом из этих случаев симистор может открываться как положительным током управления, так и отрицательным. Для получения отрицательного тока управления переключите питание потенциометра с гнезда +15 В на гнездо -15 В.

·         Снимите вольтамперные характеристики при положительном и отрицательном анодном напряжениях, определите токи удержания. Результаты запишите в табл. 2.10.1 и постройте графики на рис. 2.10.4.

 

 

2.11.       Экспериментальное определение основных характеристик и параметров оптопар

Общие сведения

Оптрон – это прибор, у которого входная и выходная цепи связаны только с помощью оптических сигналов. Основным излучателем света в оптронах является светодиод, но иногда используется сверхминиатюрная лампочка накаливания.

Условные обозначения оптопар, исследуемых в данной работе приведены на рис. 2.11.1.

Рис. 2.11.1

 

Основными характеристиками резисторной оптопары являются входная вольт-амперная характеристика, выходная, температурная и передаточная характеристики (зависимость выходного сопротивления от входного тока).

Диодная оптопара может работать в генераторном и фотодиодном режиме. В генераторном режиме при облучении оптронного фотодиода в нём возникакт генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Свободные электроны и дырки разделяются электрическим полем перехода и заряжают р – область положительно, а n – область отрицательно. На выходных зажимах оптрона появляется фото-ЭДС 0.7…0,8 В.

Если к фотодиоду приложено обратное напряжение больше 0,5 В, то электроны и дырки, генерированные излучением увеличивают обратный ток. Это фотодиодный режим. Величина обратного фототока практически линейно возрастает с увеличением силы света излучающего диода.

Основными характеристиками диодной оптопары являются входная и выходная вольт-амперные характеристики и передаточные характеристики в фотодиодном и генератором режимах. Передаточная характеристика в фотодиодном режиме представляет собой зависимость выходного тока от входного. Она практически линейна в широком диапазоне изменения входного тока. В фотогенераторном режиме это зависимость фото-ЭДС от входного тока. Эта зависимость нелинейна, так как фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов 0,5…0,8 В.

Транзисторные оптопары также как и диодные характеризуются входными и выходными вольт-амперными характеристиками и передаточной характеристикой. Входные характеристики такие же, как у диодных оптопар, так как в них используются сходные излучатели. Выходные вольт-амперные характеристики аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Передаточная характеристика в отличие от характеристики диодной оптопары существенно нелинейна и имеет большую крутизну (коэффициент передачи тока) за счёт усиления фототока.

В тиристорных оптопарах выходным элементом является тиристор, который обладает всеми свойствами и характеристиками обычных тиристоров, однако, он управляется фототоком.

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять передаточные характеристики резисторной оптопары, диодной оптопары в генераторном и фотодиодном режимах, передаточную характеристику транзисторной оптопары, определить открывающий ток управления и остаточное напряжение в открытом состоянии симисторной оптопары при двух полярностях приложенного напряжения.

 

Порядок выполнения эксперимента

 

·         Соберите цепь (рис.2.11.2) для снятия передаточной характеристики резисторной оптопары.

·         Включите питание и мультиметры и, изменяя входной ток регулятором напряжения, проследите за изменением сопротивления фоторезистора.

·         Устанавливая изменением входного тока значения сопротивлений, указанные в табл.2.11.1, снимите передаточную характеристику и на рис. 2.11.7а постройте график в логарифмическом масштабе по оси R_ВЫХ.

Таблица 2.11.1

 

RВЫХ, Ом	108	107	106	105	104	103
IВХ, мА

 

·         Соберите цепь (рис.2.11.3) для снятия передаточной характеристики диодной  оптопары в фотогенераторном режиме.

·         Увеличивая входной ток, согласно табл 2.11.2 снимите зависимость U_ВЫХ(I_ВХ) (для установки нулевого входного тока разомкните цепь!). На рис. 2.11.7б постройте график.

Таблица 2.11.2

 

IВХ, мА	0	0,5	1	2	4	6	8	10	12
UВЫХ, В

 

·         Соберите цепь (рис.2.11.4) для снятия передаточной характеристики диодной  оптопары в фотодиодном режиме.

·         Изменяя входной ток регулятором напряжения, проследите за изменением выходного тока, заполните табл. 2.11.3, и на рис. 2.11.7б постройте график.

·          

Таблица 2.11.3

 

IВХ, мА	0	2	4	6	8	10	12
IВЫХ, мА

 

·         Соберите цепь (рис.2.11.5) для снятия передаточной характеристики транзисторной оптопары.

·         Изменяя входной ток регулятором напряжения, проследите за изменением выходного тока, заполните табл. 2.11.4, и на рис. 2.11.7в постройте график.

Таблица 2.11.4

 

IВХ, мА
*IВЫХ, мА	0	20	40	50	60	70	80	90	100	110	120

*Если выходной ток е достигает значения 120 мА, замените резистор 22 кОм на 10 кОм или меньше.

·         Соберите цепь (рис.2.11.6) для определения открывающего тока управления (I_откр.у) и остаточного напряжения (U_ост) симисторной оптопары.

·         Изменяя ток управления регулятором напряжения, убедитесь, что при увеличении тока симистор включается, но при уменьшении не выключается.

·         Выключите симистор кратковременным размыканием цепи нагрузки и, медленно увеличиваёте ток управления от нулевого значения. Заметьте и запишите в таблицу (на рис. 2.11.7г) значения открывающего тока управления и остаточного напряжения на открытом симисторе.

·         Поворите опыт при обратной полярности питания (переключите провод с +15 В на
 -15 В).

 

Рис. 2.11.2                                             Рис. 2.11.3

Рис. 2.11.4

 

Рис. 2.11.5

 

Рис. 2.11.6

 

 

Рис. 2.11.7

 

3.          Электронные цепи и микросхемотехника

3.1.          Сравнительное исследование одиночных усилительных каскадов на биполярных транзисторах

Общие сведения

В зависимости от способа включения транзистора различают три типа усилительных каскадов на биполярных транзисторах: с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.1.1а), с общим коллектором (ОК) (рис. 3.1.1б) и с общей базой (ОБ) (рис. 3.1.1.в). Все схемы могут быть выполнены как на p-n-p так и на n-p-n транзисторе.

В каждой из этих схем один из выводов транзистора является общей точкой, а два других являются входом и выходом. При этом на эмиттерный переход подаётся напряжение смещения в прямом направлении, а на коллекторный – в обратном направлении. Напряжение смещения задаётся резисторами R₁ и R₂. В цепи эммитера и (или) коллектора включают сопротивления для ограничения тока и приданию усилителю определённых свойств. На входе усилительного каскада (часто и на выходе) включается разделительный конденсатор С_ВХ для предотвращения протекания постоянного тока через источник переменного сигнала.

 

Рис. 3.1.1

 

Схема с ОЭ (рис. 3.1.1а) используется наиболее часто. В ней входной сигнал подаётся на цепь база – эмиттер, а выходное напряжение снимается с цепи коллектор – эмиттер. Она имеет большой коэффициент усиления, как по напряжению (k_U), так и по току(k_I).

В схеме с ОК (рис. 3.1.1б) входной сигнал подаётся на цепь база – коллектор, а выходной снимается с цепи эмиттер – коллектор. Это утверждение не противоречит рисунку 3.1.1б, так как для переменного сигнала общая точка имеет такой же потенциал, как и +U_ПИТ. Эту схему называют ещё эмиттерным повторителем, так как выходное напряжение в ней почти равно входному (k_U<1). Схема имеет большой коэффициент k_I, высокое входное сопротивление и низкое выходное.

В схеме с ОБ (рис. 3.1.1.в) входное напряжение подаётся на цепь эмиттер – база, а выходное снимается с цепи коллектор – база. Здесь также нет противоречия с рисунком 3.1.1в, так как для переменного сигнала общая точка имеет такой же потенциал, как и потенциал базы. Эта схема имеет большой коэффициент k_U, но ток на выходе почти равен току на входе (k_I<1). В противоположность схеме с общим коллектором схема имеет малое входное сопротивление, но большое выходное.

Схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180^о, тогда как в схемах с ОК и ОБ выходное напряжение совпадает по фазе с входным.

Экспериментальная часть

Задание

 

Определить экспериментально коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности усилительных каскадов с ОЭ, ОК и ОБ, определить их входные и выходные сопротивления.

Порядок выполнения экспериментов

 

·         Соберите на наборном поле цепь усилительного каскада с ОЭ (рис. 3.1.2). В ней напряжение смещения регулируется потенциометром 1 кОм. Последовательно с источником переменного сигнала и на выходе включены конденсаторы 1 мкФ для развязки цепей постоянного  и переменного тока. На входе имеется также токоограничивающее сопротивление 1 кОм. Диод включён для защиты эмиттерного перехода от обратного напряжения, а сопротивление 10 Ом для стабилизации характеристик транзистора. Измерение входного и выходного напряжений осуществляется осциллографом и двумя мультиметрами (V1 и V2).

 

 

Рис. 3.1.2

·         Включите осциллограф для наблюдения по двум каналам одновременно(канал I – 0,5 В/дел., канал II – 5 В/дел). Включите мультиметры для измерения переменных напряжений.

Примечание. Не используйте предел измерения 200 mV для измерения переменных напряжений, содержащих постоянную составляющую! Другие пределы использовать можно.

·         Включите блок генераторов напряжений и установите частоту синусоидального напряжения 1 кГц, а амплитуду сначала равной нулю.

·         Изменяя напряжение смещения на базе поворотом ручки потенциометра вправо и влево, установите напряжение покоя U_КЭ примерно в середине диапазона его изменения. Подайте на вход усилителя синусоидальное напряжение и, регулируя его амплитуду, установите на входе максимальный сигнал, соответствующий неискажённому напряжению на выходе. При необходимости уточните положение точки покоя.

·         Запишите в табл. 3.1.1 входное и выходное напряжения. Для определения тока базы и тока коллектора измерьте также напряжения на резисторе 1 кОм (U_RВХ) во входной цепи и на резисторе 330 Ом в цепи коллектора (U_RН).

·         Вычислите ток базы (входной ток) и ток коллектора (выходной ток), разделив напряжения на соответствующие сопротивления и также запишите их в табл. 3.1.1.

·         Определите коэффициенты усиления по напряжению, току, и мощности (k_P = k_U·k_I).

·         Для определения выходного сопротивления подключите к выходу (параллельно вольтметру V2) нагрузочное сопротивление, указанное в таблице. При этом напряжение на выходе уменьшится от U_ВЫХ, которое уже записано в табл. 3.1.1, до U_ВЫХ1. Запишите это значение также в табл. и вычислите выходное сопротивление по формуле:

·         Уберите нагрузочное сопротивление, а для определения входного сопротивления включите добавочное сопротивление R_ДОБ во входную цепь (последовательно с генератором переменного напряжения). При этом напряжение на выходе уменьшится от U_ВЫХ до U_ВЫХ2. Запишите это значение также в табл. и вычислите входное сопротивление по формуле:

·         Теперь соберите цепь усилительного каскада с ОК (рис. 3.1.3).

·         Снова подайте на вход синусоидальное напряжение, соответствующее максимальному неискажённому напряжению на выходе, отрегулировав предварительно точку покоя потенциометром 10 кОм.

·         Проделайте все те же опыты, что  и в схеме сообщим эмиттером, и заполните второй столбец табл. 3.1.1.

·         Проделайте аналогичные опыты в схеме усилителя с общей базой (рис. 3.1.4) и сравните результаты. При сборке схемы не ошибитесь с полярностью электролитического конденсатора 470 мкФ!

 

 

Рис. 3.1.3

Таблица 3.1.1

	Схема с ОЭ	Схема с ОК	Схема с ОБ
UВХ, В
UВЫХ, В
UR Г, В
UR Н., В(*)
UВЫХ1, В	(при RН=1 кОм)	(при RН=0,47 кОм)	(при RН=1 кОм)
UВЫХ2, В	(при R ДОБ=1 кОм)	(при R ДОБ=4,7 кОм)	(при R ДОБ=10 Ом)
IВХ, мА
IВЫХ, мА
kU
KI
KP
RВЫХ, кОм
RВХ, кОм

(*) В схеме с ОЭ измеряется на сопротивлении, включённом в цепь эмиттера.

 

 

 

Рис. 3.1.4

Контрольные вопросы

1. В каком из усилителей происходит инвертирование сигнала и в чём оно выражается?
2. Какой из усилителей имеет наибольший коэффициент усиления по мощности?
3. В каких случаях свойства усилителей с общим коллектором имеют особое применение?
4. Каковы особые свойства усилителей с общей базой и где они могут быть использованы?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.          Исследование усилительных каскадов на полевых транзисторах

Общие сведения

Полевые транзисторы также как и биполярные могут быть использованы как управляющие элементы в различных усилительных цепях. По названию того электрода транзистора, который используется как общая точка для напряжений входного и выходного сигналов, различают три основные схемы  усилителей на полевых транзисторах: с общим истоком (ОИ),с общим стоком (ОС) и с общим затвором (ОЗ).

Экспериментальная часть

Задание

 

Определить экспериментально коэффициенты усиления по напряжению усилительных каскадов с ОИ, ОС и ОЗ, определить их входные и выходные сопротивления.

Порядок выполнения экспериментов

 

·         Соберите на наборном поле цепь усилительного каскада с ОИ (принципиальная схема - рис. 3.2.1, монтажная – 3.2.2). В ней напряжение смещения регулируется потенциометром 10 кОм. Последовательно с источником переменного сигнала и на входе включены конденсаторы соответственно 0,22 и 0,47 мкФ для развязки цепей постоянного  и переменного тока. На входе меду точками А и В включена перемычка для подключения добавочного сопротивления. Измерение входного и выходного напряжений осуществляется осциллографом и двумя мультиметрами.

 

Рис. 3.2.1

 

·         Включите осциллограф для наблюдения по двум каналам одновременно(канал I –5 В/дел., канал II – 0,5 В/дел). Включите мультиметры для измерения переменных напряжений.

·         Включите блок генераторов напряжений и установите частоту синусоидального напряжения 1 кГц, а амплитуду сначала равной нулю.

·         Изменяя напряжение смещения на базе поворотом ручки потенциометра вправо и влево, установите напряжение покоя примерно в середине диапазона его изменения. Подайте на вход усилителя синусоидальное напряжение и, регулируя его амплитуду, установите на входе максимальный сигнал, соответствующий неискажённому напряжению на выходе. При необходимости уточните положение точки покоя.

 

Рис. 3.2.2

 

·         Запишите в табл. 3.2.1 входное и выходное напряжения и определите коэффициент усиления по напряжению.

·         Для определения выходного сопротивления подключите к выходу (параллельно вольтметру V2) нагрузочное сопротивление R_Н = 10 кОм. При этом напряжение на выходе уменьшится от U_ВЫХ, которое уже записано в табл. 3.2.1, до U_ВЫХ1. Запишите это значение также в табл. и вычислите выходное сопротивление по формуле:

·         Уберите нагрузочное сопротивление, а для определения входного сопротивления включите добавочное сопротивление R_ДОБ (100 кОм) во входную цепь (вместо перемычки АВ). При этом напряжение на выходе уменьшится от U_ВЫХ до U_ВЫХ2. Запишите это значение также в табл. и вычислите входное сопротивление по формуле:

Таблица 3.2.1

 

	Схема с ОИ	Схема с ОС	Схема с ОЗ
UВХ, В
UВЫХ, В
UВЫХ1, В	(при RН=10 кОм)	(при RН=22 кОм)	(при RН=22 кОм)
UВЫХ2, В	(при R ДОБ=100 кОм)	(при R ДОБ=100 кОм)	(при R ДОБ=22 Ом)
kU
RВЫХ, кОм
RВХ, кОм

 

·         Теперь соберите цепь усилительного каскада с ОС (принципиальная схема - рис. 3.2.3, монтажная – рис. 3.2.4). Установите усиление осциллографа по каналу I –5 В/дел., канал II – тоже 5 В/дел).

·         Снова подайте на вход синусоидальное напряжение, соответствующее максимальному неискажённому напряжению на выходе, отрегулировав предварительно точку покоя потенциометром.

·         Проделайте все те же опыты, что  и в схеме сообщим эмиттером, и заполните второй столбец табл. 3.2.1.

·         Проделайте аналогичные опыты в схеме усилителя с общим затвором (рис. 3.2.5 и 3.2.6) и сравните результаты. При сборке схемы не ошибитесь с полярностью электролитического конденсатора!

 

Рис. 3.2.3

 

 

Рис. 3.2.4

 

Рис. 3.2.5

 

 

Рис. 3.2.6

 

Контрольные вопросы

1. Какой из трёх усилителей инвертирует входной сигнал?
2. Почему усилитель с общим стоком не имеет такой же значимости, как усилитель с общим коллектором на биполярном транзисторе?
3. В каких отношениях усилитель с общим затвором отличается от усилителя с общим истоком?

 

 

 

3.3.          Исследование двухкаскадного транзисторного усилителя

Общие сведения

Основными параметрами транзисторного усилителя являются:

·         Коэффициенты усиления по напряжению, току и мощности, которые представляют собой отношение выходной величины к соответствующей входной:
                   

·         Амплитудная характеристика U_ВЫХ(U_ВХ), представляющая собой зависимость выходного напряжения от входного при постоянной частоте.

·         Амплитудно-частотная характеристика k(f), представляющая собой зависимость коэффициента усиления (обычно по напряжению) от частоты входного сигнала при неизменной амплитуде синусоидального входного сигнала.

Для увеличения коэффициента усиления и улучшения характеристик усилителя используют многокаскадные усилители с трансформаторной, гальванической, или активно-ёмкостной связью между каскадами. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

k = k₁ k₂ k₃… .

Для изменения коэффициента усиления, улучшения других характеристик (в частности, уменьшения зависимости от температуры характеристик транзисторного усилителя) или придания усилителю каких либо особых свойств используют обратные связи. Обратная связь – это воздействие части выходного сигнала на вход усилителя. Если эта часть выходного сигнала складывается с входным сигналом, то такая связь называется положительной, если вычитается из входного сигнала – то отрицательной.

Вид амплитудной характеристики транзисторного усилителя изображён на рис. 3.3.1а. Характеристика близка к линейной только на рабочем участке вс. На нём форма выходного сигнала почти повторяет форму входного сигнала. На начальном нелинейном участке ав уровень собственных шумов и утечек усилителя соизмерим с входным сигналом. На конечном участке сd имеют место нелинейные искажения из-за насыщения транзистора.

Вид амплитудно-частотной характеристики представлен на рис. 3.3.1б. Эта характеристика изображается обычно в логарифмическом масштабе по оси абсцисс, т.е. по оси f откладывается не сама частота, а десятичный логарифм частоты. Это позволяет на одном рисунке отобразить всю характеристику при большом диапазоне изменения частоты. Уменьшение коэффициента усиления на нижних частотах объясняется влиянием разделительных конденсаторов, сопротивление которых увеличивается при уменьшении частоты. На верхних частотах коэффициент усиления уменьшается вследствие шунтирующего действия паразитных ёмкостей транзистора и монтажа. На рис.3.3.1б показаны:

f_Н – нижняя граничная частота, ниже которой напряжение на выходе снижается более чем в √2 раз;

f_В – верхняя граничная частота, выше которой напряжение также снижается более чем в √2 раз;

Df – рабочий диапазон частот или полоса пропускания усилителя.

Рис. 3.3.1

Принципиальная схема исследуемой установки изображена на рис.3.32.2. Двухкаскадный усилитель состоит из миниблока «Усилительный каскад с общим эмиттером» и эмиттерного повторителя, собранного на транзисторе. Разделительный конденсатор С_разд1, встроенный в миниблок на входе усилителя, позволяет избежать влияния сопротивления источника сигналов на положение точки покоя транзистора, которая задаётся делителем R1, R3. Сопротивление на входе R2 служит для ограничения входного тока и вместе с шунтирующим конденсатором С2 – для подавления высокочастотных самовозбуждений. Резистор R5 образует отрицательную обратную связь для уменьшения коэффициента усиления и повышения температурной стабильности усилителя. Конденсатор С_ОС, устанавливаемый снаружи миниблока, позволяет исключить отрицательную обратную связь для переменного напряжения и  тем самым увеличить коэффициент усиления. При этом отрицательная обратная связь сохраняется для постоянного и низкочастотного сигналов. Разделительный конденсатор С_разд2 на выходе второго каскада усилителя служит для выделения переменного сигнала на нагрузке R_Н. Конденсатор 10 мкФ в контрольной точке КТ2 служит для выделения переменной составляющей для измерения.

Рис. 3.3.2

Для наблюдения формы входного и выходного сигналов в схему включён осциллограф, а для измерений служит миниблок «Измерительный преобразователь» («ИП»). Постоянное напряжение на его выходе равно действующему значению синусоидального напряжения на входе. (Непосредственное измерение синусоидального напряжения мультиметром в данной работе невозможно, так как его частотный диапазон ограничен от 40 до 400 Гц). К миниблоку «ИП» необходимо подвести питание +15 и – 15 В, а также подсоединить к нему общую точку источника 0. В ходе работы входной зажим «ИП» подключается в контрольным точкам КТ1, КТ2, КТ3, а вольтметр постоянного напряжения всегда остаётся подключённым к выходным зажимам «ИП».

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять экспериментально основные параметры и характеристики двухкаскадного транзисторного усилителя (коэффициент усиления, амплитудная и амплитудно-частотная характеристика), исследовать влияние на них отрицательной обратной связи.

Порядок выполнения эксперимента

 

·         Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 3.3.2) и монтажной схеме (рис. 3.3.3). При сборке схемы не перепутайте полярность электролитических конденсаторов! Переведите переключатель рода сигналов генератора напряжений в положение «~» (синусоида) и установите частоту любую частоту от 1 до 10 кГц (переключатель диапазонов – в положении «×10», в окошке счётчика – любое число от 100 до 999).

·         Включите осциллограф, установите автоматическую развёртку и выведите луч на среднюю линию экрана.

·         Включите генератор напряжений и, ручкой «Амплитуда» установите на входе напряжение, соответствующее максимальному неискажённому напряжению на выходе. Необходимо также отрегулировать длительность развёртки осциллографа и уровень синхронизации так, чтобы на экране было изображение одного – двух периодов сигнала.

·         Измерьте с помощью ИП и мультиметра напряжения в контрольных точках КТ1, КТ2 и КТ3 и запишите их в табл. 3.3.1 в столбец «Без ОС» (без обратной связи).

·         Выньте из гнёзд наборного поля конденсатор С_ОС 470 мкФ и снова измерьте и запишите в столбец «С ОС» (с обратной связью) напряжения в контрольных точках.

Таблица 3.3.1

 

Режим работы		Без ОС	С ОС
U, В	КТ1
	КТ2
	КТ3
k1
k2
k1×k2
k

·         Вычислите коэффициенты усиления каждого из двух каскадов, их произведение и общий коэффициент усиления. Убедитесь, что K = K₁×K₂.

 

Рис. 3.3.3

 

·         Для снятия амплитудной характеристики усилителя изменяйте регулятором «Амплитуда» напряжение от 0 до значения, при котором выходное напряжение становится явно искажённым, и записывайте в табл. 3.3.2 напряжения на входе (КТ1) и на выходе (КТ3) с обратной связью и без неё.

·         На рис. 3.3.4 постройте графики амплитудной характеристики с ОС и без ОС.

 

Таблица 3.3.2

 

UВХ, В
UВЫХ, В Без ОС
UВЫХ, В С ОС

 

 

Рис. 3.3.4

 

·         Для снятия частотной характеристики установите входной сигнал, соответствующий максимальному уровню неискажённого выходного сигнала в цепи без обратной связи (т.е. с конденсатором С_ОС). Запишите это значение в левый столбец табл. 3.3.3. Оно не должно изменяться до конца опыта, тем не менее, время от времени проверяйте, а при необходимости и подправляйте  его поворотом ручки «Амплитуда». Сделайте это обязательно после перехода на множитель частоты ×100, так как при этом множителе диапазон регулирования амплитуды выходного сигнала уменьшен.

·         Теперь переведите переключатель диапазонов частот в положение ×1 и вращайте ручку счётчика влево до упора. Не прикладывайте к ней больших усилий во избежание поломки! Запишите в табл. 3.3.3 первое значение частоты (обычно 20..30 Гц), а также входного и выходного напряжений без обратной связи и с ней.

·         Вращая ручку счётчика вправо, последовательно устанавливайте значения частоты от 0,05 до 1 кГц, указанные в табл. 3.3.3 и записывайте выходные напряжения с обратной связью и без неё. После достижения частоты 1 кГц переключите множитель в положение ×10 и, вращая ручку счётчика влево, установите значение в окошке 200, что соответствует частоте 2 кГц. Аналогично, после достижения частоты 10 кГц переведите множитель в положение ×100, установите в окошке число 200, подрегулируйте уровень входного сигнала и продолжайте опыт до 100 кГц.

·         Вычислите коэффициенты усиления и на рис. 3.3.5 постройте графики частотных характеристик с обратной связью и без неё.

 

 

Таблица 3.3.3

 

UВХ=   …….В	f, кГц	UВЫХ, В (Без ОС)	UВЫХ, В (С ОС)	k (Без ОС)	k (С ОС)
	0,05
	0,10
	0,20
	0,50
	1,0
	2,0
	5,0
	10
	20
	50
	100

 

 

 

Рис. 3.3.5

 

 

 

 

 

 

 

3.4.          Исследование двухтактного усилителя мощности на биполярных транзисторах

Общие сведения

Для передачи значительного тока и мощности в нагрузку выходные каскады усилителей, как правило, работают в классе В, т. е. каждая полуволна синусоиды формируется своим транзистором. Простой и часто используемый эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах показан на рис. 3.4.1а. Такому повторителю свойственны специфические нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью начального участка входных характеристик транзистора (рис. 3.4.1б). В результате передаточная характеристика каскада имеет излом в области малого входного сигнала (рис.3.3.1.в). При индуктивной и ёмкостной нагрузке искажения смещаются в область максимального выходного напряжения.

Рис. 3.4.1

 

Исключить или уменьшить эти искажения можно, выбрав точку покоя транзисторов в области активного усиления вблизи зоны отсечки. Тогда при нулевом входном сигнале оба транзистора будут слегка приоткрыты, потребляя некоторый незначительный ток от источника. Один из возможных способов реализации этого решения показан на рис. 3.4.2. В этой схеме между базами включены два диода, падение напряжение на которых компенсирует потенциальные барьеры эмиттер – база двух транзисторов.

Кроме того, в этой схеме в цепь коллектора каждого транзистора включено небольшое сопротивление, создающее отрицательную обратную связь для компенсации температурной нестабильности характеристик транзисторов.

Экспериментальная часть

Задание

 

Экспериментально определить основные параметры двухтактного усилителя

Порядок выполнения экспериментов

·         Соберите цепь двухтактного усилителя (принципиальная схема - рис. 3.4.2, монтажная - рис. 3.4.3). Конденсатор 0,47 мкФ, показанный на схеме пунктиром не обязателен. Он подключается к источнику +15 В или -15 В в случае появления возбуждений.

·         Включите генератор, установите частоту 1 кГц, убедитесь, что усилитель работает, и установите максимальную амплитуду сигнала.

·         Исключите из схемы диоды, соединив проводом базы транзисторов и подав входной сигнал непосредственно на базы. Убедитесь, что в выходном сигнале появились специфические искажения. Проверьте, как видоизменяются эти искажения при подключении активно-ёмкостной нагрузки и активно-индуктивной, включая последовательно с нагрузкой 220 Ом ёмкость 1 мкФ, затем индуктивность 33 мГн.

·         Перерисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов при активной нагрузке (рис. 3.4.4а), указав масштабы.

·         Переключите осциллограф в режим X-Y и перерисуйте передаточную характеристику (рис. 3.4.4б).

·         Восстановите схему усилителя с начальным смещением точек покоя, и при активной нагрузке и максимальном сигнале проделайте измерения всех величин, указанных в табл. 3.4.1. Рассчитайте основные характеристики усилителя. Измерения токов и напряжений производите мультиметрами, хотя при частоте 1000 Гц погрешность будет выше нормируемой производителем.

 

Рис. 3.4.3

 

 

Рис.3.4.4

Таблица 3.4.1

 

Измеренная или рассчитанная величина	Обознач.	Формула	Результат
Входное напряжение	UВХ, В	-
Вых. напр. при RН=220 Ом (норм. режим)	UН, В	-
Вых. напр. при ХХ (RН®∞)	UХХ, В	-
Вых. напр. при RН=220 Ом и RДОБ=1кОм (*)	UН1, В	-
Входной ток (норм. режим)	IВХ, мА	-
Ток источника питания +15В или -15 В	IИСТ, мА	-
Ток нагрузки (норм. режим)	IН, мА	-
Коэффициент усиления напряжения	kU	UН /UВХ
Коэффициент усиления тока	KI	IН/IВХ
Коэффициент усиления мощности	KP	kU ·KI
Мощность нагрузки	PН, мВт	UН·IН,
Мощность источников питания ±15В	PИСТ, мВт	30·IИСТ
Коэффициент полезного действия	кпд	PН/PИСТ
Выходное сопртивление	RВЫХ	(UХХ/UН-1)·RH
Входное сопртивление	RВХ	RДОБ/(UH/UН1-1)

(*) Добавочное сопротивление R_ДОБ включается в цепь входного сигнала вместо перемычки от генератора.

Контрольные вопросы

1.      В чём заключаются преимущества двухтактного усилительного каскада?

2.      Как действует обратная связь в цепи эмиттера?

3.      В каком классе усиления работают транзисторы в схеме на рис. 3.4.2? а на рис. 3.4.1?

4.      Что такое комплементарные транзисторы?

5.      Какие есть ещё двухтактные схемы?

 

3.5.          Исследование основных схем включения операционного усилителя

Общие сведения

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянного тока  с высокоомным дифференциальным входом, высоким коэффициентом усиления и малым значением напряжения смещения нуля. Два часто употребляемых условных обозначения ОУ приведены на рис. 3.5.1.

 

Рис. 3.5.1

 

При подаче сигнала на инвертирующий вход приращение выходного сигнала противоположно по знаку (фазе) с приращениями входного сигнала (инвертирующее включение ОУ). Если же сигнал подан на неинвертирующий вход, то приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с входным сигналом (неинвертирующее включение). При подаче сигналов на оба входа (дифференциальное включение) приращение сигнала на выходе пропорционально разности входных сигналов. Эти три схемы представлены на рис. 3.5.2.

 

Рис. 3.5.2

 

Преобразование сигналов в цепях с операционными усилителями почти исключительно определяется свойствами цепей внешних обратных связей.

Так в схемах а, б и в, коэффициенты усиления входного напряжения выражаются через внешние сопротивления следующим образом:

 

На операционных усилителях возможно построение множества различных устройств, преобразующих величину и форму сигналов или генерирующих сигналы различной формы.

 

Экспериментальная часть

Задание

 

Для инвертирующего, неинвертирующего и дифференциального усилителей построить кривые зависимости выходного напряжения от входного напряжения при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи. Изучить ослабление синфазного сигнала в дифференциальном усилителе.

Порядок выполнения эксперимента

 

• Соберите цепь инвертирующего усилителя, как показано на принципиальной схеме (рис. 3.5.3) и монтажной схеме (рис. 3.5.4). С помощью мультиметра измерьте величины выходного напряжения U_ВЫХ при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи R_ОС и входных напряжениях U_ВХ  согласно табл. 3.5.1. Занесите эти значения в верхние строки табл.3.5.1, а нижние оставьте для неинвертирующего усилителя.
• На графике (рис. 3.5.7) постройте кривые зависимостей U_ВЫХ(U_ВХ) при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи R_ОС.

Таблица 3.5.1

 

UВХ, В	-10	-8	-6	-4	-2	0	2	4	6	8	10
UВЫХ , В при RОС= 10 кОм
UВЫХ, В  при RОС= 22 кОм
UВЫХ , В при RОС= 47 кОм

 

·         Соберите цепь неинвертирующего усилителя (рис. 3.5.5 и 3.5.6), и снова измерьте выходное напряжение U_ВЫХ при тех же значениях сопротивления отрицательной обратной связи R_ОС и входного напряжения U_ВХ согласно таблице 3.5.1. Постройте графики на том же рис.3.5.7.

·         Соберите цепь дифференциального усилителя (рис. 3.5.8 и 3.5.9). Подайте сначала на оба входа одно и тоже напряжение, например, от регулируемого источника постоянного напряжения -13…+13 В. Потенциометр при этом не используется.

·         Регулируя синфазное входное напряжение согласно табл. 3.5.2, измерьте значения и постройте график выходного напряжения в функции от входного (рис.3.5.10).

·         Замените в схеме два сопротивления 100 кОм сопротивлениями 10 кОм и подайте на один вход напряжение с потенциометра, а на другой – от регулируемого источника, как показано на рис. 3.5.8 и 3.5.9.

·         Измерьте значения выходного напряжения U_ВЫХ при различных входных напряжениях U_ВХ1  и U_ВХ2, указанных в табл. 3.5.3. На рис. 3.5.11 постройте графики U_ВЫХ(U_ВХ1) при разных значениях U_ВХ2.

 

Рис. 3.5.3

 

 

Рис. 3.5.4

 

Рис. 3.5.5

 

Рис. 3.5.6

 

 

 

 

Рис. 3.5.7

 

Таблица 3.5.2

 

UВХ1=UВХ2, В	-13	-10	-7	-4	-2	0	2	4	7	10	13
UВЫХ, В

 

 

Таблица 3.5.3

 

UВХ1, В	-6	-4	-2	0	+2	+4	+6
UВЫХ, В при UВХ2= -4 В
UВЫХ, В при UВХ2= 0 В
UВЫХ, В при UВХ2= 4 В

 

Рис. 3.5.8

 

 

Рис.3.5.9

 

Рис. 3.5.10.

Рис.3.5.11

 

3.6.          Снятие частотных характеристик операционного усилителя

Общие сведения

Операционный усилитель, предназначенный для универсального применения, ведёт себя как апериодическое звено первого порядка, и его частотная характеристика описывается уравнением

,

K₀ – коэффициент усиления при нулевой частоте,

w - круговая чатота,

w_ср – частота среза (частота при которой коэффициент усиления снижается в  раз),

K(w) – амплитудно-частотная характеристика,

j(w) – фазочастототная характеристика.

Круговая частота w в этих выражениях может быть заменена циклической частотой f.

Амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики обычно изображают в логарифмическом масштабе по осям f и K(f). Причём, строят не точные характеристики, а их асимптотические приближения (рис.3.6.1). На рисунке f_т – частота единичного усиления, т.е. частота при которой коэффициент усиления усилителя без обратных связей становится равным единице. Частота среза (f_ср) зависит от петли отрицательной обратной связи и может быть определена из выражения f_т = K₀f_ср.

В данной работе для измерения входного и выходного напряжений служит миниблок «Измерительный преобразователь» («ИП»). Постоянное напряжение на его выходе равно действующему значению синусоидального напряжения на входе. Непосредственное измерение синусоидального напряжения мультиметром в данной работе невозможно, так как его частотный диапазон ограничен от 40 до 400 (или 1000) Гц. К этому миниблоку необходимо подвести питание + и – 15 В, а также подсоединить к нему общую точку источника 0. В ходе работы входной зажим Измерительного преобразователя подключается к входу и выходу схемы усилителя, а вольтметр постоянного напряжения всегда остаётся подключённым к выходным зажимам измерительного преобразователя. Необходимо только переключать пределы измерения мультиметра в соответствии с уровнем измеряемого напряжения.

Сдвиг фаз между входным и выходным напряжением измеряется с помощью осциллографа в режиме X – Y. При подключении к входам Х и Y синусоидальных сигналов на экране наблюдается эллипс (рис. 3.6.2). При сдвиге фаз, равном нулю, он вырождается в прямую линию, а при 90⁰ – в окружность. Угол сдвига определяется по формуле:

Для большей точности и удобства измерений при каждом измерении эллипс нужно вписывать в квадрат одного и того же размера плавной регулировкой чувствительности осциллографа по горизонтальной и вертикальной оси.

 

Экспериментальная часть

Задание

 

Снять амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики операционного усилителя К140УД608А (ОР07СР) в схеме инвертирующего (или неинвертирующего) усилителя с коэффициентом усиления 200 и 100.

 

Порядок выполнения эксперимента

 

·         Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис.3.6.3) и монтажной схеме (рис. 3.6.4). Делитель напряжения на входе цепи (резисторах 10 кОм и 100 Ом) необходим для удобства измерений малых входных напряжений. При этом входное напряжение будет в 100 раз меньше измеренного. На входе усилителя сначала установите сопротивление 470 Ом (коэффициент усиления около 200). Не используйте длинных проводов на входе усилителя, которые могут создавать помехи и привести к самовозбуждению схемы. Включите осциллограф.

·         Установите ручку переключателя формы сигнала в положение «~», множитель частоты – в положение «×100», ручку-счётчик – в положение 000 (частота 100 кГц), ручку-регулятор амплитуды поверните в крайнее правое положение (максимальная амплитуда) и включите генератор. Проверьте, нет ли слишком сильных искажений выходного сигнала, запомните входное напряжение генератора. В дальнейшем поддерживайте это напряжение неизменным, время от времени корректируя его. Обязательно сделайте эту корректировку при переходе на другой диапазон частот, т.е. после изменения множителя.

·         Переключите осциллограф в режим X – Y, регулировкой усилений по входам впишите эллипс в квадрат размером, например, 80×80 мм. Запишите в табл.3.6.1 входное и выходное напряжения, размеры  А и В эллипса на экране осциллографа.

·         Проделайте эти измерения при всех частотах, указанных в таблице, вычислите коэффициенты усиления и фазовые сдвиги, на рис. 3.6.5 постройте графики амплитудно и фазо- частотных характеристик.

·         Повторите опыт  и построение графиков при R_ВХ = 1 кОм (коэффициент усиления примерно 100).

 

Рис. 3.6.3

 

Рис. 3.6.4

Таблица 3.6.1

 

RВХ = 470 Ом, RОС = 100 кОм
f, кГц	UВХ, мВ	UВЫХ, В	K	А, мм	В, мм	j, град.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
15
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1

 

 

RВХ = 1 кОм, RОС = 100 кОм
f, кГц	UВХ, мВ	UВЫХ, В	K	А, мм	В, мм	j, град.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
15
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1

 

Рис. 3.6.5

 

3.7.          Исследование схем суммирования, интегрирования и дифференцирования на операционном усилителе.

Общие сведения

Для суммирования нескольких напряжений обычно применяется операционный усилитель в инвертирующем включении (рис. 3.7.1.а). Входные напряжения через добавочные резисторы подаются на инвертирующий вход усилителя. Поскольку потенциал этой точки равен нулю, а ток через сопротивление обратной связи равен сумме токов в добавочных сопротивлениях, получим:

При R₁ = R₂ = … = R_n = R_ВХ, получим:

 

Рис. 3.7.1

 

Простейшая схема интегрирования представлена на рис. 3.7.1б. В ней мгновенное значение выходного напряжения равно напряжению на конденсаторе:

Но i_C(t)=-i_ВХ(t) = -u_ВХ(t)/R, поэтому

Постоянное слагаемое u_вых(0) определяет начальное условие интегрирования. Для «обнуления» начальных условий конденсатор необходимо перед началом интегрирования разрядить. При отсутствии входного сигнала выходное напряжение может дрейфовать вследствие интегрирования токов утечки. Для уменьшения этого дрейфа параллельно конденсатору включают большое сопротивление R_ОС. Но оно ограничивает частотный диапазон интегратора в области низких частот.

Амплитудно-частотная характеристика идеального интегрирующего усилителя описывается выражением:

Поменяв местами конденсатор с резистором в схеме интегрирования, получим дифференцирующий усилитель (рис. 3.7.1в). Резистор R1<<R вводится для повышения устойчивости усилителя на высоких частотах.

В этой схеме:

Выражение амплитудно-частотной характеристики дифференцирующего усилителя имеет вид:

 

При снятии частотных характеристик в данной работе входное и выходное напряжения измеряются  с помощью миниблока «Измерительный преобразователь» («ИП»). Постоянное напряжение на его выходе равно действующему значению синусоидального напряжения на входе. Непосредственное измерение синусоидального напряжения мультиметром невозможно, так как его частотный диапазон ограничен от 40 до 400 (или 1000) Гц. К этому миниблоку необходимо подвести питание + и – 15 В, а также подсоединить к нему общую точку источника 0. В ходе работы входной зажим Измерительного преобразователя подключается к входу и выходу схемы усилителя, а вольтметр постоянного напряжения всегда остаётся подключённым к выходным зажимам измерительного преобразователя. Необходимо только переключать пределы измерения мультиметра в соответствии с уровнем измеряемого напряжения.

Экспериментальная часть

Задание

 

Исследовать свойства суммирующего усилителя при постоянных входных напряжениях. Пронаблюдать с помощью осциллографа интегрирование и дифференцирование сигналов различной формы. Снять амплитудно-частотные характеристики интегрирующего и дифференцирующего усилителей.

Порядок выполнения экспериментов

 

·         Соберите цепь суммирующего усилителя (рис. 3.7.2 и 3.7.3).

·         Включите блок генераторов напряжений, мультиметры и установите  напряжение U_ВХ2 = 2 В.

·         Изменяя напряжение U_ВХ1 от -10 В до +10 В, снимите зависимость U_ВЫХ(U_ВХ1) (таблица 3.7.1) и постройте график (рис. 3.7.4).

·         Снимите ту же зависимость при U_ВХ2 = - 2 В и также постройте график.

·         Замените сопротивление обратной связи 10 кОм сопротивлением 22 кОм и снова снимите зависимость U_ВЫХ(U_ВХ1) при U_ВХ2 = 2 В и при U_ВХ2 = - 2 В. На том же рисунке постройте графики.

Таблица 3.7.1

 

UВХ1, В	0	2	4	6	8	10	Примечания
UВЫХ, В							UВХ2=+2 В, RОС=10 кОм
							UВХ2=-2 В, RОС=10 кОм
							UВХ2=+2 В, RОС=22 кОм
							UВХ2=-2 В, RОС=22 кОм

Рис. 3.7.2

 

 

Рис. 3.7.3

 

Рис. 3.7.4

 

·         Соберите цепь интегрирующего усилителя (рис. 3.7.5 и 3.7.6). Не используйте длинных проводов на входе усилителя, которые могут создавать помехи и привести к самовозбуждению схемы. Включите осциллограф.

·         Установите ручку переключателя формы сигнала в положение «~», множитель частоты – в положение «×10», ручку-счётчик – в положение 100 (частота 1 кГц), ручкой-регулятором амплитуды поверните в крайнее левое положение и включите генератор осциллограф и мультиметры.

·         Регулятором амплитуды установите на входе синусоидальное напряжение, и убедитесь, что происходит интегрирование входного сигнала (напряжение на выходе отстаёт от напряжения на входе на 90⁰). Переведите переключатель в положение «», затем «» и по форме выходного сигнала убедитесь, что происходит интегрирование. (Если наблюдается ограничение вершин выходного сигнала, то уменьшите входное напряжение).

·         Снова подайте на вход синусоидальное напряжение максимальной амплитуды, при которой ещё нет ограничения выходного сигнала и, увеличивая частоту согласно табл.3.7.2, снимите зависимость выходного напряжения от частоты. При переходе на другой диапазон частот (множитель 100) увеличьте входное напряжение, но так, чтобы не ограничивался выходной сигнал.

·         Вычислите коэффициент передачи интегрирующего усилителя K = U_ВЫХ/U_ВХ и на рис. 3.7.8  в логарифмическом масштабе постройте график.

·         Соберите цепь дифференцирующего усилителя (рис. 3.7.7).

 

Рис. 3.7.5

Рис. 3.7.6

Таблица 3.7.2

 

	Интегрирующий усилитель			Дифференцирующий усилитель
f, кГц	UВХ, мВ	UВЫХ, В	K		UВХ, мВ	UВЫХ, В	K
1
1,5
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15
20
30
40
50
60
70
80
90
100

 

 

Рис.3.7.7

 

·         Установите ручку переключателя формы сигнала в положение «~», множитель частоты – в положение «×100», ручку-счётчик – в положение 000 (частота 100 кГц), ручкой-регулятором амплитуды поверните в крайнее левое положение и включите генератор осциллограф и мультиметры.

·         Регулятором амплитуды установите на входе синусоидальное напряжение, и убедитесь, что происходит дифференцирование входного сигнала (напряжение на выходе опережает входное напряжение на 90⁰). Переведите переключатель в положение «», затем «» и по форме выходного сигнала убедитесь, что происходит дифференцирование. (Если наблюдается ограничение вершин выходного сигнала, то уменьшите входное напряжение).

·         Снова подайте на вход синусоидальное напряжение максимальной амплитуды, при которой ещё нет ограничения выходного сигнала и, уменьшая частоту согласно табл.3.7.2, снимите зависимость выходного напряжения от частоты. При переходе на другой диапазон частот (множитель 10) увеличьте входное напряжение, но так, чтобы не ограничивался выходной сигнал.

·         Вычислите коэффициент передачи интегрирующего усилителя K = U_ВЫХ/U_ВХ и на том же рис. 3.7.7 постройте график.

 

Рис.3.7.8