extracted_text:
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 Iвх=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 Iвх=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 Uпит = 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 Uпит
= 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)Uпит,
треугольной формы (0,3…0,33)Uпит, синусоидальной
формы (0,2…0,22)Uпит, 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 UAO, UBO,
UCO, UAB,
UBC и UCA 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 Uпр,
дифференциальное сопротивление Rд,
обратный ток Iобр, напряжение стабилизации стабилитрона Uст,
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 tвкл, 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 tвыкл = 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  tвкл
и время выключения: tвкл.

Рис.2.1.7

Из осциллограммы:
время включения         tвкл
= ……..мкс;
время выключения:      tвкл
= ……..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:

RБАЛ =
(UРАБ - UСТ) ¤ (IСТ + IНАГР),

где      UРАБ
- приложенное рабочее напряжение,
UСТ
- напряжение стабилизации стабилитрона
испытываемого типа,
IСТ
- допустимый ток стабилизации,
IН
- ток в резисторе нагрузки RН,
включенном параллельно стабилитрону.
Экспериментальная часть
Задание

Снять с
помощью осциллографа вольтамперную характеристику и определить напряжение
стабилизации UСТ 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

RН Ом

∞

150

100

47+22

47+10

47

33+10

33

IН, мА

0 (х.х.)

UВЫХ, В

·
На рис. 2.2.4а и б постройте графики UВЫХ
(UВХ) и UВЫХ
(IН).

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 UВХ НОМ
= 8 В и IН.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 UСД и тока IСД
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 UСД и
     ток IСД 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 fРЕЗ 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,
fРЕЗ - 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:

СВАР
= С – СКАТ.

Занесите значения емкости
     варикапа в табл. 2.4.1. Затем постройте зависимость его емкости
     СВАР от обратного напряжения UОБР
     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 UЭБ
эмиттерный p-n
переход открывается, и дырки из эмиттера проникают (инжектируются) в область
базы. Часть из них уходит к источнику напряжения UЭБ,
а другая часть достигает коллектора. Возникает так называемый транзитный тока
от эмиттера к коллектору. Он резко возрастает с увеличением UЭБ
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 UБЭ.
Токи эмиттера,
коллектора и базы связаны между собой уравнением первого закона Кирхгофа:
IК
= IЭ – IБ.
Ток базы существенно меньше IК и IЭ,
но от него сильно зависит как IК, так
и IЭ. Отношение приращения тока
коллектора к приращению тока базы называется коэффициентом усиления по току:
b = DIК
¤ DIБ.

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 IК(UКЭ) 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 IК(UKЭ) на осциллографе. При нескольких значениях
     тока базы (включая нулевое и максимальное) перерисуйте кривую IК(UKЭ) с осциллографа на рис. 2.5.3. Не забудьте
     указать масштабы по осям и токи базы для каждой кривой.
На семействе кривых IК(UKЭ) выберите какое-либо постоянное напряжение UKЭ (например,
     5 В) и на рис. 2.5.4 постройте зависимость IК(IБ) для этого значения напряжения UKЭ.
     Рассчитайте и на этом же рисунке постройте график
b(IБ) = DIК¤DIБ.
     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 UКЭ ток IК 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 IБ от напряжения в цепи база/эмиттер UБЭ
(при UКЭ = const).
Выходная характеристика показывает зависимость тока коллектора IК
от напряжения цепи коллектор/эмиттер UКЭ при различных
фиксированных значениях тока базы.
Характеристика управления представляет собой
зависимость тока коллектора IК от тока базы IБ
(при UКЭ = const).
Характеристика обратной связи есть зависимость
напряжения цепи база ¤ эмиттер UБЭ,
от напряжения цепи коллектор/эмиттер UКЭ 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 UКЭ 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 IБ
     и напряжения UБЭ производятся
     мультиметрами на пределах 200 μА и 2 В соответственно, Пределы измерения
     тока коллектора IК и напряжения UКЭ 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 UКЭ согласно
     значениям, указанным в табл. 2.6.1, снимите зависимости IК(UКЭ)
     и UБЭ(UКЭ).
     Повторите эти измерения при каждом значении IБ,
     указанном в таблице.

Примечание:
характеристики транзистора изменяются в ходе работы из-за его нагрева. Поэтому
для большей определенности рекомендуется установить нужные значения IБЭ
и UКЭ, 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 IК(UКЭ)
     и семейство характеристик обратной связи  UБЭ(UКЭ),
     не забыв указать какому току базы соответствует каждая кривая.
Установите UКЭ
     = 0 и изменяя ток базы в соответствии со значениями, указанными в табл.
     5.3.2, снимите зависимость UБЭ(IБ), Увеличьте напряжение UКЭ
     до 5 В и снова снимите зависимость UБЭ(IБ), а также и IК(IБ).
     Повторите этот опыт также при UКЭ = 15 В. (При
     проведении этих измерений также учитывайте примечание к предыдущему
     опыту).
На рис. 5.3.3 постройте графики
     входных IБ(UБЭ) и
     регулировочных IК(IБ) характеристик, указав для
     каждой кривой соответствующие значения UКЭ.

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

Что такое область отсечки, область активного усиления и
     область насыщения на семействе выходных характеристик транзистора?
Какое явление в транзисторе отражает характеристика
     обратной связи?
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 RК
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 RК протекает
постоянный ток. При этом напряжение на транзисторе UКЭ(IК) = UПИТ
– RКIК.
Точки пересечения этой прямой с вольтамперными характеристиками IК(UКЭ)
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 IК МАКС  до
IК 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
IК и напряжения UКЭ. Рабочая точка при этом перемещается по
прямой линии UПИТ – RКIК
между зонами насыщения (IК МАКС)  и отсечки
(IК МИН). Если входной
сигнал не превышает допустимую величину, то происходит пропорциональное усиление
всего сигнала. При превышении допустимого уровня наступает ограничение
выходного сигнала на уровнях IК МАКС и
IК МИН по току и на уровнях UКЭ МИН и UКЭ
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 UКЭ 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. IБ
0 ,IК 0 и UКЭ 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.

Uмин.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 IС(UСИ) и стоко-затворная характеристика IС(UЗИ)
транзистора с каналом типа n. Три вывода
транзистора обозначаются: И – исток, С – сток, З – затвор.

Рис. 2.8.1

Когда напряжение UЗИ
равно нулю, а между стоком и истоком приложено постоянное напряжение UСИ = U0,
по каналу протекает начальный ток стока IС
= Iнач, 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 UЗИ = Uотс (напряжение отсечки) канал полностью
перекрывается и ток прекращается.
При постоянном напряжении UЗИ
и увеличении напряжения UСИ от нуля
ток стока сначала возрастает по линейному закону, но при этом возрастает и
напряжение  UСЗ, что приводит к
сужению канала проводимости в области, прилегающей к стоку. Когда это напряжение
достигает значения Uотс, наклон
характеристики  IС(UСИ) 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
= DIC/DUЗИ.

Все эти обозначения и рассуждения применимы также к
транзистору с каналом типа р (рис. 2.8.1б), с той лишь разницей, что полярность
напряжений UСИ и UЗИ
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 UЗИ
= 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.

Iнач
= ……………мА;          Uотс = ………….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 UСИ.
·
Регулируя напряжение питания от 0 до максимального значения
(13…14 .В), снимите зависимость IС(UСИ) при UЗИ
= 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 UЗИ, установите потенциометром UЗИ = -1 В, переключите вольтметр обратно для
измерения напряжения UСИ и снимите
зависимость (UСИ) при UЗИ = -1 В.
·
Аналогично снимите выходные характеристики при других значениях UЗИ.
·
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 IС и UСИ
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

Что такое зона насыщения и зона линейного изменения
     сопротивления?
Почему коэффициент усиления по напряжению увеличивается
     при увеличении сопротивления нагрузки?
Как можно построить стоко-затворную характеристику по
     семейству внешних характеристик при RН
     = 0 и при RН ≠ 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 (UЗИпор) 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 UЗИпор,
максимальную крутизну стоко-затворной характеристики S,
сопротивления канала в ключевом режиме (в закрытом состоянии RСИзакр и в открытом - RСИоткр).
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.
UЗИпор
= ………….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 UСИ.
·
Регулируя напряжение питания от 0 до максимального значения
(13…14 .В), снимите зависимость IС(UСИ) при UЗИ
= 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 UЗИ, установите потенциометром UЗИ = 4 В, переключите вольтметр обратно для
измерения напряжения UСИ и снимите
зависимость (UСИ) при UЗИ = 4 В.
·
Аналогично снимите выходные характеристики при других значениях UЗИ.
·
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:
RСИоткр=
UСИ/ IС = …………..Ом.

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

RСИоткр=
UСИ/ IС
= …………..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 (UВКЛ) 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 (IУД).
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 UВКЛ
     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

I, мА

5

10

20

30

40

50

Динистор UВКЛ=…….В)

U, В

Тринистор (IУД=…….В,

Iоткр.у=…….мА)

U, В

Симистор при +U (IУД=…….мА,
  Iоткр.у=+…….мА, -……..мА)

U, В

Симистор при -U (IУД=…….мА,
  Iоткр.у=+…….мА, -……..мА)

U, В

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 IУД 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 Iоткр.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 Iоткр.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 RВЫХ.

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 UВЫХ(IВХ)
(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 (Iоткр.у) и остаточного напряжения (Uост) 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 СВХ
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 (kU), так и по току(kI).
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 +UПИТ.
Эту схему называют ещё эмиттерным повторителем, так как выходное напряжение в
ней почти равно входному (kU<1).
Схема имеет большой коэффициент kI,
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 kU, но ток на
выходе почти равен току на входе (kI<1).
В противоположность схеме с общим коллектором схема имеет малое входное
сопротивление, но большое выходное.
Схема с ОЭ изменяет фазу входного сигнала на 180о,
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 UКЭ
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 (URВХ) во
входной цепи и на резисторе 330 Ом в цепи коллектора (URН).
·
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
(kP = kU·kI).
·
Для определения выходного сопротивления подключите к выходу
(параллельно вольтметру V2) нагрузочное сопротивление, указанное
в таблице. При этом напряжение на выходе уменьшится от UВЫХ,
которое уже записано в табл. 3.1.1, до UВЫХ1.
Запишите это значение также в табл. и вычислите выходное сопротивление по формуле:

·
Уберите нагрузочное сопротивление, а для определения входного
сопротивления включите добавочное сопротивление RДОБ
во входную цепь (последовательно с генератором переменного напряжения). При этом
напряжение на выходе уменьшится от UВЫХ
до UВЫХ2. 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

В каком из усилителей происходит инвертирование сигнала и
     в чём оно выражается?
Какой из усилителей имеет наибольший коэффициент усиления
     по мощности?
В каких случаях свойства усилителей с общим коллектором
     имеют особое применение?
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 RН = 10 кОм. При этом напряжение на выходе
уменьшится от UВЫХ, которое уже
записано в табл. 3.2.1, до UВЫХ1.
Запишите это значение также в табл. и вычислите выходное сопротивление по
формуле:

·
Уберите нагрузочное сопротивление, а для определения входного
сопротивления включите добавочное сопротивление RДОБ
(100 кОм) во входную цепь (вместо перемычки АВ). При этом напряжение на выходе
уменьшится от UВЫХ до UВЫХ2. 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

Какой из трёх усилителей инвертирует входной сигнал?
Почему усилитель с общим стоком не имеет такой же
     значимости, как усилитель с общим коллектором на биполярном транзисторе?
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 UВЫХ(UВХ), 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:
fН – нижняя
граничная частота, ниже которой напряжение на выходе снижается более чем в
√2 раз;
fВ – 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 Сразд1, 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 СОС, 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 Сразд2 на выходе второго каскада усилителя служит для
выделения переменного сигнала на нагрузке RН.
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 СОС
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 СОС). 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 RДОБ
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 UВЫХ при различных сопротивлениях
     отрицательной обратной связи RОС
     и входных напряжениях UВХ  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 UВЫХ(UВХ) при различных
     сопротивлениях отрицательной обратной связи RОС.

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 UВЫХ
при тех же значениях сопротивления отрицательной обратной связи RОС и входного напряжения UВХ
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 UВЫХ
при различных входных напряжениях UВХ1  и
UВХ2, указанных в табл. 3.5.3. На
рис. 3.5.11 постройте графики UВЫХ(UВХ1) при разных значениях UВХ2.

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,
wср
– 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 fт – частота
единичного усиления, т.е. частота при которой коэффициент усиления усилителя
без обратных связей становится равным единице. Частота среза (fср) зависит от петли отрицательной обратной
связи и может быть определена из выражения fт
= K0fср.
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 RВХ
= 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 = … = Rn
= RВХ, 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 iC(t)=-iВХ(t) =
-uВХ(t)/R, поэтому

Постоянное слагаемое uвых(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 RОС. 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 UВХ2 = 2 В.
·
Изменяя напряжение UВХ1 от
-10 В до +10 В, снимите зависимость UВЫХ(UВХ1) (таблица 3.7.1) и постройте график (рис.
3.7.4).
·
Снимите ту же зависимость при UВХ2
= - 2 В и также постройте график.
·
Замените сопротивление обратной связи 10 кОм сопротивлением 22
кОм и снова снимите зависимость UВЫХ(UВХ1) при UВХ2
= 2 В и при UВХ2 = - 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 = UВЫХ/UВХ 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 = UВЫХ/UВХ и на том же рис. 3.7.7 постройте график.

Рис.3.7.8

3.8.
Экспериментальное определение характеристик RC-фильтров
на операционном усилителе.
Общие сведения
Основной характеристикой активного RC-фильтра
является его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – зависимость отношения
действующего значения напряжения на выходе U2
к напряжению на входе U1. АЧХ
фильтров принято представлять в децибелах (дБ) и строить в логарифмическом
масштабе по оси частоты w или f:

Значения АЧХ в полосе пропускания не должно превышать
некоторого максимального значения Амакс и быть не меньше
некоторого минимально допустимого значения Амин. Разность
этих значений а = Амакс - Амин называют
отклонением АЧХ в полосе пропускания. В полосе задерживания АЧХ характеризуется
крутизной наклона в начале полосы задерживания DА/Dw [дБ/декаду]. Крутизна наклона
увеличивается с увеличением порядка фильтра, т.е. порядка полинома,
аппроксимирующего АЧХ. Границы полосы пропускания фильтров часто определяют как
частоту среза wс,
т.е. частоту, при которой выходной сигнал уменьшается в раз,
и, следовательно,
Наиболее часто реализуются АЧХ фильтров Баттерворта, Чебышева
и Бесселя, названные так по виду полиномов аппроксимирующих АЧХ идеальных
фильтров. АЧХ фильтров Баттерворта в полосе пропускания изменяются монотонно, а
фильтров Чебышева – колебательно. В начале полосы задерживании АЧХ фильтра
Чебышева имеет более крутой наклон, чем ФЧХ фильтра Баттерворта. На рис.3.8.1
изображены АЧХ Баттерворта и Чебышева фильтра низкой частоты (ФНЧ) второго
порядка.

Рис. 3.8.1

С увеличением порядка фильтра его фильтрующие свойства
улучшаются. На одном операционном усилителе достаточно просто реализуются
фильтры второго порядка. Для реализации ФНЧ, ФВЧ и полосовых фильтров наиболее
часто используются схемы фильтров второго порядка Саллена-Ки и с многопетлевой
обратной связью (фильтр Рауха). На рис.3.8.2а и б представлены схемы Салена-Ки
для ФНЧ и ФВЧ, а на рис. 3.8.2в – схема Рауха для полосового фильтра. Тот или
иной вид АЧХ фильтра при заданном его порядке определяется коэффициентами
полинома передаточной функции, т.е. параметрами элементов схемы.

Рис. 3.8.2

При снятии частотных характеристик в данной работе входное
и выходные 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 фильтра, 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

Снять и построить АЧХ А(w) ФВЧ, ФНЧ и полосового фильтра, схемы
которых приведены на рис. 3.8.2, а параметры элементов в табл.3.8.1. Определить
частоты среза (wc),
отклонение частотной характеристики в полосе пропускания и наклон при w = wc.
Таблица 3.8.1

Тип и схема фильтра

ФНЧ по схеме
Салена-Ки

ФВЧ по схеме
Салена-Ки

Полосовой, с многопет-левой О.С.

Тип АЧХ

Баттерворта

Чебышева

Баттерворта

Чебышева

Параметры

элементов

R1, кОм

8
(4,7+3.3)

3,2
(2.2+1)

6,9
(4,7+2,2)

3,2
(2,2+1)

10

R2, кОм

14,7
 (10+4,7)

11
 (10+1)

16,9
(10+4,7+2,2)

25,3
(22+3,3)

25,3
(22+3,3)

R3,
  кОм

-

-

-

-

15

С1,
  мкФ

0,022

0, 1

0,01

0,022

0,01

С2,
  мкФ

0,01

0,01

0,022

0,01

0,022

Порядок выполнения
эксперимента

·
Соберите цепь ФНЧ (рис.3.8.2а и 3.8.3) с параметрами элементов, соответствующих
фильтру Баттерворта (табл.3.8.1).
·
Включите блок генераторов напряжений и установите на входе
фильтра синусоидальное напряжение U1
= 5 В (действующее значение).
Примечания: 1) Не используйте
множитель «×100», так как на этом диапазоне выходное
напряжение генератора снижается. 2) На линейных участках АЧХ не обязательно снимать
все точки, указанные в табл.3.8.1.
·
Изменяя частоту напряжения генератора согласно табл.3.8.1,
снимите зависимость напряжения на выходе фильтра от частоты U2(f).
·
Рассчитайте значения амплитудно-частотной характеристики в
децибелах и на рис. 3.8.4 постройте график A(f).
·
По графику определите и укажите на рисунке частоту среза fс, отклонение а частотной
характеристики в полосе пропускания и наклон АЧХ в точке f
= fc.
·
Повторите все опыты для других схем и параметров, указанных в
табл.3.8.1.
·
Сделайте сравнение характеристик фильтров Баттерворта и фильтров
Чебышева

Таблица 3.8.1

f, кГц

ФНЧ
Баттерворта

ФНЧ
Чебышева

ФВЧ
Баттерворта

ФВЧ
Чебышева

Полосовой
фильтр

U2,
  B

А, дБ

U2,
  B

А, дБ

U2,
  B

А, дБ

U2,
  B

А, дБ

U2,
  B

А, дБ

0,1

0,15

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,5

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

Рис. 3.8.3 (ФНЧ)

Рис.3.8.4 (ФНЧ)

Рис. 3.8.5 (ФВЧ)

Рис. 3.8.6 (ФВЧ)

Рис. 3.8.7 (Полосовой
фильтр)

Рис. 3.8.8 (Полосовой
фильтр)

3.9.
Исследование простейшего логарифмирующего преобразователя
на операционном усилителе
Общие сведения
На рис. 3.9.1а и б приведены схемы простейших
логарифмических преобразователей.

Рис. 3.9.1

Ток p-n приблизительно описывается выражением:

где U
– напряжение, приложенное к переходу в прямом направлении; I0
– обратный (тепловой) ток; jq - температурный потенциал. Для
кремниевого диода при комнатной температуре 200С I0@1нА,
а jq @25 мВ.
В схеме рис.3.9.1а. ток диода равен входному току U1/R1,
а прямое напряжение на диоде U = - U2, поэтому:
 или
откуда;

При  (*):
.
Первое слагаемое в этом выражении выходного напряжения
пропорционально логарифму входного напряжения, а второе – постоянная величина,
которая может быть учтена в последующих звеньях преобразования сигнала.
Эта схема очень проста, но имеет большие отклонения от
идеальной логарифмической характеристики и сильную чувствительность к
изменениям температуры. Удовлетворительная точность логарифмирования в ней
может быть получена при изменении входного напряжения в пределах двух – трёх
декад.
Несколько более  широкий диапазон (до четырёх декад) может
обеспечить схема, приведённая на рис. 3.9.1б. Она аналогична предыдущей схеме,
но вместо диода в ней используется транзистор в диодном включении. Диод в этой
схеме служит для защиты эмиттерного перехода транзистора от обратного
напряжения. Тепловой ток маломощных транзисторов меньше теплового тока диода
(около 0,1 нА), поэтому условие (*) выполняется в более широком диапазоне
изменения U1.
Экспериментальная часть
Задание

Снять передаточные характеристики U2(U1) логарифмических преобразователей, схемы
которых изображены на рис. 3.9.1а и б. Построить их графики в логарифмическом
масштабе по оси U1.
Порядок выполнения
экспериментов

·
Соберите цепь логарифмирующего преобразователя с транзистором
(рис. 3.9.2). Делитель напряжения в этой схеме (100 кОм /100 Ом) служит для
получения малых напряжений на входе операционного усилителя.

Рис. 3.9.2

·
Устанавливая регулятором напряжения «-13…+13 В» напряжения U1, указанные в табл. 3.9.1 (положительной
полярности!), снимите зависимость U2(U1). По мере увеличения входного напряжения
меняйте верхнее сопротивление делителя сначала на 10 кОм, затем – на 1 ком, и ,
наконец, вставьте вместо него перемычку.
·
На рис. 3.9.3. постройте график U2(U1) который в принятом логарифмическом масштабе
должен быть примерно прямолинейным.
·
Уберите из схемы транзистор, а диод переверните катодом вниз. Ещё
раз снимите зависимость U2(U1) и на том же рисунке постройте график.
·
Сравните графики и объясните их различие.
Таблица 3.9.1

U1, В

U2, В

Схема с
  транзистором

Схема с диодом

0,001

0,003

0,01

0,03

0,1

0,3

1

3

10

Рис.3.9.3

3.10.
Исследование генератора синусоидальных колебаний на операционном
усилителе
Общие сведения
Простейшая схема RC генератора
синусоидальных колебаний на операционном усилителе приведена на рис. 3.10.1а. В
ней операционный усилитель включён по неинвертирующей схеме, а в качестве звена
положительной обратной связи используется полосовой фильтр со средней частотой w0 = 1/RC.  Такая схема называется мостовым генератором Вина.
Фазовый сдвиг фильтра на средней частоте равен нулю, а
коэффициент передачи - b(w0) = 1/3.
Известно, что условием возникновения стационарных
колебаний в замкнутой системе является равенство выходного напряжения обратной
связи и входного напряжения усилителя, т.е.:
,
где KU – коэффициент
усиления усилителя.
Отсюда следует, что для возникновения стационарных
колебаний должно выполняться условие
.
При выполнении этого условия в схеме с идеальным
операционным усилителем будут существовать незатухающие колебания с частотой f = 1/2pRC. Однако амплитуда этих колебаний будет неопределённой.
Самое незначительное уменьшение R2
приведёт к нарастанию амплитуды до уровня ограничения выходного напряжения
усилителя по питанию, а незначительное увеличение – к затуханию колебаний.

Рис. 3.10.1

Эти обстоятельства требуют применения в составе генератора
системы автоматического регулирования амплитуды. Один из возможных вариантов
схемы с автоматическим регулированием амплитуды изображён на рис. 3.10.1.б. В
ней резистор R2 зашунтирован полевым
транзистором с последовательно включённым сопротивлением. Параметры цепи
выбираются так, чтобы при малой амплитуде выходного сигнала транзистор бы
открыт и эквивалентное сопротивление цепи R2ЭКВ
с параллельно включённой цепочкой было заведомо меньше, чем 0,5R1. Это обеспечивает возникновение колебаний
и нарастание амплитуды. Когда амплитуда достигнет напряжения пробоя
стабилитрона с последовательно включённым диодом, на затвор подаётся
отрицательное напряжение, транзистор увеличивает своё сопротивление и
дальнейший рост амплитуды прекращается. Надо иметь в виду, что такая простая
цепь автоматического регулирования амплитуды несколько искажает форму выходного
генератора.
Задание

В цепи без автоматического регулирования амплитуды
определить экспериментально соотношение сопротивлений R1
и R2, при котором возникают
колебания. Определить частоту этих колебаний. В цепи с автоматическим
регулированием амплитуды экспериментально определить эквивалентное
сопротивление цепи R2ЭКВ с параллельно
включенной цепью полевого транзистора. В обоих случаях снять кривую выходного
напряжения генератора.
Порядок выполнения
эксперимента

·
Соберите цепь мостового генератора Вина с автоматическим
регулированием амплитуды согласно монтажной схеме (рис.3.10.2). Рассчитайте
предполагаемую частоту выходного напряжения:

fрасч
= 1/2pRC = …………………..Гц
.
·
Включите блок генераторов напряжений, осциллограф и, регулируя
сопротивление потенциометра, включённого последовательно с R2,
добейтесь устойчивых колебаний выходного напряжения без ограничения амплитуды
напряжением питания.
·
Перерисуйте осциллограмму на рис. 3.10.3, укажите масштабы по
осям  и определите частоту колебаний по формуле

fэксперим
= 1/Т = …………………Гц,
где Т – период синусоиды.

·
Выключите блок генераторов напряжений, и измерьте омметром сопротивления
R1 и R2ЭКВ:
R1 = …………….кОм;          R2ЭКВ = ………………..кОм.

·
Разомкните цепь автоматического регулирования напряжения, убрав с
наборного поля полевой транзистор. Снова включите блок генераторов напряжения,
и, регулируя сопротивление потенциометра, добейтесь колебаний с минимальным
«обрезанием» вершины синусоиды.
·
Перерисуйте осциллограмму на рис.3.10.3 в том же масштабе.
·
Выключите блок генераторов напряжений, измерьте омметром
сопротивление R2 и определите отношение
R1/R2:

R2 = ………….кОм;          R1/R2
= …………..

Рис. 3.10.2

Рис. 3.10.3

3.11.
Ознакомление с принципом действия триггера Шмидта и релаксационных
генераторов на операционном усилителе
Общие сведения
Релаксационными называют генераторы, у которых усилитель
работает в переключательном (релейном) режиме. К ним относят автоколебательный
и ждущий мультивибраторы, генераторы прямоугольных и пилообразных напряжений.
Основой релаксационных генераторов на операционном усилителе является триггер
Шмидта. Он может быть выполнен на операционном усилителе с положительной
резистивной обратной связью. Одна из возможных схем и её переходные
характеристики представлены на рис. 3.11.1.

Рис. 1.11.1

Переходная характеристика триггера Шмидта имеет гистерезис,
ширина петли которого равна удвоенному пороговому напряжению 2Uпор. Для схемы рис. 1.11.1

где Uмакс –
максимальное выходное напряжение усилителя (напряжение насыщения или ограничения).
Схема и временная диаграмма автоколебательного
мультивибратора на операционном усилителе приведена на рис. 3.11.2.
Мультивибратор состоит из инвертирующего триггера Шмидта, охваченного отрицательной
обратной связью с помощью интегрирующей RC-цепочки.

Рис. 3.11.2

Когда напряжение на конденсаторе достигает одного из
порогов срабатывания, схема переключается,  и её выходное напряжение скачком
принимает противоположное значение. Конденсатор начинает перезаряжаться и,
когда оно достигнет другого порога срабатывания, схема переключается в исходное
состояние.
Период колебаний этого мультивибратора не зависит от
питающего напряжения и составляет
.

Ждущий мультивибратор предназначен для получения
одиночного импульса напряжения заданной длительности. Отсчёт длительности
импульса начинается от фронта специального запускающего импульса. Для того
чтобы перейти от схемы автоколебательного мультивибратора к схеме ждущего
мультивибратора, необходимо добавить цепь запуска и цепь «торможения». Схема
одновибратора и временные диаграммы его работы показаны на рис. 3.11.3.

Рис. 3.11.3

Схема имеет устойчивое состояние при отрицательном
максимальном напряжении на выходе. При этом диод VD1
открыт и на инвертирующем входе имеется небольшое отрицательное напряжение,
равное падению напряжения на открытом диоде. На неинвертирующем входе
напряжение ниже, чем на инвертирующем входе. При поступлении положительного
запускающего импульса напряжение на выходе усилителя изменяется скачком от -Uмакс
до +Uмакс и конденсатор начинает
заряжаться. Когда напряжение на нём достигнет порогового напряжения, напряжение
на выходе становится снова равным –Uмакс,
конденсатор начинает разряжаться, и когда напряжение на нём достигнет
напряжения открывания диода VD1, схема возвращается в
исходное состояние. Длительность импульса зависит не только от параметров цепи,
но и от напряжения Uмакс, которое
определяется напряжением питания. Другим недостатком этой схемы является
значительное время релаксации tр, в течение
которого схема возвращается в исходное состояние. Эти недостатки отсутствуют у
одновибраторов, выполненных на интегральных компараторах или аналоговых
таймерах.

Экспериментальная часть
Задание

Определить экспериментально пороговое напряжение триггера
Шмидта и сравнить его с расчётным значением, получить на осциллографе
переходную характеристику при переменном входном сигнале и исследовать влияние
на неё амплитуды и частоты входного напряжения.
Снять экспериментально временные диаграммы работы
мультивибратора, частоту колебаний мультивибратора сравнить с расчётным
значением.
Снять экспериментально временные диаграммы работы
одновибратора определить по ним длительность импульса и время релаксации.
Порядок выполнения
экспериментов

·
Соберите цепь триггера Шмидта (рис. 3.11.1 и 3.11.4) с указанными
на схеме параметрами резисторов (или с другими по Вашему усмотрению), подайте
на вход сначала регулируемое постоянное напряжение.
·
Включите блок генераторов напряжений и, изменяя входное
напряжение, убедитесь по осциллографу, что триггер переключается.
·
Медленно увеличивая и уменьшая входное напряжение, определите и
запишите положительное и отрицательное пороговые напряжения и ширину петли:
Uпор+ = ………..В; Uп
ор-=
………..В;  Uпор+ - Uп ор- = ……..В.
·
Рассчитайте пороговое напряжение по формуле:
=………………………………………………..В.
и сравните его с напряжениями,
определёнными экспериментально.
·
Переключите вход триггера на переменное напряжение треугольной
формы частотой, например, 1 кГц, переключите осциллограф в режим X-Y и
получите на экране петлю гистерезиса триггера без длинных концов, соответствующих
глубокому насыщению усилителя. Определите ширину петли и убедитесь, что она
примерно такая же, как и на постоянном токе.
·
Увеличивая амплитуду входного напряжения, пронаблюдайте за
изменением ширины петли. Объясните результат.
·
Увеличивая частоту приложенного напряжения, пронаблюдайте за
изменением ширины петли и также объясните результат.
·
Для получения мультивибратора добавьте в схему конденсатор и
резистор в соответствии с рис. 3.11.2 и 3.11.5.
·
Переключите осциллограф в режим развёртки, получите на экране
1…1,5 периода колебаний, и перерисуйте кривые выходного напряжения и напряжения
на конденсаторе на рис. 3.11.6. Укажите масштабы по осям.
·
Определите по осциллограмме и укажите на ней период колебаний.
·
Рассчитайте период по формуле:
 = …………………………..мс.
Сравните расчётное значение с экспериментальным.

Рис. 3.11.4

·
Измените схему так, чтобы получить ждущий мультивибратор (рис.
3.11.3 и 3.11.7).
·
Подайте на вход запуска однополярные прямоугольные импульсы
напряжения максимальной амплитуды частотой 1 кГц (при значениях сопротивлений и
ёмкостей, указанных на монтажной схеме).
·
Убедитесь по осциллографу, что на выходе схемы генерируются
импульсы с такой же частотой. Перерисуйте осциллограмму на рис. 3.11.8,
определите и укажите на осциллограмме длительность импульсов.
·
Увеличивая частоту запускающих импульсов, убедитесь, что
длительность выходных импульсов не изменяется. Определите предельную частоту (fпред), до которой сохраняется нормальная
работа одновибратора. Укажите её также на рис.3.11.8 и определите время
релаксации tр.

Рис. 3.11.5

Рис. 3.11.6

Рис. 3.11.7

tи = ………….мс
fпред = ………кГц
tр = 1/fпред – tи
    = ………………мс

Рис. 3.11.8

3.12.
Ознакомление с работой RS-триггера,
мультивибратора и одновибратора на транзисторах
Общие сведения
Триггер представляет собой электронную схему, имеющую два
устойчивых состояния. Каждому из этих состояний ставится в соответствие
логическое значение Q=1, если на выходе высокое
напряжение и Q = 0, если на выходе низкое напряжение .
Переход из одного состояния в другое и обратно совершается под действием
специальных запускающих импульсов. Триггеры относятся к логическим элементам,
которые могут играть роль элементарного автомата, реле, порогового устройства,
запоминающего устройства. На базе триггеров могут быть построены генераторы
импульсов, реле времени и другие устройства. Преимущественное распространение
получили полупроводниковые триггеры типов RS, JK, T, и D.
Практически все триггеры
строятся на базе RS-триггера, имеющего два
входа: S (от английского
термина set – установка)
и R (reset – сброс) и два выхода: Q – прямой
выход и  –
инверсный выход. Схема простейшего RS-триггера
показана на рис. 3.12.1. Он состоит из двух транзисторов (усилителей),
охваченных положительной обратной связью по напряжению. При включении питания
один из транзисторов (допустим VT1) оказывается
закрытым, а второй (VT2) – открытым. Тогда
выходное напряжение Uвых1 подаётся на
базу транзистора VT2, удерживая его в
открытом состоянии. Значения логических величин при этом Q = 1 (есть напряжение на выходе 1) и  = 0 (нет напряжения на
выходе 2).
Для переключения триггера в другое устойчивое состояние
необходимо подать положительный запускающий импульс на базу закрытого
транзистора VT1 (Uвх1),
тогда он открывается, напряжение Uвых1
становится близким к нулю, оно подаётся на базу VT2
и он закрывается. Появляется высокое напряжение Uвых2,
которое, в свою очередь, подаётся на базу транзистора VT1,
удерживая его в открытом состоянии и после исчезновения запускающего импульса.
Логически выходные величины принимают значения: Q
= 0,  = 1.
В рассмотренной простейшей схеме одновременная подача
запускающих импульсов на оба входа может привести как к переключению триггера,
так и к сохранению прежнего состояния. Чтобы избежать такой неопределённости
и  получить некоторые новые свойства, как, например, установка и сброс по
одному и тому же входу приходится усложнять схему запуска (JK,
T и D-триггеры).
Если резистивные обратные связи в RS-триггере
заменить резистивно-ёмкостными, то можно получить триггер, автоматически
переключающийся из одного состояния в другое с определённой частотой. Он
называется мультивибратором. Если только одну резистивную обратную связь
заменить ёмкостной, то получится триггер, который после подачи запускающего
импульса переключится во второе состояние только на ограниченное время. Затем
он автоматически возвращается в исходное состояние (одновибратор или реле
времени).
Экспериментальная часть
Задание

Пронаблюдать за переключением RS-триггера
при подаче сигналов на его входы, Определить экспериментально частоту
переключений мультивибратора и исследовать влияние на неё величины ёмкостей в
обратных связях, Исследовать влияние ёмкости обратной связи на длительность
выходного импульса одновибратора.
Порядок выполнения
эксперимента

·
Соберите цепь RS-триггера, принципиальная
схема которого показана на рис. 3.12.2, а монтажная – на рис. 3.12.3. В схему
включены светодиод для индикации открытого состояния транзистора VT1 и сигнальная лампа для индикации открытого состояния VT2.

Рис. 3.12.2

·
Включите генератор напряжений и по свечению лампы или светодиода
убедитесь, что один транзистор открылся, а другой остался закрытым.
·
Подайте напряжение через сопротивление 22 кОм на базу закрытого
транзистора и убедитесь, что он открылся, а другой транзистор закрылся.
Убедитесь, что состояние триггера не изменяется и после снятия управляющего
напряжения с базы открытого транзистора и при повторной подаче импульса
напряжения на открытый транзистор.
·
Убедитесь, что состояние триггера изменяется только после подачи
импульса напряжения на другой вход, т.е. на базу закрытого транзистора.
·
Соберите схему мультивибратора (рис. 3.12.4 и 3.12.5).

Рис. 3.12.3

·
Включите питание, настройте осциллограф, определите по нему и
запишите в табл. 3.12.1:
 - период колебаний                            Т = …………..мс;
 - время наличия сигнала на первом выходе (Uвых1)
Т11 = ……………мс;
 - время отсутствия сигнала на первом выходе                        Т01
= …………….мс;
 - время наличия сигнала на втором выходе (Uвых2)
    Т12 = ……………мс;
 - время отсутствия сигнала на втором выходе                         Т02=
…………….мс;
·
Замените конденсатор С2 = 047 мкФ на С2 = 1 мкФ и
запишите в таблицу 3.12.1 новые значения тех же отрезков времени. Сделайте
выводы.
Таблица 3.12.1

Т, мс

Т11,
  мс

Т01,
  мс

Т12,
  мс

Т02,
  мс

С1 = С2 = 0,47 мкФ

С1 = 0,47 мкФ, С2 = 1 мкФ

·
Замените конденсатор С1 и С2 на электролитические
конденсаторы 470 и 100 мкФ соответственно (+ конденсаторов подключите
к коллекторам транзисторов!) и понаблюдайте за переключением
мультивибратора по миганию светодиода и сигнальной лампочки.

Рис. 20.4

Рис. 3.12.5

·
Соберите теперь схему ждущего одновибратора (Рис. 3.12.6 и 3.12.7).
Включите питание и убедитесь, что светодиод включился, а лампочка не
включилась.
·
Кратковременно коснитесь наконечником провода А гнезда Б,
соединённого с базой транзистора VT2 и
убедитесь, что светодиод погас, а сигнальная лампочка включилась. Через
некоторое время схема вернётся в первоначальное состояние.

Рис. 3.12.6

Рис. 3.12.7

3.13.
Исследование аналоговых интегральных компараторов
 и цепей с ними
Общие сведения
Компаратор – это устройство сравнения двух аналоговых
сигналов – входного (анализируемого) Uвх
и опорного Uоп. Выходной сигнал
компаратора представляет собой логический сигнал, содержащий 1 бит (единицу)
информации. Он определяется по следующему правилу:

В качестве компаратора может быть использован и обычный
операционный усилитель. Преимуществами интегрального компаратора являются
повышенное быстродействие, малый дрейф и малое смещением нуля. Его входной
каскад обладает большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала и
способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные напряжения на
входах, не попадая в режим насыщения. Выходной сигнал в большинстве
компараторов снимается с «открытого» коллектора. В данной работе используется сдвоенный
компаратор с открытыми коллекторами в выходном каскаде на интегральной
микросхеме LM393.
Компараторы имеют многочисленные применения в электронных
цепях, из которых в данной работе рассматриваются двухпороговый компаратор,
мультивибратор и широтно-импульсный модулятор.
Двухпороговый компаратор (или компаратор с «окном»)
фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя пороговыми напряжениями
или находится вне этого диапазона. На рис. 3.13.1 представлены схема,
передаточная характеристика и временная диаграмма работы такого устройства при
изменении входного напряжения.

Рис. 313.1

Пока Uвх < U2 < U1,
компаратор Кмп1 находится в состоянии 0 (выходной транзистор
открыт), а компаратор Кмп2 – в состоянии 1 (выходной
транзистор закрыт). Но так как выходы объединены, то общий выход будет 0. Когда
U2 < Uвх
< U1 оба компаратора находятся в
состоянии 1 (оба выходных транзистора закрыты) и на выходе цепи появляется напряжение,
равное напряжению питания (состояние 1). Наконец, когда U2 < U1
< Uвх, Кмп1 остаётся
в состоянии 1, а Кмп2 переходит в состояние 0, и объединённый
выход становится равным 0.
Автоколебательный мультивибратор. Схема
автоколебательного мультивибратора на компараторе с односторонним питанием
приведена на рис. 3.13.2а. Выходная частота определяется постоянной времени RC, а ширина петли гистерезиса устанавливается соотношением
сопротивлений R1, R2, и R3.
Пусть в исходном состоянии напряжение на выходе
мультивибратора равно напряжению питания (выходной транзистор закрыт). Примем
также R1 = R2
= R3. Тогда напряжение на
неинвертирующем входе U1 = 2Uпит/3 и конденсатор С заряжается через
резистор R (рис.3.13.2б). Когда конденсатор зарядится
до напряжения U1, выход
компаратора переключится, и конденсатор начнёт разряжаться. Когда напряжение на
нём уменьшится до значения U2 = Uпит/3, выход компаратора переключится в
исходное состояние.

Рис. 3.13.2

Для приведённой схемы при R1
= R2 = R3
время заряда, как и время разряда конденсатора, находится из уравнения

С учётом того, что U1
= 2U2 получим T
= 1,386RC.
Широтно-импульсный модулятор. Простейшая схема
широтно-импульсного модулятора на копараторе (рис. 3.13.3а) получается из схемы
автоколебательного мультивибратора добавлением цепи управления (Uу, Rу).
При увеличении напряжения управления длительность импульсов (tи) уменьшается, а пауза (tп)
возрастает. При этом скважность (относительная длительность импульсов)увеличивается по линейному закону
(рис. 3.13.3б). Однако, изменяется и частота следования следования импульсов . Если R1
= R2 = R3,
то она имеет максимальное значение при Uу @ Uпит/2.
При уменьшении Rу чувствительность
схемы увеличивается.

Рис. 3.13.3
Экспериментальная часть
Задание

Снять передаточную характеристику  и временные диаграммы
работы двухпороговго компаратора. Определить пороговые напряжения.
Экспериментально определить период колебаний
мультивибратора и сравнить его с расчётным значением.
Снять графики зависимости скважности и частоты
широтно-импульсного модулятора от управляющего напряжения.
Порядок выполнения
экспериментов

·
Соберите цепь двухпорогового компаратора (рис. 313.1 и 3.13.4). Резистор
1 кОм и диод на входе компаратора служат для исключения подачи
отрицательного напряжения на вход.
·
Включите блок генераторов напряжений и осциллограф. Установите на
выходе генератора напряжений специальной формы треугольное напряжение
максимальной амплитуды частотой, например, 1 кГц.
·
Получите на осциллографе примерно 1 период входного и выходного
напряжений и перерисуйте осциллограмму на рис. 3.13.7а.
·
Включите режим Х-Y осциллографа
и перерисуйте передаточную характеристику компаратора на рис. 3.13.7б. Укажите
масштабы по осям и определите пороговые напряжения компаратора U1 и U2.
·
Соберите цепь автоколебательного мультивибратора (рис. 3.13.2 и
3.13.5).
·
Настройте осциллограф и перерисуйте кривые напряжений на
конденсаторе и на выходе схемы (рис. 3.13.8).
·
Определите по осциллограмме период колебаний  (Тэксперим)и
сравните его с рассчитанным значением (Трасч).
·
Измените цепь для получения широтно-импульсного модулятора (рис.
3.13.3 и 3.13.6). Диод в цепи управления установлен для исключения подачи
отрицательного напряжения на вход.
·
Включите блок генераторов напряжения и настройте осциллограф.
·
Изменяя напряжение в цепи согласно табл. 3.13.1 измеряйте с
помощью осциллографа длительности импульса, паузы и периода и записывайте
значения в таблицу.
·
Рассчитайте частоту, скважность, и на рис. 3.13.9 постройте
графики g(Uу)
и f(Uу).

Таблица 3.13.1

Uупр, В

Tи, мс

Tп, мс

T мс

f, кГц

g, мс

2

3

4

6

8

10

11

12

13

Рис. 3.13.4

Рис. 3.13.5

Рис. 3.13.6

Рис. 3.13.7

Рис. 3.13.8

Рис. 3.13.9

3.14.
Исследование аналогового таймера на интегральной микросхеме
в автоколебательном и ждущем режимах
Общие сведения
Таймерами называют устройства для точного задания
временных интервалов. По количеству областей применения они могут конкурировать
с компараторами, триггерами и даже с операционными усилителями. В данной работе
используется аналоговый таймер на интегральной микросхеме NE555.
Его типовая схема включения для ждущего режима вместе с функциональной внутренней
схемой и представлена на рис.3.14.1а.

Рис.3.14.1

Основой таймера является двухпороговый компаратор и
триггер. Один из входов каждого компаратора подключён к делителю напряжения из
трёх одинаковых резисторов R. Два пороговых
напряжения компаратора составляют 2Uпит/3
и Uпит/3. Триггер управляет
двухтактным выходным каскадом на транзисторах VT1
и VT2. Кроме того, инверсный вход триггера
управляет разрядным ключом на транзисторе VT3.
Триггер имеет вход «Сброс». При наличии на входе «Сброс» сигнала низкого уровня,
на выходе таймера устанавливается также низкий уровень независимо от сигнала на
входах триггера (таймер заблокирован). Пороговое напряжение компаратора Кмп2
может быть изменено подачей на него опорного напряжения от внешнего источника.
Обычно к этому входу подключают конденсатор, сглаживающий помехи, приходящие по
цепи источника питания.
В режиме ожидания на вход «Пуск» подаётся сигнал высокого
уровня больше Uпит/3
(рис.3.14.б). Триггер находится в состоянии Q = 0,
. При этом транзисторы VT2 и VT3 открыты,
напряжение на выходе таймера близко к нулю и времязадающий конденсатор Сt разряжен. При кратковременном уменьшении входного
сигнала UВХ на выходе компаратора Кмп2
кратковременно устанавливается логический 0, триггер переключается в состояние Q = 1, , транзисторы  VT2 и VT3 закрываются,
транзистор  VT1 открывается, и конденсатор
начинает заряжаться. Когда напряжение на нём достигнет значения 2Uпит/3 компаратор Кмп1
переключится и переведёт триггер в исходное состояние. Конденсатор Сt почти мгновенно разрядится
через транзистор VT3.

Длительность выходного импульса
напряжения определяется выражением

Запускающие импульсы в данной работе получаются от
генератора прямоугольного однополярного напряжения с помощью цепочки,
изображенной на рис. 3.14.2.
Схема автоколебательного мультивибратора и
временные диаграммы его работы приведены на рис.3.14.3. Триггер переключается
всякий раз, когда напряжение на конденсаторе достигает одного из порогов
переключения двухпорогового компаратора.

Рис. 3.14.3

Заряд конденсатора происходит через сопротивления R1 и Rt,
соединённые последовательно, а разряд – через сопротивление Rt и транзистор VT3. Поэтому длительность импульса в этой схеме всегда больше
длительности паузы. Они определяются соответственно из выражений:

Причём, сопротивление R1
нельзя выбирать слишком маленьким, чтобы не перегрузить открытый во время паузы
транзистор VT3. Коэффициент заполнения (скважность
выходных импульсов) в этой схеме
g = tи/(tи = tп)³0,5.

Задание

Измерить с помощью осциллографа длительность выходного
импульса напряжения таймера в ждущем режиме и сравнить её с расчётным
значением.
Снять с помощью осциллографа временные диаграммы работы
таймера в автоколебательном режиме, определить длительности импульса и паузы,
сравнить их с расчётными значениями.

Порядок
выполнения эксперимента

·
Соберите цепь таймера в ждущем режиме согласно монтажной схеме (рис.
3.14.4). В этой схеме объединены собственно схема включения таймера (рис.
3.14.1) и схема запуска (рис. 3.14.2). На входе установите прямоугольный
однополярный сигнал максимальной амплитуды, частотой, например 500 Гц.
·
Включите блок генератора напряжений и настройте осциллограф.
·
Изменяя частоту вверх и вниз от начального значения, проследите,
изменяется ли длительность импульса. Определите максимально возможную частоту
следования импульсов в данной схеме. Объясните, чем она ограничивается.
·
При одном из значений частоты входного напряжения перерисуйте
осциллограммы на рис. 3.14.6, укажите масштабы и определите длительность
импульса.
·
Замените резистор Rt одним из ближайших номинальных значений и уясните, как
он влияет на длительность импульса. Проделайте то же самое с конденсатором Сt.

Рис. 3.14.4

·
Соберите цепь таймера в автоколебательном режиме (рис. 3.14.3 и
3.14.5).
·
Включите питание, настройте осциллограф  и перерисуйте
осциллограммы на рис. 3.14.7. укажите масштабы и определите длительности
импульса (tи), паузы (tп) и коэффициент заполнения (g).
·
Замените резистор Rt одним из ближайших номинальных значений и уясните, как
он влияет на длительность импульса и паузы. Проделайте то же самое с резистором
R1 и конденсатором Сt.

Рис. 3.14.5

Рис. 3.14.6

Рис. 3.14.7

4.
Cтабилизаторы и вторичные источники питания
4.1.
Исследование однополупериодной и мостовой схем выпрямления
Общие сведения
В цепи с полупроводниковым диодом (рис. 4.1.1)
установившийся ток может протекать только при определенной полярности
приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения  диод
запирается и ток прекращается. В результате при синусоидальном приложенном
напряжении uвх в нагрузке протекает
пульсирующий ток одного направления. Такую же форму имеет и выпрямленное
напряжение на нагрузке ud. Для
уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры.
Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке. Тогда
при открытом состоянии диода конденсатор заряжается, а при закрытом –
разряжается на нагрузку. Ток и напряжение на нагрузке становятся непрерывными,
пульсации уменьшаются, и увеличивается среднее значение напряжения на нагрузке.
Кривая ud(t)
для этого случая показана на рис.4.1.1 пунктиром.

Рис.4.1.1

            При исследовании
выпрямителей применяются следующие обозначения:

uвх, Uвх Uвхmax— мгновенное, действующее
     и амплитудное значения синусоидального входного напряжения;
ud, Ud, Udmax, Udmin —
     мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного
     (выпрямленного) напряжения;
Umax~ - амплитуда переменной  составляющая
     выпрямленного напряжения, которая в первом приближении может быть
     определена их графика (рис.15.1):

;

fп
     — частота пульсаций выходного напряжения;
m = fпульс / fвх
— число пульсаций выпрямленного напряжения за один период
     напряжения питания;
 —
     коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.

В
однополупериодном выпрямителе без фильтра:

Двухполупериодный мостовой выпрямитель состоит из четырёх
диодов, (рис. 4.1.2). При положительном полупериоде входного напряжения диоды
Д2 и Д4 открыты и через них течёт ток в нагрузку. Диоды Д1 и Д3 в этот момент
закрыты. При отрицательном полупериоде диоды Д2 и Д4 закрываются, но
открываются диоды Д1 и Д3 пропуская ток в нагрузку в том же направлении. По
сравнению с однополупериодным выпрямителем в двухполупериодном  в два раза
увеличивается постоянная составляющая выпрямленного напряжения и в два раза увеличивается
частота пульсации, что облегчает задачу сглаживания пульсаций фильтрами.

Рис.15.2
В двухполупериодном выпрямителе без фильтра:

Экспериментальная часть
Задание

Исследовать экспериментально основные параметры
однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
Порядок выполнения
эксперимента

Соберите цепь согласно
     принципиальной схеме (рис. 4.1.3.3)  и монтажной (рис. 4.1.4) сначала без
     сглаживающего фильтра (С=0). Включите мультиметры: V1
     – для измерения действующего значения синусоидального напряжения, V2 – для измерения постоянного напряжения.
Включите и настройте
     осциллограф. Установите развертку 5 мс/дел.
Сделайте измерения и запишите в
     табл. 4.1.1. значения: UВХ  - по мультиметру V1, Ud
 - по мультиметру V2 , Udмах  и Udmin - по осциллографу, m = fпульс / fвх.
Рассчитайте и запишите в табл. 15.1
     значения Ud / UВХ,
      Umax~  и  kпульс.

Рис.4.1.3

Рис. 4.1.4

Параллельно нагрузочному
     резистору RН подключите сглаживающие конденсаторы C
 c емкостями,
     указанными в табл. 4.1.1 (не ошибитесь с полярностью при подключении
     электролитических конденсаторов!), повторите измерения и вычисления.

Таблица 4.1.1

C, мкФ

0

1

10

100

UВХ, В

Ud, B

Udмах , В

Udmin , В

m

Ud / UВХ

Umax~

kпульс

·
Соберите цепь двухполупериодного мостового выпрямителя (рис. 4.1.5),
повторите все измерения и вычисления. Результаты сведите в табл. 4.1.2.

Рис.4.1.5
Таблица 4.1.2

C, мкФ

0

1

10

100

UВХ, В

Ud, B

Udмах , В

Udmin , В

m

Ud / UВХ

Umax~

kпульс

4.2.
Исследование трёхфазной мостовой схемы выпрямления
и сглаживающих фильтров
Общие сведения
Потребители
большой мощности питаются выпрямленным трехфазным переменным током. Несколько
большая в сравнении с однофазным выпрямителем стоимость трехфазного выпрямителя
многократно окупается за счет более простого сглаживания выходного напряжения.
Чаще всего
используется мостовая схема выпрямления трёхфазного напряжения (рис. 4.2.1а).
Она состоит из 6 вентилей (полупроводниковых диодов) и питается линейными
напряжениями трёхфазного источника. На рис. 4.2.1б показаны кривые фазных напряжений
источника питания uA, uB, uC и кривая выпрямленного напряжения ud. Выпрямленное напряжение образуется разностью фазных напряжений,
т.е. линейными напряжениями. В нечётной группе вентилей в открытом состоянии
находится тот вентиль, у которого на аноде положительное наибольшее напряжение,
а в чётной –  тот вентиль, у которого на катоде отрицательное наименьшее напряжение.
Разность наибольшего положительного напряжения и наименьшего отрицательного
напряжения и есть выпрямленное напряжение на выходе трёхфазного моста. Эта
разность на рис. 4.2.1б заштрихована. Так на отрезке 30o<wt<150o открыт диод Д1, так
как напряжение uA на этом отрезке имеет
наибольшее значение. В чётной группе вентилей  на отрезке 90o<wt<240o открыт диод Д2, так
как у него на катоде напряжение uC  имеет наименьшее значение. При wt=150o диод Д1 закрывается и
открывается диод Д3, а при wt=240o закрывается диод Д2
и открывается Д4. На рисунке 4.2.1в показаны графики токов в диодах.
Средняя величина выпрямленного
напряжения в трёхфазном мосте

Амплитуда пульсаций

Коэффициент пульсаций
;
Частота пульсаций  m = fпульс / fвх=6.
Для сглаживания пульсаций применяются ёмкостный,
индуктивный или индуктивно-ёмкостный фильтры. Ёмкостный фильтр эффективен,
когда ток нагрузки невелик, т.е. сопротивление нагрузки велико по сравнению с
ёмкостным сопротивлением фильтра. Индуктивный фильтр, наоборот, эффективен при
больших токах, когда сопротивление нагрузки мало по сравнению с индуктивным
сопротивлением фильтра. Смешанный индуктивно-ёмкостный фильтр хорошо сглаживает
в широком диапазоне изменения нагрузки: при малых токах сглаживание происходит
в основном за счёт ёмкости, а при больших за счёт индуктивности.

Рис. 4.2.1
Экспериментальная часть
Задание

Выпрямить выходное напряжение трехфазного источника
посредством трехфазного мостового выпрямителя (так называемая схема Ларионова).
Измерить параметры выпрямителя и сравнить с параметрами однофазных
выпрямителей. Исследовать влияние индуктивного, ёмкостного и
ёмкостно-индуктивного фильтров на форму выпрямленного напряжения при различных
сопротивлениях нагрузки.

Порядок выполнения
эксперимента

Соберите цепь трехфазного
     мостового выпрямителя согласно принципиальной схеме (рис.4.2.1а) и
     монтажной схеме (рис. 4.2.2.б), На схеме V1 – мультиметр
     для измерения действующего значения синусоидального напряжения V2 — мультиметр для измерения постоянного
     (выпрямленного) напряжения. Сопротивление нагрузки Rн состоит из двух последовательно
     соединённых резисторов - постоянного 100 Ом и переменного 1000 Ом и в
     первом опыте может быть любым от 100 до 1100 Ом. В качестве индуктивности
     используйте катушку трансформатора 900 витков, вставив между половинками
     сердечника полоски обычной писчей бумаги в один – два слоя, чтобы в
     магнитопроводе образовался немагнитный зазор. В первом опыте С=0 и L=0 (на монтажной схеме конденсатор отсутствует, а
     перемычка П1 находится в исходном положении, показанном сплошной линией).
     Для наблюдения формы выпрямленного напряжения в схему включён осциллограф.
Подайте на вход схемы
     переменное трехфазное напряжение максимальной величины, которую может дать
     источник, включите осциллограф и установите развертку 5 мС/дел,
     отрегулируйте усиление.

Рис. 4.2.2

Сделайте измерения и запишите в
     табл. 4.2.1. значения: UВХ — действующее (по вольтметру V1), Ud — среднее
     (по вольтметру V2), (по
     осциллографу), m = fпульс
     / fвх. Попробуйте изменять
     сопротивление нагрузки, вращая влево и вправо ручку потенциометра.
     Проследите, меняется ли при этом величина и форма выпрямленного
     напряжения. Объясните результаты.
Рассчитайте и запишите в табл. 4.2.1
     коэффициенты Ud
     / UВХ и kпульс.
Параллельно нагрузочному
     резистору RН подключите конденсатор 100 мкФ, как
     показано на монтажной схеме пунктирной стрелкой (при этом не
     перепутайте полярность!).

Таблица 4.2.1

UВХ, В

Ud,
  B

, В

m

Ud
  / UВХ

kпульс

Изменяя
     сопротивление нагрузки от 100 до 1100 Ом и наоборот, пронаблюдайте на
     осциллографе за изменением формы выпрямленного напряжения и сделайте
     вывод.
Уберите из схемы
     конденсатор и включите индуктивность. Для этого переставьте перемычку П1
     как показано пунктирной стрелкой. Опять изменяя сопротивление нагрузки от
     100 до 1100 Ом, проследите за изменением формы выпрямленного напряжения.
Наконец включите в
     схему и катушку и конденсатор и повторите ещё раз опыт с изменением
     сопротивления нагрузки.
По результатам
     последних опытов ответьте на контрольные вопросы.

Вопрос 1: Какова частота
пульсаций выходного напряжения uВЫХ трехфазного выпрямителя с
нулевым выводом?
Ответ: ...........................

Вопрос 2: Как влияет сопротивление нагрузки на
величину и форму выходного напряжения выпрямителя без сглаживающего фильтра ?
Ответ: ...........................

Вопрос 3:
Ответ: Как влияет сопротивление нагрузки на величину
и форму выходного напряжения выпрямителя с ёмкостным фильтром ?.с индуктивным
фильтром? С ёмкостно-индуктивным фильтром?...........................
Ответ: ............................

4.3.
Ознакомление с  принципом построения управляемых выпрямителей и
тиристорных регуляторов с фазовым управлением
Общие сведения
Принцип действия тиристорного управляемого
однополупериодного выпрямителя поясняется на рис. 4.3.1. Цепь, состоящая из последовательно
соединённых тиристора и нагрузки, питается от источника синусоидального
напряжения.

Рис. 4.3.1

На отрезке времени от wt =0 до wt= a несмотря
на положительное напряжение на аноде тиристора (uA), он остаётся закрытым, так как нет напряжения на
управляющем электроде. В момент времени wt= a на
управляющий электрод тиристора подаётся короткий управляющий импульс от системы
импульсно-фазового управления (СИФУ) и тиристор открывается. Он остаётся
открытым в течение отрезка времени q,
т.е. до перехода приложенного к тиристору напряжения через ноль. Отрицательную
полуволну тока тиристор не пропускает, и процесс повторяется на следующей
положительной полуволне приложенного напряжения. Регулируя угол управления a, можно изменять время
включённого состояния тиристора и, следовательно, среднее значение
выпрямленного напряжения.
На практике используются двухполупериодные и многофазные
управляемые выпрямители на тиристорах, собранные по нулевым или мостовым
схемам. Однако и с помощью одного тиристора возможно регулирование напряжения,
создаваемого неуправляемым двухполупериодным выпрямителем (рис. 4.3.2).

Рис. 4.3.2

В этой схеме на нагрузку, соединённую последовательно с
тиристором, подаётся пульсирующее напряжение от двухполупериодного выпрямителя.
Тиристор открывается импульсом управляющего напряжения от СИФУ, а закрывается
при снижении тока в нагрузке до значения ниже тока удержания. Однако в этой
схеме не при всех параметрах цепи удаётся обеспечить восстановление запирающих
свойств тиристора на маленьком отрезке времени между выключением тиристора и
очередным появлением на нём положительного напряжения. Тогда он оказывается открытым
постоянно, и регулирование напряжения становится невозможным.
Для регулирования переменного напряжения последовательно с
нагрузкой соединяются два встречно-параллельно включённых тиристора, либо один
тиристор включается в диагональ выпрямительного моста на диодах, а нагрузка –
со стороны переменного напряжения (рис. 4.3.3). В этом случае через
сопротивление нагрузки протекает знакопеременный ток и напряжение на нагрузке
пропорционально току. Действующие значения тока и напряжения на нагрузке
зависят от угла управления a.

Рис. 4.3.3

Важной характеристикой тиристорных регуляторов является
зависимость выходного напряжения от угла управления, т.е. регулировочная
характеристика.
В данной работе используется миниблок «Фазовое управление
тиристора», в котором смонтирован тиристор вместе с системой импульсно-фазового
управления (СИФУ). Миниблок имеет три вывода: анод, катод и управляющий
электрод. Последний нужен лишь для наблюдения управляющих импульсов с помощью
осциллографа.

Экспериментальная часть
Задание

С помощью осциллографа и мультиметра снять
экспериментально регулировочные характеристики однополупериодного  и
двухполупериодного управляемых выпрямителей, пронаблюдать на осциллографе за
изменением напряжения на выходе тиристорного регулятора переменного напряжения.
Порядок выполнения
эксперимента
·
Соберите цепь однополупериодного выпрямителя на тиристоре
согласно монтажной схеме (рис. 4.3.4) и установите максимальную амплитуду напряжения
трёхфазного источника, от которого питается цепь. В качестве нагрузки в цепь
включена лампочка накаливания и токоограничивающее сопротивление 100 Ом. Для
наблюдения кривой выпрямленного напряжения и измерения угла задержки включения
тиристора a параллельно нагрузке подключён осциллограф, а для измерения
среднего значения выпрямленного напряжения – вольтметр.
·
Включите питание, мультиметр, осциллограф и установите развёртку
2 мс/дел. и усиление по вертикали 5 В/дел.
·
Изменяя угол задержки включения тиристора регулятором на
миниблоке, убедитесь, что изменяется форма выпрямленного напряжения и его
среднее значение (по мультиметру и свечению лампочки).

Рис.
4.3.4

·
Устанавливая различные углы задержки a, указанные в табл. 4.3.1, снимите регулировочную
характеристику однополупериодного выпрямителя Uср(a). Постройте график этой
характеристики на рис. 4.3.7.
Примечание: Для установки угла a руководствуйтесь следующими
соображениями. При длительности развёртки 2 мс/дел. полпериода
синусоиды (180о) составляет 5 делений сетки осциллографа. Следовательно,
18о соответствует половине деления, 36о соответствует одному
делению, 72о – двум делениям, и т.д. Кроме того, по сетке
осциллографа легче «отсчитывать» не угол a, а дополнительный до 180о угол q (см.
рис. 4.3.1)
·
Измените схему как показано на рис. 4.3.5 (двухполупериодный
выпрямитель с тиристорным регулятором).
·
Убедитесь, что цепь исправна, регулируя угол задержки включения
тиристора и наблюдая за изменением формы и величины выходного напряжения.
Снимите зависимость Uср(a). Результаты представьте
также в табл. 4.3.11 и на рис. 4.3.7.
·
Соберите теперь схему регулятора переменного напряжения (рис.
4.3.6) и аналогично снимите зависимость U~(a). (Не забудьте при этом
переключить мультиметр для измерения переменного напряжения!) Постройте
график этой зависимости также на рис. 3.4.7.
Примечание: Следует иметь ввиду, что мультиметр
не предназначен для измерения действующего значения несинусоидального
напряжения. Поэтому результаты последнего опыта отражают лишь приблизительно
характер изменения U~(a).

Рис. 4.3.5

Рис. 4.3.6

Таблица 4.3.1

a, град.

Uср, В

U~

Однополупериодная
схема

Двухполупериодная
схема

Регулятор перемен-
ного напряжения

18

36

72

108

144

172

Рис. 4.3.7

4.4.
Исследование компенсационных стабилизаторов напряжения и тока
Общие сведения
Компенсационный стабилизатор напряжения (рис. 4.4.1а)
представляет собой  замкнутую систему автоматического регулирования и включает
в себя регулирующий элемент (транзистор VT),
сравнивающее устройство (операционный усилитель ОУ) и источник опорного
напряжения (стабилитрон VD). Нагрузка Rн включена последовательно с регулирующим
элементом (в цепь эмиттера).

Рис. 4.4.1

Когда выходное напряжение (Uвых)
по какой либо причине снижется, на входе операционного усилителя появляется
отрицательное напряжение ошибки. Выходное напряжение усилителя возрастает, что
приводит к увеличению тока базы. Транзистор открывается до такого состояния,
при котором напряжение на нагрузке становится равным исходному. При увеличении
выходного напряжения транзистор, наоборот, закрывается. Но если входное
напряжение (Uвх) снизится ниже
значения Uвх мин, при котором
ток в стабилитроне становится меньше минимального тока стабилизации, работа
схемы нарушается, и выходное напряжение уменьшается примерно пропорционально
входному напряжению (рис. 4.4.1б).
Для нормальной работы стабилизатора необходимо, чтобы
входное напряжение превышало выходное. Величина стабилизированного выходного
напряжения (уставка) задаётся соотношением сопротивлений делителя R1/R2.
В идеальном случае
,
где Uоп –
напряжение источника опорного напряжения (в данном случае, стабилитрона VD).
Схема компенсационного стабилизированного источника тока
показана на рис. 4.4.2а. В ней нагрузка (Rн)
также соединена также последовательно c регулирующим элементом (в цепь коллектора транзистора VT). В эмиттер транзистора включен шунт (Rш),
напряжение на котором пропорционально току нагрузки (Iн).
Сравнение этого напряжения с опорным напряжением стабилитрона происходит
непосредственно на базе и эмиттере транзистора. Уставку стабилизатора можно
изменять подбором сопротивления шунта. В идеальном случае
,
где Uоп –
напряжение источника опорного напряжения (в данном случае, стабилитрона VD), а Uбэ @ 0,5…0,8 В – прямое напряжение между базой и
эмиттером.
При уменьшении тока неважно из-за уменьшения входного
напряжения или увеличения сопротивления нагрузки напряжение на шунте
уменьшается, и разность напряжений на базе и эмиттере увеличивается. Это
приводит к увеличению тока базы и увеличению тока коллектора и эмиттера до
первоначального значения. Однако, если входное напряжение упадёт ниже значения,
при котором обеспечивается минимальный ток стабилизации стабилитрона, ток
нагрузки будет изменяться примерно пропорционально входному напряжению
(рис.4.4.2б). Работа стабилизатора нарушается также при увеличении
сопротивления нагрузки выше некоторого предельного значения.

Рис. 4.4.2
Экспериментальная часть
Задание

Снять экспериментально зависимость выходного напряжения
компенсационного стабилизатора напряжения от входного Uвых(Uвх), определить минимальное входное напряжение
Uвх.мин и выходное
напряжение стабилизации. Последнее сравнить с расчётным значением.
Снять экспериментально зависимость тока нагрузки
стабилизатора тока от входного напряжения Iн(Uвх) , определить минимальное входное
напряжение Uвх.мин
и ток стабилизации. Последний сравнить с расчётным значением.
Порядок выполнения
экспериментов

·
Соберите цепь компенсационного стабилизатора напряжения (рис.
4.4.1а и 4.4.3) с сопротивлениями делителя, указанными на монтажной схеме или с
другими по Вашему усмотрению. Нагрузку (резистор 33 Ом) пока не включайте.
Выпрямительный диод, показанный на монтажной схеме, служит для предотвращения
подачи на схему напряжения обратной полярности.
·
Включите генератор напряжений и, изменяя 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.4.4.1.
Таблица 4.4.1

UВХ, В

0

2

4

6

8

10

12

UВЫХ, В

Rн= ∞

Rн=…Ом

·
На рис. 4.4.5а постройте график Uвых
(Uвх), укажите на нём
экспериментальные значения минимального входного напряжения Uвх.мин и напряжения стабилизации Uст. Последнее сравните с расчётным выходным
значением напряжения.
·
Повторите опыт и постройте график при сопротивлении нагрузки,
например 33 Ом.

Рис. 4.4.3

·
Соберите цепь компенсационного стабилизатора тока (рис. 4.4.2а и
4.4.4) с сопротивлением шунта, например, 47 Ом, как показано на монтажной
схеме.
·
Включите генератор напряжений и, изменяя напряжение на входе
стабилизатора от 0 до максимального значения 13…14 В, снимите зависимость тока
нагрузки от входного напряжения при коротком замыкании. Результаты записывайте
в табл.4.4.2.

Таблица 4.4.2

UВХ, В

0

2

4

6

8

10

12

IВЫХ, мА

Rн= 0

Rн=…Ом

·
На рис. 4.4.5б постройте график Iвых
(Uвх), укажите на нём
экспериментальные значения минимального входного напряжения Uвх.мин и тока стабилизации Iст. Последнее сравните с расчётным выходным
током.
·
Повторите опыт и постройте график при сопротивлении нагрузки,
например 33 Ом.

Рис. 4.4.4

Рис. 4.4.5

4.5.
Испытание основных схем включения линейного интегрального стабилизатора
напряжения.
Общие сведения
На рис. 4.5.1а представлена типовая схема включения
стабилизатора напряжения с фиксированным выходным напряжением на интегральной
микросхеме L7805 (отечественный аналог 142ЕН5А).
Источником входного напряжения Uвх обычно
является простой источник питания, выполненный по схеме «трансформатор –
неуправляемый выпрямитель - сглаживающий фильтр». Керамические конденсаторы С1
и С2 включают для повышения устойчивости стабилизатора (исключения
самовозбуждения).

Рис. 4.5.1

В стабилизаторах с фиксированным выходным напряжением
имеется возможность его увеличения, и даже регулирования в некоторых пределах.
Для этого в цепь стабилизатора включают стабилитрон как показано на рис.
4.5.1б. При этом выходное напряжение повышается на величину напряжения
стабилизации стабилитрона Uст. Для
регулирования выходного напряжения на общий вывод микросхемы нужно подать
регулируемое напряжение с делителя (желательно через эмиттерный повторитель для
уменьшения влияния сопротивления делителя на ток внутренних цепей управления
микросхемы).
На рис. 4.5.3 показана схема источник стабилизированного
тока. На добавочном резисторе R
микросхема поддерживает номинальное выходное напряжение (в данном случае
5 В). Поскольку ток через общий вывод 3 микросхемы невелик, через нагрузку
будет протекать такой же ток, как и через сопротивление R,
т.е. Iн = Uвых
ном/R независимо
от сопротивления нагрузки.

Рис. 4.5.2
Экспериментальная часть
Задание

Испытать три рассмотренные схемы стабилизации. В первых
двух схемах снять зависимости Uвых (Uвх), в третьей – Iн
(Uвх). Уяснить влияние ёмкостей С1
и С2, а также сопротивления нагрузки на выходные величины.
Порядок выполнения
эксперимента

·
Соберите цепь согласно монтажной схеме (рис. 4.5.3). Схема
состоит из трёх блоков: мостовой выпрямитель с ёмкостным сглаживающим фильтром
(С = 100 мкФ), собственно стабилизатор напряжения (микросхема L8505
с конденсаторами C1 = 1 мкФ и С2 = 0,1
мкФ) и дополнительный источник опорного напряжения (резистор 1 кОм и
стабилитрон). На выходе схемы включено сопротивление нагрузки 220 Ом. На входе
и выходе включены мультиметры для измерения постоянных напряжений и двухканальный
осциллограф для наблюдения формы сигналов. Дополнительный источник опорного
напряжения вначале отключён, т.е. общий вывод микросхемы подключён к «-» выпрямителя.

Рис. 4.5.3

·
Включите блок генераторов напряжений и мультиметры, настройте
осциллограф.
·
Регулируя входное переменное напряжение от 0 до максимального
значения, пронаблюдайте за изменением формы входного и выходного сигналов.
Снимите зависимость Uвых (Uвх). Результаты занесите в табл. 4.5.1.
·
На рис. 4.5.5 постройте график Uвых
(Uвх).
·
Уберите из схемы и вновь включите ёмкости С1 и С2,
уясните их влияние на работу стабилизатора.
·
Уменьшите сопротивление нагрузки, например, до 47 Ом и уясните
влияние сопротивления нагрузки на работу стабилизатора. При этом во
избежание перегрева микросхемы не увеличивайте длительно входное напряжение
выше 10 В!
·
Восстановите сопротивление нагрузки 220 Ом и переключите общий
вывод микросхемы на катод стабилитрона (показано на рис. 4.5.3 пунктиром).
·
Вновь снимите зависимость Uвых
(Uвх) и постройте график на рис.
4.5.5.

Таблица 4.5.1

Uвх, В

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

(1)Uвых, В

(2)Uвых, В

Примечание: (1) – без
стабилитрона, (2) – со стабилитроном.

·
Соберите цепь стабилизатора тока (рис. 4.5.4) с добавочным сопротивлением,
например, 100 Ом и нагрузкой 33 Ом.

Рис.4.5.4

·
Регулируя входное переменное напряжение от 0 до максимального
значения, пронаблюдайте за изменением формы входного и выходного сигналов.
Снимите зависимость Iвых (Uвх). Результаты занесите в табл. 4.5.2.
·
На рис. 4.5.5 постройте график Iвых
(Uвх).
·
Замените сопротивление нагрузки 33Ом сопротивлением, например 100
Ом, повторите опыт и постройте график.

Таблица 4.5.2

Uвх, В

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Uвых, В (Rн=….Ом)

Uвых, В (Rн=….Ом)

Рис. 4.5.5

4.6.
Ознакомление с принципом действия широтно-импульсного преобразователя
постоянного напряжения
Общие сведения
Широтно-импульсный преобразователь, исследуемый в
настоящей работе, преобразует постоянное напряжение источника питания 30 В в
регулируемое постоянное напряжение от 0 до 30 В по принципу «модуляция –
демодуляция».
Его принципиальная схема приведена на рис. 4.6.1а, а на
рис. 4.6.1б – поясняющие временные диаграммы.
На инвертирующий вход
компаратора подаётся опорное напряжение uоп
треугольной формы, а на неинвертирующий вход - регулируемое
постоянное напряжение UВХ. На выходе
компаратора получаются импульсы, длительность которых зависит от постоянного напряжения
на входе компаратора, а частота следования остаётся постоянной. Импульсы подаются
на базу биполярного транзистора, который работает в ключевом режиме, включая и
выключая нагрузку. Тем самым осуществляется широтно-импульсная модуляция
второго рода (ШИМ II). Среднее напряжение на нагрузки
пропорционально отношению длительности включённого состояния к длительности
цикла: UН = UПИТTВКЛ/T.
Рис. 4.6.1

Для сглаживания пульсаций (демодуляция) используется
индуктивно-ёмкостный фильтр, вход которого зашунтирован диодом для замыкания
тока во время отключённого состояния транзистора.
Экспериментальная часть
Задание

Ознакомиться экспериментально с работой
широтно-импульсного модулятора. Снять регулировочную характеристику
широтно-импульсного преобразователя постоянного напряжения.

Порядок
выполнения экспериментов

·
Соберите на наборном поле цепь широтно-импульсного
преобразователя (рис. 4.6.2).
·
Установите на выходе генератора напряжений специальной формы
треугольное напряжение максимальной амплитуды и частоты 20…30 кГц. Ручку
регулятора постоянного напряжения -13…+13 В установите примерно в среднее
положение и включите блок генераторов напряжений.
·
Включите мультиметры и осциллограф, настройте усиление, развёртку
и синхронизацию осциллографа (от канала I). Регулируя
постоянное напряжение на входе компаратора, наблюдайте на экране осциллографа
за изменением напряжения на входе фильтра и на нагрузке.

Рис. 4.6.2

·
В среднем положении ручки регулятора перерисуйте изображение
кривых uвх(t)
и uн(t) на
рис. 4.6.3. Укажите масштабы.
·
Удалите из схемы конденсатор и уясните, как он влияет на форму
напряжения на нагрузке. Зашунтируйте индуктивность и оцените её влияние на
напряжение нагрузки.
·
Регулируя постоянное напряжение на входе компаратора, снимите
зависимость среднего значения напряжения на нагрузке от входного напряжения UН от UВЫХ
(табл 4.6.1). На рис. 4.6.4 постройте график.

Рис. 4.6.3
Таблица 1

UВХ, В

UН, В

Рис. 4

4.7.
Исследование интегрального импульсного преобразователя-стабилизатора
напряжения с частотно-импульсной модуляцией
Общие сведения
В работе исследуется импульсный стабилизатор напряжения на
интегральной микросхеме ADP1111-5. Относительная
длительность импульсов в ней регулируется путём изменения частоты следования
импульсов. Управляющие импульсы (или один импульс) вырабатываются при снижении
напряжения на нагрузке ниже заданной величины, тогда как длительность импульсов
остаётся неизменной.
Микросхема может работать в составе, как повышающего, так
и понижающего стабилизатора напряжения с индуктивным накопителем. Она имеет
фиксированное выходное напряжение 5±0,25
В. В режиме повышения напряжения входное напряжение может быть от 2 до 5 В, в
режиме понижения напряжения – не более 30 В. Выходное напряжение может быть
увеличено подключением одного добавочного резистора. В микросхеме имеется также
устройство ограничения тока через выходной транзистор (и через последовательно
включённую индуктивность) за счёт уменьшения времени включённого состояния
транзистора.
Упрощённая структура этой микросхемы показана на рис. 4.7.1.
Она содержит источник опорного напряжения (ИОН), компаратор, мультивибратор и
выходной транзистор. На один вход компаратора подаётся опорное напряжение 1,25
В, на другой – часть выходного напряжения (напряжение обратной связи UОС). Если напряжение обратной связи ниже 1,25 В
работает мультивибратор с частотой 72 кГц (скважность @50 %), и с такой же частотой включается и выключаетcя выходной транзистор. Длительность включённого состояния составляет
примерно 7mc,
время выключенного состояния также 7mc Если напряжение обратной связи ниже
1,25 В, мультивибратор не работает и транзистор остаётся закрытым.

Рис. 4.7.1

На рис. 4.7.2а показана принципиальная схема повышающего
стабилизатора напряжения с этой микросхемой, а на рис. 4.7.2б временные
диаграммы его работы. На отрезке времени от 0 до t1
транзистор открыт (UКЭ @ 0), напряжение UВХ
приложено к индуктивности, ток в ней растёт и накапливается энергия. В это
время диод заперт, и конденсатор разряжается на нагрузку. Напряжение на нём
падает.
В момент времени t1
транзистор закрывается, и индуктивный ток вынужден замыкаться через диод и
нагрузку. Конденсатор заряжается, напряжение на нём растёт, энергия магнитного
поля отдаётся в нагрузку и в конденсатор, а ток в индуктивности уменьшается. При
этом ЭДС самоиндукции катушки складывается с входным напряжением, и напряжение
на нагрузке больше входного напряжения (UКЭ
@ UВЫХ).
В момент времени t2
ток через индуктивность и диод снижается до нуля, диод закрывается, транзистор
также закрыт. При этом UКЭ @ UВХ.
Конденсатор разряжается на нагрузку и, если в момент времени t3, напряжение обратной связи окажется меньше,
чем 1,25 В, вновь подаётся отпирающее напряжение на транзистор. Цикл
повторяется. Отпирающее напряжение подаётся на транзистор даже если ток в
индуктивности и не снизился к моменту времени t3
до нуля (показано на рис. пунктиром). Если к моменту времени t3 напряжение обратной связи окажется больше 1,25
В, бестоковая пауза продлится до момента, кода оно станет меньше опорного
напряжения 1,25 В.

Рис. 4.7.2

При увеличении входного напряжения увеличивается амплитуда
импульса тока и увеличивается время бестоковой паузы. После достижения
некоторого определённого значения, импульс тока перестаёт увеличиваться, но
сокращается его длительность. Таким образом, при увеличении приложенного
напряжения сначала относительная длительность включённого состояния
регулируется увеличением периода цикла, а затем – уменьшением длительности
включённого состояния. При уменьшении тока нагрузки также увеличивается
длительность бестоковой паузы.
Выходное напряжение стабилизатора может быть увеличено.
Для этого в цепи обратной связи последовательно с сопротивлением 220 кОм (см.
рис. 4.7.1) необходимо включить добавочное сопротивление, чтобы уменьшить ту
часть выходного напряжения, которая поступает на вход компаратора для сравнения
с опорным напряжением.
Принципиальная схема понижающего стабилизатора приведена
на рис. 5.7.3а, а временные диаграммы его работы – на рис. 4.7.3б. В этой схеме
индуктивность в течение всего цикла остаётся соединённой последовательно с
нагрузкой.
На отрезке времени от 0 до t1
транзистор открыт, напряжение UВХ
приложено к нагрузке с последовательно включённой индуктивностью. Диод,
включённый параллельно этой цепи закрыт. Ток в индуктивности возрастает, и ней
накапливается энергия. Конденсатор заряжается, напряжение на нём растёт.
В момент времени t1
транзистор закрывается, и индуктивный ток вынужден замыкаться через диод и
нагрузку. Энергия магнитного поля отдаётся в нагрузку и в конденсатор, а ток в
индуктивности уменьшается. При этом нагрузка отключена от источника и напряжение
на ней равно ЭДС самоиндукции катушки.

Рис. 3
В момент времени t2
ток через индуктивность и диод снижается до нуля, диод закрывается, транзистор
также закрыт. Конденсатор разряжается на нагрузку и, если в момент времени t3, напряжение обратной связи окажется меньше,
чем 1,25 В, вновь подаётся отпирающее напряжение на транзистор. Цикл
повторяется, даже если ток в индуктивности и не снизился к этому времени до
нуля (показано на рис. пунктиром). Если к моменту времени t3
напряжение обратной связи окажется больше 1,25 В, бестоковая пауза
продлится до момента, кода оно станет меньше опорного напряжения 1,25 В.
Также как и в схеме повышающего напряжения при увеличении
входного напряжения увеличивается амплитуда импульса тока и увеличивается время
бестоковой паузы. При достижении некоторого определённого значения импульс тока
перестаёт увеличиваться, но сокращается его длительность. При уменьшении тока
нагрузки также увеличивается длительность бестоковой паузы.

Экспериментальная часть
Задание

Снять зависимость UВЫХ(UВХ) повышающего и понижающего импульсного
стабилизатора напряжения. Изучить их принцип действия по осциллограммам токов и
напряжений, исследовать влияние на них величины входного напряжения, нагрузки,
глубины обратной связи.
Порядок выполнения
эксперимента

·
Соберите цепь повышающего стабилизатора напряжения согласно
монтажной схеме (рис. 4.7.4) сначала без добавочного сопротивления в цепи
обратной связи 100 кОм, показанного пунктиром. Цепь отличается от
принципиальной схемы (рис. 4.7.2а) наличием осциллографа, шунта 1 Ом для снятия
осциллограммы тока и двух вольтметров для измерения входного и выходного
напряжений. Для уменьшения помех подсоедините оба провода от осциллографа,
связанные с корпусом («^»), как
показано на рис. 4.7.4.
·
Поверните ручку регулятора напряжения «- 13…+13 В» до конца
влево, включите генератор напряжений, осциллограф и осторожно вращая ручку
регулятора вправо, установите на входе цепи напряжение примерно 3 В. Помните,
что в крайнем правом положении на входе цепи будет напряжение около 30 В, что
приведёт к перегрузке цепи!
·
Отрегулируйте осциллограф, и, увеличивая и уменьшая напряжение на
входе примерно от 2 до 5 В, пронаблюдайте за изменением осциллограммы тока в
индуктивности iL и напряжения UКЭ. Одну из осциллограмм перерисуйте в отчёт
(рис. 4.7.5), укажите на ней масштабы по осям, а также входное напряжение UВХ, сопротивление нагрузки RН и добавочное сопротивление обратной связи
(в данном опыте RОС = 0).

Рис. 4.7.4

 UВХ =
    ……В; RН = ……Ом; RОС = 0.

Рис. 4.7.5

·
Изменяя входное напряжение от 1 до 7 В с шагом 0,5 В снимите
зависимость UВЫХ(UВХ),
результаты запишите в табл. 4.7.1 и на рис. 4.7.6 постройте график.
·
Замените сопротивление нагрузки 100 Ом сопротивлением 150 Ом и
вновь снимите и постройте график UВЫХ(UВХ).
·
Включите в цепь обратной связи добавочное сопротивление 100 кОм,
как показано на рис. 4.7.4 пунктиром и ещё раз снимите зависимость UВЫХ(UВХ)
и постройте график.

Таблица 4.7.1

RН = 100 Ом, RОС = 0

RН = 150 Ом, RОС = 0

RН = 150 Ом, RОС = 100 кОм

UВХ, В

UВЫХ, В

UВХ, В

UВЫХ, В

UВХ, В

UВЫХ, В

Рис. 4.7.6

·
Соберите теперь схему понижающего стабилизатора (рис. 4.7.7). В
ней также включено сопротивление шунта 1 Ом для подачи на осциллограф сигнала,
пропорционального току в индуктивности. На другой канал подаётся напряжение с
шунтирующего диода. Диод Шотки в этой схеме нельзя заменять диодом другого
типа, чтобы прямое напряжение на нём  не превысило допустимого для микросхемы
обратного напряжения 0,5 В на выводе 4 относительно общей точки 5.

Рис. 4.7.7

·
Поверните ручку регулятора напряжения «- 13…+13 В» до конца
влево, включите генератор напряжений, осциллограф и вращая ручку регулятора
вправо, установите на входе схемы напряжение примерно 10 В.
·
Отрегулируйте осциллограф, и, увеличивая и уменьшая напряжение на
входе примерно от 5 до 15 В, пронаблюдайте за изменением осциллограммы тока в
индуктивности iL и напряжения UД. Одну из осциллограмм перерисуйте в отчёт
(рис. 4.7.8), укажите на ней масштабы по осям, а также входное напряжение UВХ, сопротивление нагрузки RН и добавочное сопротивление обратной связи
(в данном опыте RОС = 0).

 UВХ =
    ……В; RН = ……Ом; RОС = 0.

Рис. 4.7.8

·
Изменяя входное напряжение от 1 до 14 В с шагом 1 В снимите
зависимость UВЫХ(UВХ),
результаты запишите в табл. 4.7.1 и на рис. 4.7.9 постройте график.
·
Замените сопротивление нагрузки 33 Ом сопротивлением 68 Ом и
вновь снимите и постройте график UВЫХ(UВЫХ).
·
Включите в цепь обратной связи добавочное сопротивление 100 кОм, также
как в предыдущей схеме и ещё раз снимите зависимость UВЫХ(UВХ) и постройте график.

Таблица 4.7.1

RН = 33 Ом, RОС = 0

RН = 68 Ом, RОС = 0

RН = 68 Ом, RОС = 100 кОм

UВХ, В

UВЫХ, В

UВХ, В

UВЫХ, В

UВХ, В

UВЫХ, В

Рис. 4.7.9

Контрольные вопросы
1. Как и за счёт чего изменяется относительное время
включённого состояния выходного транзистора при увеличении приложенного
напряжения ?
2. Как изменяется зависимость UВЫХ(UВХ) при увеличении и при уменьшении сопротивления
нагрузки? при увеличении сопротивления в цепи обратной связи?
3. В какой области выходной характеристики UВЫХ(UВХ)
наблюдается непрерывный ток в индуктивности?

Таблица используемых миниблоков

№ работы®

1.1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Резисторы

1 Ом

1

10 Ом

1

1

2

2

22 Ом

1

1

1

33 Ом

1

1

1

1

1

47 Ом

1

1

1

1

68 Ом

1

100 Ом

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

2

2

150 Ом

1

1

220 Ом

1

1

1

1

330 Ом

1

1

1

470 Ом

1

1

1

680 Ом

1

1 кОм

1

1

2

1

1

1

3

2

1

1

1

1

2

2

2

2

1

1

1

2,2 кОм

1

1

1

1

1

1

3,3 кОм

1

4,7 кОм

1

2

2

2

1

2

1

1

1

1

10 кОм

1

1

1

1

4

1

3

1

1

2

1

2

3

2

1

1

1

2

15 кОм

1

22 кОм

1

1

1

1

1

1

2

1

1

33 кОм

47 кОм

1

1

1

100кОм

2

1

1

2

1

1

2

1

1

1

1

1 МОм

1

№ работы®

1.1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Продолжение таблицы используемых миниблоков

№ работы®

1.1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Конден-
саторы

0,01 мкФ

1

1

1

1

1

1

0,022 мкФ

1

0,1 мкФ

1

2

1

1

1

1

0,22 мкФ

1

1

0,47 мкФ

1

1

1

2

1

1 мкФ

1

2

1

1

1

1

1

4,7 мкФ

1

10 мкФ

1

1

1

1

1

1

47 мкФ

1

100 мкФ

1

1

1

1

470 мкФ

1

1

1

Индуктив-
ности

10 мкГн

1

22 мкГн

1

47 мкГн

100 мкГн

1

1 мГн

10 мГн

1

33 мГн

1

100 мГн

1

Диоды

КД226

1

1

2

2

1

1

1

1

2

1

1

2

4

6

4

1

4

1

КД522

1

1N5819

1

1

1

1

КС456

1

1

1

1

АЛ307

1

1

КВ105А

1

Транзис-
торы

КТ502Г

1

1

КТ503Г

1

1

1

1

1

1

1

2

1

1

1

КП103Е

1

1

КП303Е

1

1

IRFD024

1

IRFD9024

№ работы®

1.1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Продолжение таблицы используемых
миниблоков

№ работы®

1.1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Тирис-
торы

КН102А

1

ВТ149

1

МАС97А6

1

Оптопары

ОЭП13

1

3ОД101Б

1

АОТ110А

1

МОС3010

1

Микро-
схемы и
устрой-
ства

К140УД608А

1

1

1

1

1

1

1

XR8038

1

LM393

1

1

NE555

1

ADP1111

1

L7805

1

«ИП»

1

1

1

1

«УКОЭ»

1

«ФУТ»

1

1

Потенци-
ометры

1 кОм

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

10 кОм

1

1

1

Лампа  накаливания СМ-10-55

1

1

1

Трансформатор 900/300 вит

1

№ работы®

1.1

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7

2.8

2.9

2.10

2.11

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

Литература

1. Горбачёв Г. Н.
Промышленная электроника: Учебник для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320
с.
2. Забродин Ю. С.
Промышленная электроника: Учебник для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1982.
3. Волович Г. И.
Схемотехника аналоговых и цифровых электронных устройств. – М.: - Издательский
дом «Додека-ХХI», 2005, - 528 с.
4. Гальперин М. В.
Электронная техника: Учебник для среднего профессионального образования. – М.:
Издательский дом «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2007. – 352 с.
5. Сиренький И. В.,
Рябинин В. В., Голощапов С. Н. Электронная техника: Учебное пособие для
среднего профессионального образования. – СПб.: Питер, 2006 – 413 с.
6. Грабовски Б. Краткий
справочник по электронике: Пер. с французского Хаванов А.В. – М.: ДМК Пресс,
2005 – 416 с.
7. Материалы сайта
«Промэлектроника» www.promelec.ru
8. Информационная электроника:
Учебное пособие к лабораторным работам / М. В. Гельман, Н. М. Сапрунова. –
Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2006. – 52 с.
9. Сапрунова Н. М. Исследование
полупроводниковых приборов: Учебное пособие к лабораторным работам. –
Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2006. – 73 с.

(10.  Панфилов В. А.
Электрические измерения: Учебник для СПУЗов. М.: Изд. центр «Академия», 2012. –
288 с.)

Скачано с www.znanio.ru

file_name: Лабораторные по ЭЛЕКТРОНИКЕ.doc

alt: Содержание Введение . 5 1

alt: Введение . 5 1. Ознакомление с комплектом типового лабораторного оборудования

alt: Введение Основными компонентами являются лабораторного оборудования «Основы аналоговой электроники»: - блок генераторов напряжений с наборным полем; - два набора миниблоков ; - блок мультиметров; -…

alt: Продолжение таблицы 1.1

alt: В, входное напряжение от - 0,3 до +36

alt: ВТ149 и генератор импульсов (рис

alt: Блок мультиметров (код 509.2)

alt: V , ~ V , - A , ~ A или

alt: Полупроводниковые приборы 1

alt: Рис.2.1.7 Из осциллограммы: время включения t вкл = ……

alt: Из осциллограммы:

alt: Рис. 2.4.6 Контрольные вопросы 1

alt: Испытание pn -переходов биполярного транзистора и снятие его выходных характеристик с помощью осциллографа

alt: Ток базы существенно меньше I

alt: Таблица 2.6.1 U КЭ ,

alt: Рис. 5.3.3 Контрольные вопросы

alt: Снятие статических характеристик полевого транзистора с p - n переходом

alt: Порядок выполнения экспериментов ·

title: Лабораторные работы по «Электронике»