Э.А. Бесперстов1. Сравните напряжения на диоде при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны? 2. Сравнимы ли измеренные значения тока при прямом смещении с вычисленными значениями? 3. Сравнимы ли измеренные значения тока при обратном смещении с вычисленными значениями? 4. Сравните токи через диод при прямом и обратном смещении по порядку величин. Почему они различны? 5. Что такое ток насыщения диода? 6. Намного ли отличаются прямое и обратное сопротивление диода при измерении их мультиметром в режиме омметра? Можно ли по этим измерениям судить об исправности диода? 7. Существует ли различие между величинами сопротивления диода на переменном и постоянном токе? 8. Совпадают ли точки изгиба ВАХ, полученные с помощью осциллографа и построенные по результатам вычислений?
Лабораторная работа №2 Стабилитроны Цель работы: 1. Построение обратной ветви вольтамперной характеристики стабилитрона и определение напряжения стабилизации. 2. Вычисление тока и мощности, рассеиваемой стабилитроном. 3. Определение дифференциального сопротивления стабилитрона по вольтамперной характеристике. 4. Исследование изменения напряжения стабилитрона при изменении входного напряжения в схеме параметрического стабилизатора. 5. Исследование изменения напряжения на стабилитроне при изменении сопротивления в схеме параметрического стабилизатора. Приборы и элементы Функциональный генератор, мультиметр, осциллограф, источник постоянного напряжения, стабилитрон 1N4733, резисторы. Краткие сведения из теории При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор, получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рис. 4). Ток IСТ стабилитрона может быть определён вычислением падения напряжения на резисторе, как это было описано в эксперименте 1 (лабораторная работа №1):
Напряжение стабилизации UСТАБ стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона РСТ вычисляется как произведение тока IСТ на напряжение UСТ: РСТ=IСТ·UСТ Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.
Рис. 4. Порядок проведения экспериментов. Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон. а) Соберите схему, изображенную на рис. 4. Измерьте значение напряжения UСТ на стабилитроне при значениях ЭДС источника, приведённых в таблице раздела «Результаты измерений», и занесите результаты измерений в ту же таблицу. б) Вычислите ток IСТ для каждого значения напряжения UСТ. Результаты вычислений занесите в таблицу. в) По данным таблицы постройте вольтамперную характеристику стабилитрона. г) Оцените по вольтамперной характеристике стабилитрона напряжение стабилизации. д) Вычислите мощность РСТ, рассеиваемую на стабилитроне при напряжении Е=20 В. е) Измерьте наклон ВАХ в области стабилизации напряжения и оцените дифференциальное сопротивление стабилитрона в этой области. Эксперимент 2. Получение нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора. а) Подключите резистор RL= 75 Ом параллельно стабилитрону. Значение источника ЭДС установите равным 20 В. Включите схему. Запишите значение напряжения UСТ в раздел «Результаты экспериментов» б) Повторите пункт а) при коротком замыкании и при сопротивлениях резистора RL =100 Ом, 300 Ом, 600 Ом, 1 кОм в) Рассчитайте ток I1 через резистор R, включенный последовательно с источником, ток IL через резистор RL, и ток стабилитрона IСТ для каждого значения RL из таблицы, приведённой в разделе «Результаты экспериментов». Результаты занесите в таблицу. Эксперимент 3. Получение ВАХ стабилитрона на экране осциллографа. Соберите схему, изображенную на рис. 5. Включите схему. Запишите в экспериментальные данные напряжение стабилизации, полученное из графика на экране осциллографа.
Рис. 5. Результаты экспериментов Эксперимент 1. Измерение напряжения и вычисление тока через стабилитрон. а)…в) Данные для построения ВАХ стабилитрона.
г) Построение ВАХ стабилитрона. д) Напряжение стабилизации. UСТАБ е) Мощность рассеивания стабилитрона РСТ при напряжении Е =20 В. РСТ ж) Дифференциальное сопротивление стабилитрона, определённое по наклону графика в рабочей области. RДИФ Эксперимент 2. Измерение точек нагрузочной характеристики параметрического стабилизатора. Напряжение стабилитрона UСТ и значения I1, IСТ, IL при Е =20В
Эксперимент 3. Получение ВАХ на экране осциллографа. Напряжение стабилизации, определённое из ВАХ, полученной при помощи осциллографа. UСТАБ
Вопросы 1. Сравните относительное изменение напряжения на стабилитроне с относительным изменением питающего напряжения. Оцените степень стабилизации. 2. Влияет ли значение сопротивления нагрузки на степень стабилизации выходного напряжения стабилизатора? 3. Как изменяется напряжение стабилитрона UСТ, когда ток стабилитрона становится ниже 20 мА? 4. Каково значение тока стабилитрона IСТ при входном напряжении 15 В? 5. Каково значение тока стабилитрона IСТ на выходе стабилизатора, при уменьшении сопротивления R?
Лабораторная работа № 3. Исследование биполярного транзистора. Цель работы: 1. Исследование зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения база-эмиттер. 2. Анализ зависимости коэффициента усиления по постоянному току от тока коллектора. 3. Исследование работы биполярного транзистора в режиме отсечки. 4. Получение входных и выходных характеристик транзистора. 5. Определение коэффициента передачи по переменному току. 6. Исследование динамического входного сопротивления транзистора. Приборы и элементы: Биполярный транзистор 2N3904 Источники постоянной ЭДС Источники переменной ЭДС Амперметры Вольтметры Осциллограф Диод Резисторы Краткие сведения из теории Исследуемая схема показана на рис.6. Статический коэффициент передачи тока определяется как отношение тока коллектора IК к току базы IБ:
Коэффициент передачи тока
Дифференциальное входное сопротивление rВХ транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) определяется при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер. Оно может быть найдено как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызванному им приращению ΔIБ тока базы:
Дифференциальное входное сопротивление rВХ транзистора в схеме с ОЭ через параметры транзистора определяется следующим выражением:
где rБ - распределенное сопротивление базовой области полупроводника, rЭ - дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер, определяемое из выражения:
где IЭ - постоянный ток эмиттера в миллиамперах. Первое слагаемое rБ выражении много меньше второго, поэтому им можно пренебречь:
Дифференциальное сопротивление rЭ перехода база-эмиттер для биполярного транзистора сравнимо с дифференциальным входным сопротивлением rВХОБ транзистора в схеме с общей базой, которое определяется при фиксированном значении напряжения база-коллектор. Оно может быть найдено как отношение приращения ΔUБЭ к вызванному им приращению ΔIЭ тока эмиттера:
Через параметры транзистора это сопротивление определяется выражением: Первым слагаемым в выражении можно пренебречь, поэтому можно считать, что дифференциальное сопротивление перехода база-эмиттер приблизительно равно:
Порядок проведения экспериментов Эксперимент 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора.
Рис. 6.
а) Собрать схему, изображенную на рис. 6. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектора в раздел «Результаты экспериментов». По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора ßDC. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов». б) Изменить номинал источника ЭДС ЕБ до 2,68 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов». По полученным результатам подсчитать коэффициент ßDC. Ответ записать в раздел «Результаты экспериментов». в) Изменить номинал источника ЭДС EK до 5 В. Запустить схему. Записать результаты измерения тока коллектора, тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов». По полученным результатам подсчитать статический коэффициент передачи транзистора ßDC. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов». Затем установить номинал ЕK равным 10 В. Эксперимент 2. Измерение обратного тока коллектора. На схеме рис 6. изменить номинал источника ЭДС ЕБ до 0 В. Включить схему. Записать результаты измерения тока коллектора для данных значений тока базы и напряжения коллектор-эмиттер в раздел «Результаты экспериментов» Эксперимент 3. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.
Рис. 7. В схеме (рис. 6) провести измерения тока коллектора IК для каждого значения EK и EБ и заполнить таблицу в разделе «Результаты измерений».
а) По данным таблицы построить график зависимости IK от EK. б) Собрать схему, изображенную на рис. 7. Включить схему. Зарисовать осциллограмму выходной характеристики, соблюдая масштаб, в разделе «Результаты экспериментов». Повторить измерения для каждого значения EБ из таблицы. Осциллограммы выходных характеристик для разных токов базы зарисовать в разделе «Результаты экспериментов» на одном графике. в) По выходной характеристике найти коэффициент передачи тока ßAC при изменении базового тока с 10мА до 30 мА, ЕК=10 В. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов». Эксперимент 4. Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ. а) Собрать схему, изображенную на рис. 6. Установить значение напряжения источника EК равным 10 В и провести измерения тока базы IБ, напряжения база-эмиттер UБЭ, тока эмиттера IЭ для различных значений напряжения источника ЕБ в соответствии с таблицей в разделе «Результаты экспериментов». Обратить внимание, что коллекторный ток примерно равен току в цепи эмиттера. б) В разделе «Результаты экспериментов» по данным таблицы построить график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер. в) Собрать схему, изображенную на рис. 8. включить схему. Зарисовать входную характеристику, соблюдая масштаб, в разделе «Результаты экспериментов». г) По входной характеристике найти сопротивление rВХ при изменении базового тока с 10 мА до 30 мА, ЕК =10 В. Результат записать в раздел «Результаты экспериментов».
Рис. 8.
Эксперимент 5. Получение входной характеристики транзистора в схеме с общей базой.
Рис. 9 а) По данным таблицы, полученным в п. 6, построить график зависимости тока эмиттера от напряжения база-эмиттер. б) Собрать схему, изображенную на рис. 9. Включить схему. Зарисовать осциллограмму полученной характеристики в разделе «Результаты экспериментов». в) По полученной характеристике найти сопротивление г) Найти сопротивление Результаты экспериментов Эксперимент 1. Определение статического коэффициента передачи тока транзистора. 1. Напряжение источника ЭДС Ток базы транзистора Ток коллектора транзистора Напряжение коллектор-эмиттер _____ Статический коэффициент передачи
2. Напряжение источника ЭДС Ток базы транзистора Ток коллектора транзистора Напряжение коллектор-эмиттер _____ Статический коэффициент передачи
3. Напряжение источника ЭДС Ток базы транзистора Ток коллектора транзистора Напряжение коллектор-эмиттер _____ Статический коэффициент передачи Эксперимент 2. Измерение обратного тока коллектора. Обратный ток коллектора _____ Ток базы транзистора Напряжение коллектор-эмиттер _____ Эксперимент 3. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.
График выходной характеристики транзистора Расчет по результатам измерений Коэффициент передачи тока
Эксперимент 4. Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.
График зависимости тока базы от напряжения база-эм иттер Расчет по результатам измерений Сопротивление Эксперимент 5. Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОБ. График зависимости тока эмиттера от напряжения ба за-эмиттер
Расчет по результатам измерений Сопротивление Вопросы 1. От чего зависит ток коллектора транзистора? 2. Зависит ли коэффициент R от тока коллектора? Если да, то в какой степени? Обосновать ответ. 3. Что такое токи утечки транзистора в режиме отсечки? 4. Что можно сказать по выходным характеристикам о зависимости тока коллектора от тока базы и напряжения коллектор-эмиттер? 5. Что можно сказать по входной характеристике о различии между базо-эмиттерным переходом и диодом, смещенном в прямом направлении? 6. Одинаково ли значение характеристики? 7. Одинаково ли значение эмиттера? 8. Как отличается практическое значение сопротивления Гэ от вычисленного по формуле?
Лабораторная работа № 4. Характеристики операционного усилителя. Цель работы: 1. Измерение входных токов операционного усилителя (ОУ). 2. Оценка величин среднего входного тока и разности входных токов ОУ. 3. Измерение напряжения смещения ОУ. 4. Измерение дифференциального входного сопротивления ОУ. 5. Вычисление выходного сопротивления ОУ. 6. Измерение скорости нарастания выходного напряжения ОУ. Приборы и элементы: Амперметр Вольтметр Функциональный генератор Источник напряжения ОУ (виртуальный) Резисторы Краткие сведения из теории Интегральный ОУ характеризуется рядом параметров, описывающих этот компонент с точки зрения качества выполнения им своих функций. Среди параметров, обычно приводимых в справочных данных, основными являются: Средний входной ток IBX. В отсутствие сигнала на входах ОУ через его входные выводы протекают токи, обусловленные базовыми токами входных биполярных транзисторов или токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника входного сигнала, создают падения напряжения на входе ОУ, которые могут вызвать появление напряжения на выходе в отсутствии сигнала на входе. Компенсация этого падения напряжения затруднена тем, что токи входов реальных ОУ могут отличаться друг от друга на 10...20 %. Входные токи ОУ можно оценивать по среднему входному току, вычисляемому как среднее арифметическое токов инвертирующего и неинвертирующего входов: Iвх = где Разность входных токов определяется выражением: ∆I = В справочниках указывают модуль этой величины. Схема для измерения входных токов представлена на рис.10. Коэффициент усиления напряжения на постоянном токе Коэффициент усиления напряжения схемы усилителя на ОУ (рис. 11.) вычисляется по формуле:
Напряжение смещения Напряжение смещения
Входное сопротивление
Дифференциальное входное сопротивление наблюдается между входами ОУ и может быть определено по формуле:
,
где
Выходное сопротивление в интегральных ОУ составляет 20... 2000 Ом. Выходное сопротивление уменьшает амплитуду выходного сигнала, особенно при работе усилителя, на сравнимое с ним сопротивление нагрузки. Схема для измерения дифференциального входного сопротивления ОУ и выходного сопротивления приведена на рис.12. Скорость нарастания выходного напряжения равна отношению. изменения выходного напряжения равна отношению изменения выходного напряжения ОУ ко времени его нарастания при подаче на вход скачка напряжения. Время нарастания определяется интервалом времени, в течение которого выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90% от своих установившихся значений.
Схема для измерения скорости нарастания выходного напряжения показана на рис. 13. Измерения проводятся при подаче импульса в виде ступеньки на вход ОУ, охваченном отрицательной обратной связью (ООС) с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.
Порядок проведения экспериментов. Эксперимент 1. Измерение входных токов.
Рис. 10 Соберите схему, изображенную на рис. 10. Включите схему. Измерьте входные токи ОУ. По результатам измерений вычислите средний входной ток Эксперимент 2. Измерение напряжения смещения.
Рис. 11 Соберите схему, изображенную на рис.11. Включите схему. Запишите показания вольтметра в раздел «Результаты экспериментов». По результатам измерения вычислите напряжение смещения Эксперимент 3. Измерение входного и выходного сопротивлений.
Рис. 12
а) Составьте схему, изображенную на рис. 12. Включите схему. Измерьте входной ток б) Уменьшайте сопротивление нагрузочного резистора Эксперимент 4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ. Соберите схему, изображенную на рис. 13. Включите схему. Зарисуйте осциллограмму выходного напряжения в раздел «Результаты экспериментов». По осциллограмме определите величину выходного напряжения, время его установления и вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс. Запишите результат в раздел «Результаты экспериментов».
Рис. 13 Вопросы 1. Отличается ли измеренное значение среднего входного тока 2. Существенно ли отличие разности входных токов от номинального значения для ОУ? 3. Совпадают ли измеренное значение напряжения смещения с номинальным значением для ОУ? 4. Сравните величину измеренного входного сопротивления с паспортными данными на ОУ. 5. Сравните величину измеренного выходного сопротивления с паспортными данными на ОУ. 6. Сравните между собой величины входного и выходного сопротивлений ОУ. Какова схема замещения ОУ как элемента электрической цепи? 7. Отличается ли экспериментальное значение скорости нарастания выходного напряжения от номинального значения? 8. В чем причина возникновения входных токов ОУ и разности входных токов? К чему они приводят при работе схем на ОУ?
Примечание. Паспортные данные OУLM741. • средний входной ток ОУ0,08мкА; • разность входных токов ОУ 0,02 мкА; • напряжение смещения ОУ 1 мВ; • входное сопротивление ОУ 2Мом; • выходное сопротивление ОУ 75 Ом; • скорость нарастания выходного напряжения ОУ0,5 В/мкс.
Рис. 14. Инвертирующий усилитель
Рис. 15. Схема двухвходового сумматора
Рис. 16. Интегратор
Рис. 17. Дифференциатор
Лабораторная работа №5 Выпрямители Краткая теория Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор СТ, вентильный блок ВБ, фильтрующее устройство ФУ и стабилизатор напряжения СН. Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор. Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом. Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабления пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот, выполненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов - транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния вешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др. - на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор или регулируемый вентильный блок. Кроме основных узлов, в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надёжности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110-220 В.
Эксперимент 1
Рис. 18 (а) Однополупериодный выпрямитель.
Собрать схему однополупериодного выпрямителя. Задать сопротивление нагрузки и емкость по указанию преподавателя. Зарисовать осциллограмму. Подсчитать коэффициент пульсации. Подсчитать коэффициент пульсаций.
Эксперимент 2.
Рис. 18 (б) Двухполупериодный выпрямитель. Подсчитать коэффициент пульсаций. Формула
где m – число фаз выпрямителя;
Эксперимент 3
Рис. 19. Мостовой двухполярный источник питания.
Собрать схему по рисунку 19. Задать сопротивление нагрузки и емкость по указанию преподавателя. Зарисовать осциллограмму. Подсчитать коэффициент пульсаций. Коэффициент сглаживания дл выпрямителя с индуктивным фильтром:
где
Эксперимент 4
Рис. 20. Трехфазный мостовой выпрямитель.
Собрать схему по рисунку 20. Задать сопротивление нагрузки и емкость по указанию преподавателя. Зарисовать осциллограмму. Подсчитать коэффициент пульсаций. Эксперимент 5.
Рис. 21. Мостовой выпрямитель схема Греца.
Собрать схему по рисунку 21. Задать сопротивление нагрузки и емкость по указанию преподавател
|
определяется отношением приращения ΔIК коллекторного тока к вызывающему его приращению ΔIБ базового тока:
при изменении базового тока с 10 
А до 30 
, использую значение Iэ из таблицы при 
=20 
5,7 В
_____
_____
_____
________
(В)
(мА)
________
________
и 
соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов.
,
- показатель ОУ, определяющий насколько хорошо ОУ выполняет усиление входных сигналов. У идеального усилителя коэффициент усиления должен стремиться к бесконечности.
- значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы напряжение на его выходе было равно нулю.
Различают две составляющие входного сопротивления: дифференциальное входное сопротивление и входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между каждым входом и «землей»). Входное дифференциальное сопротивление для биполярных ОУ находится обычно в пределах 10кОм... 10Мом. Входное сопротивление по синфазному сигналу определяется как отношение приращения входного синфазного напряжения вызванному приращению среднего входного 
:
- изменение напряжения между входами ОУ,
- изменение входного тока.
входных токов ОУ. Результаты занесите в раздел «Результаты экспериментов».
, используя коэффициент усиления схемы на ОУ. Результаты вычислений занесите в раздел «Результаты экспериментов».
до тех пор, пока выходное напряжение не будет примерно равно половине значения, полученного в п.а. Запишите значение сопротивления 
для выпрямителя с емкостным фильтром:
- сопротивление нагрузки;
и 
- индуктивность и активное сопротивление дросселя.
