Цель работы

Целью работы является исследование характеристик одно и двухполупериодных выпрямителей, С и RC фильтров.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

2.1. Общая характеристика выпрямителей

Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное. Основные типы выпрямителей – однополупериодный и мостовой двухполупериодный.

Основными параметрами выпрямителей являются:

1. Среднее значение выпрямленного напряжения U_н.ср.

2. Частота пульсаций выпрямленного напряжения fn.

3. Максимальное значение обратного напряжения на диодах выпрямителя U_обр.м.

4. Средний за период ток вторичной обмотки трансформатора I_2ср.

5. Коєффициент пульсаций Кп – отношение амплитуды напряжения первой гармоники U_1г.м. к среднему значению выпрямленного напряжения U_н.ср.

Основные параметры выпрямителей представлены в таблице. При этом использованы следующие обозначения:

U2 – действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора (т.е. входного напряжения выпрямителя).

f_c – частота питающей сети. Для промышленной сети f_c = 50 Гц.:

Таблица

Основные параметры выпрямителей

	Uн.ср.	fn	Uобр.м.	12ср	kn
Однополупериодный	p U2	fc	U2 =p Uн.ср.	Uн.ср Rн	p/2
Двухполупериодный	2 p U2	2fc	U2 =Uн.ср.p/2		2/3

Из таблицы видно, что двухполупериодный выпрямитель обладает лучшими характеристиками по сравнению с однополупериодным.

Схема рассмотренных выпрямителей приведена на рис.1.

a)

б)

Рис. 1. Схема однополупериодного (а) и мостового двухполупериодного (б) выпрямителей.

2.2. Общая характеристика фильтров.

Фильтр – устройство для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Наиболее часто используют С и RC фильтры.

Эффективность фильтра можно определить коэффициентом сглаживания пульсаций: q = Кп.вх. / Кп.вых.

Где Кп.вх. и Кп.вых. – коэффициенты пульсаций на входе и выходе фильтра.

Схема С – фильтра показана на рис.2 на примере однополупериодного выпрямителя.

Рис.2 Схема С – фильтра.

На рис. 3 приведены диаграммы работы С – фильтра.

Рис.3 Диаграмма работы С – фильтра

В момент времени t1 напряжение U_н=U_c сравнивается с мгновенним значением напряжения U2, диод открывается и конденсатор С_ф заряжается от источника питания (интервал t1 – t2). При этом постоянная времени заряда t_э имеет вид:

t_э = С_ф * (R_д +R_тр.2) (1)

где С_ф - емкость конденсатора С_ф;

R_д - прямое сопротивление диода;

R_тр.2 – сопротивление вториичной обмотки трансформатора.

Т.к. R_д и R_тр2 имеют малую величину, заряд конденсатора до амплитудного значенияU2_м происходит быстро, но при этом в цепи диода и вторичной обмотке трансформатора возникают импульсы тока I2 = I_д.

В момент t2 напряжение U_н = U_с превышает мгновенное значение напряжения U2, диод закрывается и конденсатор С_ф разряжается, отдавая энергию в нагрузку (интервал t2 –t1). При этом напряжение U_c = U_н изменяется по закону:

U(t) = U2_м * е^-е/R_н *С_ф

Где величина R_н * С_ф = t _раз. – постоянная цепи разряда

Пульсацию напряжения DU можно определить:

DU = U2_м (1- е ^–t/R_н *С_ф )

Таким образом, нагрузка поочередно питается от источника напряжения (t1 –t2) и от кондесатора С_ф (t1 –t2) и от конденсатора С_ф(t2 –t3).

Анализируя зависимость пульсаций напряжения DU от величины С_ф и R_н можно сделать вывод, что при увеличении R_н*С_ф величина DU снижается. Наличие импульсов тока в цепи диода является существенным недостатком С – фильтра, т.к. в случае превышения максимального прямого тока диода он может выйти из строя. Для уменьшения отмеченного недостатка применяют RC – фильтр, схема которого показана на рис.4.

Рис.4 Схема RC фильтра

В отличие от С –фильтра, последовательно с нагрузкой включен резистор R_ф. При этом постоянная времени заряда увеличивается:t_зар = С_ф * (R_д + R_тр.2 + R_ф) где

R_ф - сопротивление резистора R_ф.

С_ф - емкость конденсатора С_ф;

R_д - прямое сопротивление диода;

R_тр.2 – сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Диаграмма работы такого фильтра приведена на рис.5.

Рис.5 Диаграмма работы RC –фильтра

Работа RC – фильтра аналогична предыдущему С- фильтру, но введение R_ф увеличило t_зар, уменьшило DU и снизило величину импульсов тока I_д. При этом на резисторе R_ф рассеивается бесполезная мощность. Рекомендуется выбирать:

R_ф (0,1 – 0,2) *R_н

Коэффициент сглаживания q в случае RC – фильтра можно определить выражением:

Q= 2p* f_н*С_ф*R_ф/ (I+R_ф/R_н)

2.3 Внешняя характеристика источника питания

Внешней характеристикой источника питания называется зависимость его выходного напряжения от тока нагрузки. В случае, если источник питания выполнен в виде выпрямителя и фильтра, выходные характеристики для различных схем выпрямителя и фильтров приведены на рис.6.

1 – Двухполупериодная с С фильтром

2 – Двухполупериодная без фильтра

3 – Однополупериодная с С фильтром

4 – Однополупериодная без фильтра

5 – С RC фильтром

Рис.6. Внешняя характеристика источника питания

При увеличении тока нагрузки выходное напряжение уменьшается. Степень его уменьшения характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением R_диф:

R_диф = d U_н / d I_н

где d U_н и d I_н - приращения напряжения и тока.

Причина снижения выходного напряжения – увеличение падения напряжения на обмотке трансформатора, сопротивлении диодов выпрямителя и резисторе фильтра.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1 Описание лабораторного макета.

В работе использован макет, схема которого представлена на рис.7.

Рис. 7 Схема лабораторного макета.

На передней панели макета расположены:

1.Переключатель типа выпрямителя ОДНОПОЛУПЕРИОДНЫЙ и ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ - SA1/

2.Переключатель типа фильтра С и RC - SA2.

3. Тумблер БЕЗ ФИЛЬТРА - С ФИЛЬТРОМ - SA3.

4. Резистор ТОК НАГРУЗКИ (R_н ) – регулировка тока нагрузки.

5. Тумблер НАГРУЗКА ВКЛ. - SA4 -включение нагрузки.

6. Измерительные приборы:

U - измерение напряжения на нагрузке (предел – 20 В);

мА – измерение тока нагрузки (предел – 50 мА).

7. Тумблер СЕТЬ и индикатор включения.

8. Разъём ОСЦИЛЛОГРАФ для подключения осциллографа.

3.2 Порядок выполнения работы:

1 Подключить осциллограф к соответствующему разъёму.

2 Включить макет.

3 Тумблер НАГРУЗКА ВКЛ. включить.

4 Установить режим измерений: однополупериодный выпрямитель без фильтра.

5 Получить на экране осциллографа устойчивое изображение. Определить частоту пульсаций и сравнить с ожидаемой.

6 Определить значение напряжения холостого хода U_хх .при отключенной нагрузке

7 Включить нагрузку и снять внешнюю характеристику источника питания, т.е. зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Результаты занести в таблицу.

8 Выключить нагрузку.

9 Включить С фильтр.

10 Повторить п.5,6,7,8. Определить зависимость пульсаций напряжения от нагрузки.

11 Перевести переключатель типа фильтра в положение RC.

12 Повторить п.5,6,7,8.

13 Повторить измерения для двухполупериодной схемы (без фильтра, с С фильтром, с RC фильтром).

14 Зарисовать в тетради осциллограммы напряжений однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя с фильтром и без фильтра (всего 4 сигнала).

15 По полученным данным построить на одном рисунке выходные характеристики для шести измерений и определить выходное сопротивление R_{вых.диф.}: R_{вых.диф.} = DU_вых/D1_нагр где DU_вых – измерение выходного напряжения при изменении тока нагрузки на величину D1_нагр.

16. Построить зависимости напряжения пульсации от тока нагрузки для С и RC фильтров (восемь измерений).

3.3 Оформление отчета

Отчет содержит цель работы, схему лабораторного макета, таблицы и графики внешних характеристик, осциллограммы напряжений, значения выходных сопротивлений, выводы по работе.

Литература.

1. Герасимов В.Г. Основы промышленной электроники. М Высшая школа, 1986 – 335с.

2. Прохорский А.А. Основы автоматики и телемеханики. М. Высшая школа, 1977 – 207с.

3. Конспект лекций по курсу.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА ТРАНЗИСТОРЕ

ПО КУРСУ «ОБЩИЕ ОСНОВЫ КРИОЭЛЕКТРОНИКИ»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

Целью работы является изучение усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером и фиксированным током базы, а также исследование характеристик при различных статических режимах.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.

2.1 Общая характеристика усилителей

Электронным усилителем называется устройство для увеличения тока, напряжения или мощности электрических сигналов, поступающих на его вход.

Увеличение мощности сигнала в усилителе происходит за счет преобразования энергии источника питания. Это преобразование осуществляется с помощью активных элементов (биполярных или полевых транзисторов, интегральных микросхем и др.). Входной сигнал управляет работой активных элементов.

Источники входных сигналов могут быть различные устройства: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, термопара, предыдущий усилитель и др. Сигнал поступает в усилитель через электрическую цепь, которая называется входной или входной усилителя. Электрическая цепь, в которой образуется усиленный сигнал, называется выходным или выходным усилителя. Для выделения усиленного сигнала в выходную цепь включается нагрузка, корой может быть резистор, колебательный контур, обмотка трансформатора и др. Различают нагрузки по постоянному и по переменному току. Для разделения нагрузок по постоянному и переменному токам применяются разделительные конденсаторы и трансфоматоры.

Простейший усилитель (рис.1) содержит один активный элемент. Этот элемент вместе с присоединенными к нему пассивными элементами выполняет функцию усилителя подаваемого на него электрического сигнала и называется каскадом усиления или усилительным каскадом. Усилитель может состоять из нескольких каскадов усиления, т.е. быть многокаскадным.

Рис. 1. Структурная схема усилительного каскада

Электронные усилители можно классифицировать по ряду признаков:

1)по типу используемых активных элементовусилители делятся на ламповые, транзисторные, усилители на интегральных микросхемах и комбинированные;

2)по роду усиливаемых сигналов различают усилители непрерывных (гармонических) и импульсных сигналов;

3)по ширине полосы частот усиливаемого сигнала усилители подразделяются на усилители переменного и медленно меняющегося напряжения. Усилители переменного напряжения в свою очередь делятся на усилители звуковой (низкой) частоты, усилители высокой частоты, широкополосные и узкополосные;

4)по используемому режиму работы активных элементов различают два класса усилителей: усилители с линейным и нелинейным режимами работы;

5)по параметру усиливаемого сигнала усилители подразделяются на усилители напряжения, усилители тока и усилители мощности;

6)по виду используемых связей усилителя с источником входного сигнала и нагрузкой, а также между отдельными каскадами в многокаскадных усилителях бывают усилители с резисторно-емкосстными, трансформаторными, оптронными и гальваническими связями.

2.2 Основные параметры и характеристики усилителей

Основными параметрами усилителей являются:

1. Коэффициент усиления – отношение сигнала на выходе к сигналу на входе. Различают коэффициент усиления по напряжению, току и мощности.

К_U = U_вых/U_вх; К₁ = 1_вых/1_вх; К_{р =} Р_вых/Р_вх.

В многокаскадном усилителе с п каскадами:

К = К_{1 *} К_{2 *} ……* К_п

2. Рабочий диапазон частот – интервал между частотами f_н и f_в, на которых коэффициент усиления снижается в раз по сравнению с его максимальным значением.

3. Входное сопротивление R_вх:

R_вх = DU_вх / D1_вх,

где DU_вх и D1_вх – приращения входного напряжения и тока.

4. Максимальная выходная мощность:

Р_макс = U_{вых.макс}²/ 2 *R_нагр

Где U_{вых.макс} – амплитуда выходного напряжения,

R_нагр. – сопротивление нагрузки.

5. Коэффициент полезного действия:

h = Р_вых / Р_о

где Р_вых – мощность на нагрузке,

Р_о – мощность, потребляемая от источника питания.

Основными характеристиками усилителей являются:

1. Амплитудно-частотная характеристика (АХЧ) – зависимость модуля коэффициента усиления усилителя от частоты (рис.2).

Рис.2. АЧХ усилителя

2. Амплитудная характеристика – зависимость выходного напряжения от входного (рис.3).

Рис. 3. Амплитудная характеристика усилителя.

3.

Фазочастотная характеристика усилителя (ФЧХ) – зависимость сдвига фаз между выходным и входным напряжениями от частоты при действии на входе гармонического сигнала (рис.4).

Рис. 4. ФЧХ усилителя

4. Переходная характеристика - зависимость выходного сигнала от времени при ступенчатом изменении сигнала на входе. Строится, как правило, в нормированном виде как отношение мгновенных значений сигнала на выходе усилителя к их значениям в установившемся режиме.

h (t) = U _вых (t) / U_{вых. установ.}

Рис. 5 Нормированная переходная характеристика усилителя

2.3 Схемы включения транзистора в усилительных каскадах

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой по переменной составляющей для входной и выходной цепей, различают три вида усилительных каскадов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ) (рис.6).

Рис.6. Схемы включения транзисторов

а) ОЭ; б) ОК; в) ОБ

Схема с общим эмиттером обеспечивает усиление сигнала по току, напряжению и мощности, с общим коллектором – по току и мощности, с общей базой –по напряжению и мощности.

2.4 Схема с общим эмиттером и фиксированным током базы.

Схема с общим эмиттером является основной схемой включения транзистора (рис.7).

Рис.7 Усилительный каскад на транзисторе по схеме с общим эмиттером и фиксированным током базы

Входной сигнал поступает на базу через разделительный конденсатор С1, а выходной снимается с коллектора через конденсатор С2.

СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ:

Ток базы покоя 1_бп задается выражением:

1_бп = (Е – U_эб )/ R_б

где Е - напряжение источника питания,

U_эб – напряжение эмиттер – база,

R_б- сопротивление резистора в цепи базы.

Т.к. U_эб << Е, то 1_бп» Е / R_б и не зависит от типа транзистора. В цепи коллектора протекает ток потоков 1_кп:

1_кп = h_21э * 1_бп

где h_21э – статический коэффициент передачи тока.

С другой стороны:

U_кп = Е - 1_кп * R_к

где U_кп – напряжение на коллекторе в состоянии покоя,

R_л - сопротивление резистора в цепи коллектора.

Т.о. получаем:

U_кп = Е – h_21э * Е / R_б

Изменяя величину R_б, можно изменять напряжение покоя на коллекторе.

Для анализа работы усилителя построим на выходной характеристике (рис.8) линии нагрузки для случая R_н = ¥

Рис. 8 Выходная характеристика транзистора по схеме с ОЭ и

линия нагрузки

Диаграмма, поясняющая принцип работы усилительного каскада с общим эмиттером, приведена на рис.9.

Рис. 9 Диаграмма работы усилителя по схеме с ОЭ

В первом квадрате показаны выходная характеристика и линия нагрузки. Во втором – передаточная характеристика:

1_к = h_21э* 1_б

В третьем квадрате показана входная характеристика – зависимость тока базы1_б от напряжения эмиттер – база U_эб

Статический режим (режим покоя) – точка 1 – U_эбп - 1_бп – 1_кп – U_кп.

Входной сигнал поступает на базу через разделительный конденсатор и накладывается на статический режим. При этом для точки 2 имеем:

U_вх = U_{вх.макс.;} 1_б = 1_бп + D 1_б ; 1_к = 1_кп + D 1_к.

Т.к. U_к = Е – (1_{к *} R_k), имеем:

U_k2 = E – R_k * (1_кп +D1_к) = U_кп - DU_вых.

Для точки 4:

U_вх = -U_{вх.макс.;} 1_б = 1_бп - D1_б; 1_к = 1_кп - D1_к.

U_к4 = Е – R_п * (1_кп - D1_к) = U_кп + DU_вых.

Т.о. выходной сигнал находится в противофазе со входным. Усилительный каскад с фиксированным током базы обладает низкой температурной стабильностью, т.к. при изменении температуры изменяется величина h_21э, что приводит к изменению U_кп. Для устранения указанного недостатка применяют схемы эмиттерной и коллекторной стабилизации.

Для получения максимальной амплитуды выходного напряжения необходимо обеспечить напряжение покоя на коллекторе близким к половине напряжения питания (режим А).

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В ходе лабораторной работы необходимо:

3.1 Используя макетную плату, смонтировать из имеющихся элементов схему усилителя (рис.10).

R_б1= 68 кОм, R₆₂= 150 кОм, R_к = 4,7 кОм,

С1 = С2 = 0,15 мкФ, VT - МП 101.

Рис. 10 Схема исследуемого усилителя

Цоколевка транзистора МП 101

(со стороны выводов)

3.1 Подключить на вход усилителя генератор ГЗ –102 и вольтметр ВЗ-38, а к выходу – осциллограф С1-76 и вольтметр ВЗ-38.

3.2 Подключить макет к источнику питания.

3.3 Изменяя сопротивление резистора R ₆₂, установить напряжение на коллекторе равным 0,25 * Е (где Е = 12 В – напряжение питания).

3.4 Снять амплитудную характеристику при f = 1000Гц. Входной сигнал установить от минимального значения U_{вх =} 1мВ до появления видимых искажений выходного напряжения.

3.5 Повторить п.п. 3.3 и 3.4 для U_кп = 0,5 * Е и 0,75 *Е.

3.6 Построить амплитудные характеристики и объяснить их.

4. ОТЧЕТ

Отчет должен содержать схему усилителя, методику расчета статических характеристик и результаты эксперимента.

ЛИТЕРАТУРА

1.Галкин В.И. Промышленная электроника. – Минск, Вышейшая школа,1989.

2.Малахов В.П. Электронные цепи непрерывного и импульсного действия. -Киев – Одесса, Лыбидь, 1991.

3.Герасимов В.Г. и др. Основы промышленной электроники. Москва, Высшая школа,1986.