Изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах

Данные методические указания издаются в соответствии с учебным планом. Рассмотрены и одобрены кафедрой ИУ-6 21,12.87г.-методической комиссией факультета ИУ 23.12.87 г. и учебно-мето-дическим управлением 08.01.88 г.

Рецензент к.т.н. доц. Меньков А.В.

Московское высшее техническое училище имена Н.Э.Баумана

Цель лабораторного практикума - изучение режимов работы диодов и транзисторов в электронных схемах, установление связи между параметрами указанных приборов и параметрами электронных схем, в которых они работают.

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ....................................... 2

Работа №1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ.................................................... 2

Работа № 2. ТРИ Схемы ВКлючения ТРАНзистора....................................... 8

Работа № 3. ключевой РЕжим РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА................................ 14

Работа №4. УНИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР В ШИРОКОПОЛОСНОМ УСИЛИТЕЛЬНОМ КАСКАДЕ С RC –СВЯЗЯМИ................................................................................................... 18

Редактор Н.Г.Ковалевская Корректор Л.И.Малютина

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчеты по проведенным лабораторным работам должны включать:

1. Наименование работы.

2. Чертеж принципиальной схемы макета лабораторной работы.

3. Дня каждого этапа выполняемой работы – наименование этапа и результаты (в форме таблиц, графиков, зарисовок осциллограмм).

4. Краткие выводы по рабе те в целом.

Работа №1. ДИОДЫ В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

Цель работы - исследование характеристик и параметров выпрямительных схем и стабилизаторов напряжения. Продолжительность работы - 3,5 часа.

Теоретическая часть

Электронные приборы и устройства требуют для своего питания стабильного напряжения постоянного тока. В большинстве практических случаев такое напряжение получают из переменного напряжения сети с помощью вторичных источников питания, включающих выпрямитель сетевого напряжения, сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения (рис. I).

Рис.1 Структурная схема вторичного источника питания

В состав выпрямителя обычно входят:

силовой трансформатор, предназначен для получения необходимых величин переменного напряжения из напряжения сети, а также для гальванической развязки с сетью;

вентильная группа (чаще всего полупроводниковые диоды), преобразующая напряжение переменного тока в пульсирующее напряжение постоянного тока;

емкостная нагрузка вентильной группы, представляющая собой конденсатор относительно большой емкости, который можно также рассматривать как простой емкостный сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя, уменьшает пульсации выходного напряжения.

Если к выходному напряжению предъявляются высокие требования по стабильности при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки, то в источник питания вводится стабилизатор напряжения.

На рис. 2а представлена схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым выпрямительным диодом V. Как известно, вольтамперная характеристика (BAX) выпрямительного диода имеет вид, представленный на рис. 3. Для упрощения практических расчетов ее часто представляют на основе кусочно-линейной аппроксимации двумя .участками прямых АВ и ВС , причем АВ идет по оси абсцисс, а наклон ВС определяется средним, прямым сопротивлением диода . С целью дальнейшего упрощения иногда принимают U_gH » 0 и тогда точка В смещается в начало координат. Как следует из такой аппроксимация ВАX, диод представляют элементом с односторонней проводимостью, его внутреннее сопротивление на участке ВА стремится к бесконечности, а на участке ВС сравнительно мало.

Рис. 2. Схемы выпрямителей: а - однополупериодного, б – двухполупериодного (мостового)

На рис. 4 приведены временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе, работающем на емкостную нагрузку. В интервале времени t₂ – t₁, соответствующем изменению фазового угла wt₂ – wt₁, диод открыт и через него протекают токи нагрузки и заряда конденсатора С . Постоянная времени заряда t_зар = С(R_H ||R_пот), где сопротивление потерь

R_пот= Rпр.ср.+Rтр (Rтр - активное сопротивление потерь трансформатора). Практически всегда R_пот £ R_H и t_зар @ С(R_H ||R_пот. В остальную часть периода диод закрыт. В течение этого времени конденсатор разряжается t_разр » С(R_H ||R_обр+R_тр)).

Поскольку у правильно выбранных диодов их обратное сопротивление R_обр³R_тр+R_H, постоянная времени разряда t_разр » СR_H и t _разр <<t_зар -т.е. процессы заряда и разряда конденсатора С идут с разной скоростью. Следовательно, появляется постоянная составляющая напряжения U_c , на диоде обратное напряжение .может достигать величины U_обр=2U_2m. Поэтому диод выбирают с U_{обр.макс}>2U_2m. Фазовый угол, в течение которого диод открыт, обозначается 2q=wt₂-wt₁, где q - угол отсечка. Чем меньше q . тем больше U₀ и меньше пульсации. Поэтому q желательно уменьшать.

В установившемся режиме площади под кривыми тока заряда конденсатора J_сз и тока разряда J_cродинаковы. Основные расчетные параметры выпрямителя являются функциями коэффициента , где m=1 для однополупериодного и m = 2 для двухполупериодного выпрямителей.

С помощью этого параметра определяют необходимые значения:

J_m - максимального импульса тока через диод;

J₂ - действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора;

E₂ - действующего значения ЭДС вторичной обмотки.

С помощью коэффициента A(q) при расчетах определяют и коэффициент пульсаций, равный отношению напряжения первой гармоники к постоянной составляющей выпрямленного напряжения U₀'

.

Выходное сопротивление , где DU₀ и DJ₀, находят по нагрузочной характеристике источника U₀=f(J₀); U₀ и J₀ - напряжение и ток нагрузки.

На рис. 26 приведена схема двухполупериодного мостового выпрямителя. Ее особенностью является то, что за период через диоды протекают два импульса тока. В одном полупериоде ток течет через диода V2 и V3 (пунктирные стрелки), в другом – через диоды V1 и V4. Частота пульсаций выше в два раза, а величина их меньше. Обратное напряжение на диодах ниже в две раза U_{обр.макс}>2U_2m по сравнению с однополупериодной схемой. Еще одной особенностью этой схемы является отсутствие в трансформаторе постоянного подмагничивания, так как ток вторичной обмотки в полупериодах протекает в противоположных направлениях.

Для уменьшения пульсации выходного напряжения между выпрямителем и нагрузкой часто включают сглаживающий фильтр. Качество сглаживания определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на его выходе

Например, простой LC -фильтр, представляющий собой последовательно о нагрузкой включенный дроссель и параллельно c нагрузкой включенный конденсатор, существенно уменьшает пульсации, поскольку для постоянной составляющей U₀ сопротивление дросселя близко к 0, а конденсатора - к бесконечности, для пульсирующей - наоборот, поэтому постоянная составляющая проходит через фильтр практически без изменений, а пульсирующая существенно уменьшается.

Использование электронного стабилизатора позволяет значительно уменьшить к_п, R_вых, а также зависимость U₀ от колебаний напряжения сети и тока нагрузки. Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации при постоянном токе нагрузки

где DU_вых - приращение U₀ при изменении U_вх  на величину DU_вх ;

U_вх.ном ; U_{вых.ном} - номинальные значения напряжений.

Рис. 5. Параметрический стабилизатор (а) и вольт-амперная характеристика стабилитрона (б)

Простейшим электронным стабилизатором является параметрический стабилизатор (рис. 5а), состоящий из балластного сопротивления R_би стабилитрона. Он устанавливается в источнике питания между нагрузкой и выпрямителем со сглаживающим фильтром, если таковой имеется. В этой схеме используется свойство обратно смещенного стабилитрона сохранять напряжение в области пробоя практически неизменным при значительных избиениях протекающего через него тока (рис. 56, обратная ветвь ВДХ стабилитрона в области U_ст). При отклонении U_вх от номинального значения почти все приращение входного напряжения падает на R_б , а выходное напряжение практически не меняется. При изменении тока нагрузки J₂ (U_вх – const) перераспределение тока между стабилитроном и нагрузкой (изменяется Jcт ) почти без изменения общего тока J₁ . Следовательно, напряжение на нагрузке остается практически постоянным. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора определяется по формуле

где r_g - динамическое сопротивление стабилитрона.

Выходное сопротивление стабилизатора R_вых=R_б||r_g»r_g так как r_g<<R_б.

Описание макета

Макет, схема которого представлена на рис. 6, включает:

- выпрямитель, который в зависимости от положения переключателя BI может работать по однополупериодной или мостовой схеме;

 - LC –фильтр /L1,C2/;

- параметрический стабилизатор /R2,V6/;'

- контрольно-измерительные приборы (I1, V2);

- дискретно изменяющуюся нагрузку (R3,R4,R5,R6);

- емкостную нагрузку (CI).

Риc.6. Схема макета лабораторной работы №1

Задание

1. Исследовать работу однополупериодной и двухполупериодной схем выпрямителя для случаев:

активной нагрузки;

емкостной нагрузки;

зарисовать форму выходного напряжения, а также форму тока, протекающего через диод.

2. Определить с помощью осциллографа угол отсечки q и коэффициент пульсаций к_п для одно- и двухполупериодной схем.

3. Исследовать сглаживающее действие фильтра LC при одно- и двухполупериодном выпрямлении. Определить коэффициенты сглаживания.

4. Отснять нагрузочные характеристики выпрямителя и определить его выходное сопротивление.

5. Подключить к выпрямителю параметрический стабилизатор, снять нагрузочную характеристику стабилизатора и определить по ней его выходное сопротивление, определить коэффициент стабилизации (схема выпрямителя мостовая, фильтр LC отключен).

kонтрольные вопросы

1. Как работают однополупериодный и двухполупериодный мостовой выпрямители?'

2. Каковы основные параметры выпрямителей?

3. На чем основана работа LC -фильтра и что такое коэффициент сглаживания?

4. Как определяется коэффициент стабилизации стабилизатора?

5. Что такое угол отсечки и как его измерить?

6. Что такое нагрузочная характеристика, как она снимается и какие параметры можно по ней определить?

7. Объясните работу параметрического стабилизатора.

8. В чем отличие работы диода в однополупериодной и двух-полупериодной мостовой схемах?

9. Чему равен угол отсечки при коротком замыкании нагрузки и при холостом ходе?

Литература

1.Иванов-Цаганов А.И. Электротехнические устройства радио-систем: Учеб. для студентов радиотехн. спец. вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1984.- 280 о., илл.