[ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
“УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ-УПИ”
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Часть 3. Электроника
Методические указания по выполнению лабораторных работ на стенде «Электроника»
Екатеринбург 2007 УДК При подготовке настоящих методических указаний использован паспорт НТЦ-05.00.00ПС и методические указания на стенд «Электроника» предприятия НТП “Центр”, г. Могилев.
ЭЛЕКТРОНИКА : Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электротехника и электроника” / Под общей ред.
Д.Н. Томашевского. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 46 с.
Настоящие методические указания содержат шесть лабораторных работ. По каждой лабораторной работе даны цель работы, описание объекта и средств исследования, основные теоретические соотношения, план выполнения работы.
Библиогр.: 4 назв. Рис. 42.
Подготовлено кафедрой “Электротехника и электротехнологические системы” © ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет–УПИ”,
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данные методические указания являются третьей частью лабораторного практикума по курсу “Электротехника и электроника”.Приведенные лабораторные работы выполняются на стендах “Электроника”. Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ имеются в методических указаниях “Электрические цепи”.
1. Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ НЕУПРАВЛЯЕМЫХ
ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Цель работы Изучение принципа работы однополупериодной и мостовой однофазных схем неуправляемых выпрямителей; исследование основных характеристик выпрямителей.Теоретические сведения Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение, полярность которого изменяется, в пульсирующее, полярность которого остается постоянной. Для получения постоянного напряжения из пульсирующего на выходе выпрямителя ставят сглаживающие фильтры. Таким образом, выпрямитель совместно с фильтром является устройством, преобразующим переменное напряжение в постоянное. При питании от однофазной сети применяются следующие схемы выпрямителей:
• однополупериодные;
• двухполупериодные (мостовая схема, схема с нулевым выводом).
Однополупериодная схема наиболее проста и содержит всего один диод V1 (рис. 15.1, а). В положительный полупериод напряжения на вторичной обмотке трансформатора диод V1 находится в проводящем состоянии и через него протекает ток в нагрузку; а в отрицательный - диод закрыт, ток в нагрузке отсутствует. Следовательно, ток в нагрузке протекает в одном направлении и только в один положительный полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора Т1.
Мостовая схема выпрямителя (рис. 15.1, б) содержит четыре вентиля V1 – V4; в положительный полупериод напряжения на вторичной обмотке трансформатора T1 пропускает ток вентили V1, V4, а в отрицательный – вентили V2, V3. При этом ток в нагрузке протекает в одном направлении, указанном стрелкой. К закрытому вентилю прикладывается обратное напряжение, повторяющее по форме напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно E2m, 2E U cp = E2m sin tdt = 2m, (15.1) n n где E2m – амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Если учесть, что действующее значение напряжения на вторичной обмотке E2 связано с амплитудным соотношением:
E2m = E2 2, (15.2) можно получить соотношение для определения среднего значения выпрямленного напряжения:
В мостовой схеме в первичной и вторичной обмотках при работе на активную нагрузку протекает синусоидальный ток. Эта схема характеризуется хорошим использованием элементов выпрямителя и трансформатора. Поэтому в настоящее время она находит наибольшее применение для выпрямления однофазного тока.
Схема со средней точкой содержит два вентиля V1 и V2 и трансформатор T1, имеющий две одинаковые вторичные обмотки, включенные последовательно и согласно. В положительный полупериод сетевого напряжения открыт вентиль V1. В отрицательный полупериод открыт вентиль V2. При этом ток обоих вентилей протекает через нагрузку в одном направлении. Формы напряжения и тока такие же, как и в мостовой схеме. Однако амплитудное значение обратного напряжения на вентиле в два раза больше, чем в мостовой схеме. Недостатком схемы является плохое использование трансформатора, так как имеются две вторичные обмотки, работающие по полпериода каждая. Основная область применения данной схемы – низковольтные выпрямители. В ней последовательно с нагрузкой включен только один вентиль, что при низких выпрямленных напряжениях позволяет получить более высокий к.п.д.
1. Изучить принцип работы однофазных неуправляемых выпрямителей.
2. Нарисовать схемы исследуемых выпрямителей.
3. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.
1. Собрать схему однополупериодного выпрямителя без фильтра в соответствии с рис. 15.2.
2. Подать на схему напряжение, снять и зарисовать для номинального тока нагрузки ( I N = 100 mА) осциллограммы выпрямленного напряжения, напряжения на диоде, анодного тока диода, тока на выходе выпрямителя, тока вторичной и первичной обмоток трансформатора. Осциллограммы рисовать с учетом разности фаз для номинального значения тока нагрузки.
3. Снять и построить внешнюю характеристику выпрямителя U ср = f ( I ср ), изменяя величину нагрузки сопротивлением R11.
4. Определить внутреннее сопротивление выпрямителя в номинальном режиме Rвых = U вых / I вых.
5. Собрать схему двухполупериодного выпрямителя согласно рис. 15.3. и провести исследования, аналогичные п.п. 2 – 4 при ( I N = 200 mA).
1. Объясните принцип работы однофазной мостовой схемы выпрямителя и схемы со средней точкой.
2. Что такое внешняя характеристика выпрямителя? От чего зависит ее наклон?
3. Почему максимальное значение тока вентиля выпрямителя различно для разных видов нагрузки при одной и той же мощности в нагрузке?
4. Сравните мостовую схему выпрямителя со схемой со средней точкой.
5. Отчего зависит к.п.д. выпрямителя?
2. Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Управляемым называется такой выпрямитель, который, кроме выпрямления переменного напряжения, одновременно осуществляет регулирование напряжения. Управляемый выпрямитель (УВ) получается из обычного заменой в нем неуправляемых вентилей (диодов) управляемыми вентилями (тиристорами). Регулирование осуществляется задержкой отпирания очередного тиристора в пределах полупериода сетевого напряжения. Угол задержки отпирания тиристора, называемый углом управления, отсчитываемого от момента естественного отпирания вентиля, т.е. от момента, в который к вентилю начинает прикладываться положительное напряжение. Для выпрямителей, питающихся от однофазной сети, этот момент совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через ноль.
Схема УВ, собранного по схеме с нулевой точкой, показана на рис. 16.1. Преимущество этой схемы состоит в наличии общей точки катодов тиристоров V1 и V2. При этом упрощается подключение системы управления к выпрямителю. На вход выпрямителя переменное напряжение от двух вторичных обмоток Т1. Эти напряжения сдвинуты на угол в 180 эл. град. Система управления (СУ) вырабатывает импульсы управления, временное положение которых можно изменять в пределах полупериода сетевого напряжения. До подачи импульса управления тиристоры закрыты и напряжение на нагрузке равно нулю. В момент подачи импульса управления открывается соответствующий тиристор и с этого момента к нагрузке прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора. Изменяя угол управления, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения, которое определяется из выражения:
где U ср = 2 E2m / n – среднее значение выпрямленного при угле управления = 0, т.е. выпрямленное напряжение обычного неуправляемого выпрямителя.
Последнее выражение определяет регулировочную характеристику УВ. Из него видно, что среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла от 0 до 180 градусов плавно уменьшается от значения U ср до 0. Таким образом, преимущество УВ состоит в возможности плавной регулировки среднего значения выпрямленного напряжения.
Недостатки УВ следующие:
1. Усложнение схемы, так как необходима система управления выпрямителя.
2. Увеличение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения и ухудшение его гармонического состава. Это происходит за счет искажения формы выпрямленного напряжения и появления скачков напряжения в момент отпирания тиристоров.
3. Появление сдвига по фазе между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора. Таким образом, даже при чисто активной нагрузке УВ потребляет из сети реактивную мощность.
4. Если нагрузка начинается с емкости и тиристоры управляются короткими импульсами, то из-за появления угла отсечки при малых углах управления могут быть пропуски включения тиристоров (напряжение на конденсаторе больше, чем питающее напряжение). Поэтому УВ, как правило, не применяют для работы на нагрузку емкостного характера.
1. Изучить принцип работы однофазных управляемых выпрямителей.
2. Изучить принцип построения схемы управления УВ.
3. Нарисовать схемы исследуемых выпрямителей.
4. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.
1. Собрать на стенде схему управляемого выпрямителя согласно рис. 16.2.
2. Подать на схему напряжение, снять и зарисовать для номинального тока нагрузки ( I N = 100 А) осциллограммы выпрямленного напряжения, напряжения на тиристорах, напряжения на управляющих электродах тиристоров (снимается относительно катодов тиристоров), тока на выходе выпрямителя, тока вторичной и первичной обмоток трансформатора. Осциллограммы рисовать в соответствии с их временным положением друг относительно друга для номинального значения тока нагрузки.
3. Снять и построить внешние характеристики U ср = f ( I ср ) выпрямителя для заданных преподавателем углов управления, изменяя величину нагрузки сопротивлением R2.
4. Снять и построить регулировочную характеристику U ср = f () управляемого выпрямителя для номинального тока нагрузки. Угол управления изменяется резистором R3, а его величина определяется по осциллограмме выходного напряжения с помощью осциллографа.
1.3.5. Определить внутреннее сопротивление выпрямителя в номинальном режиме Rвых = U вых / I вых.
1. Объясните назначение и принцип работы УВ.
3. Нарисуйте форму напряжений и токов в элементах схемы управления и силовой части при углах управления = 30 ° и = 120 °.
4. Объясните внешнюю и регулировочную характеристики УВ.
5. В чем преимущества и недостатки УВ?
6. Объясните принцип построения и работу системы управления по принципиальной схеме (рис. 16.2).
3. Лабораторная работа № ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ
Пассивные фильтры. Так как выпрямленное напряжение – пульсирующее, для получения постоянного напряжения на выходе выпрямителя обычно ставят сглаживающий фильтр. Сглаживающий фильтр – это устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Степень пульсаций выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсаций, который равен отношению амплитуды первой (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выходного напряжения Зная кратность пульсаций выпрямленного напряжения m, коэффициент пульсаций можно определить по формуле Сглаживающее действие фильтра характеризуется его коэффициентом сглаживания, который равен отношению коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра Другим параметром фильтра, характеризующим его фильтрующие свойства, является коэффициент фильтрации где U 'max, U max – значения напряжения переменной составляющей соответственно на входе и выходе фильтра.
Емкостный фильтр представляет собой конденсатор Cф, включенный параллельно нагрузке выпрямителя Rн (рис. 17.1, а). Его действие основано на накоплении энергии в электрическом поле конденсатора в моменты, когда выпрямленное напряжение U выпр больше напряжения на конденсаторе U C. При этом вентили выпрямителя открыты и пропускают ток. Когда выпрямленное напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе, вентили закрываются и ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, накопленной в емкости Cф.
Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и гармоники переменного напряжения с частотой, кратной частоте питающей сети. Максимальную амплитуду имеет первая гармоника. Поскольку для постоянного тока конденсатор представляет бесконечно большое сопротивление, постоянный ток будет идти в нагрузку.
Чтобы переменная составляющая не проходила в нагрузку, емкость конденсатора выбирают так, чтобы его сопротивление для переменного тока было намного меньше сопротивления нагрузки Так как сглаживающее действие дросселя основано на его свойстве накапливать энергию, а энергия, запасаемая дросселем равна:
индуктивный фильтр более эффективен при больших токах нагрузки.
Индуктивный фильтр позволяет обеспечить непрерывность тока в цепи и благоприятный режим работы вентилей и трансформатора выпрямителя. Нагрузочная характеристика U cр = f ( I cр ) выпрямителя с индуктивным фильтром жесткая, что является преимуществом по сравнению с емкостным фильтром.
Если параллельно нагрузке Rн подключить конденсатор, а последовательно с нагрузкой включить дроссель, получим Г-образный LC-фильтр (рис. 17.1, в). В нем сочетаются положительные качества индуктивного и емкостного фильтра, так как элементы фильтра выбирают из условия Такой фильтр одинаково хорошо сглаживает как при больших, так и при малых токах нагрузки. Для обеспечения жесткой нагрузочной характеристики такого фильтра необходимо, чтобы ток в дросселе был непрерывен. Это условие выполнено, если индуктивность дросселя больше некоторого критического значения, определяемого соотношением:
где kп – коэффициент пульсации напряжения на выходе фильтра.
В маломощных выпрямителях часто вместо дросселя фильтра ставят сопротивление Rф (рис. 17.1, г). В таком RC-фильтре на сопротивлении Rф, кроме переменной составляющей, также падает часть постоянной составляющей выпрямленного напряжения. К.п.д. такого фильтра меньше, чем LC-фильтра. Однако RC-фильтры имеют меньшие габаритные размеры и стоимость. Применяются RC-фильтры в маломощных выпрямителях, работающих, как правило, на статическую нагрузку. Для получения хорошего коэффициента сглаживания и приемлемого к.п.д. элементы RC-фильтра выбирают из следующих условий Активные фильтры. Индуктивно-емкостные фильтры просты и надежны в эксплуатации, однако их масса и габаритные размеры очень существенны и для некоторых устройств могут быть неприемлемы. Электронные фильтры не имеют присущих индуктивноемкостным фильтрам недостатков. Вместо дросселя в этих фильтрах используют транзисторы, вольт-амперная коллекторная характеристика которых по форме подобна кривой намагничивания ферромагнитного сердечника дросселя.
Электронные активные фильтры применяют при токах нагрузки до нескольких ампер и напряжениях, определяемых десятками вольт.
Различают электронные фильтры с нагрузкой, включенной последовательно с транзистором в цепь коллектора либо эмиттера или параллельно транзистору.
Наиболее простая и часто используемая на практике схема фильтра имеет вид, представленная на рис. 17.2. В данной схеме имеет место автоматическое смещение постоянной составляющей напряжения, подаваемого на базу транзистора. Поэтому фильтр может устойчиво работать при изменении температуры окружающей среды. Схема не требует настройки при замене транзистора.
Коэффициент усиления по напряжению для данной схемы практически равен единице, а выходное сопротивление значительно ниже, чем для других схем включения транзистора. Однако коэффициент сглаживания этого фильтра ниже, чем у других схем. Повысить его можно путем повышения коэффициента сглаживания фильтра в базовой цепи транзистора, либо за счет увеличения коэффициента усиления усиления транзистора.
1. Изучить принцип работы схем пассивных и активных фильтров.
2. Изучить порядок расчета схем фильтров и их качественных характеристик.
3. Для заданного преподавателем коэффициента сглаживания и известных параметрах RC-фильтра рассчитать величину допустимой нагрузки.
4. Нарисовать схемы исследуемых фильтров.
5. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.
1. Собрать схемы для исследования пассивных емкостного и RC фильтров согласно схеме на рис. 17.3.
2. Для номинального тока нагрузки ( I N = 100 mA) снять и построить осциллограммы напряжений на нагрузке с фильтром и без.
3. Снять и построить зависимость коэффициента сглаживания ственно на входе и выходе фильтра; U 'max, U max – амплитуда переменной составляющей соответственно на входе и выходе фильтра;
U 'ср, U ср – среднее значение напряжения соответственно на входе и выходе фильтра.
Сравнить рассчитанное значение допустимой для заданного значения kсгл и полученное экспериментально.
Амплитудное значение выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра определить с помощью осциллографа.
на рис. 17.4.
5. Снять и построить зависимость коэффициента сглаживания ственно на входе выходе фильтра; U 'max, U max – амплитуда переменной составляющей соответственно на входе и выходе фильтра;
U 'ср, U ср – среднее значение напряжения соответственно на входе и выходе фильтра.
Сравнить рассчитанное значение допустимой для заданного значения kсгл и полученное экспериментально.
Амплитудное значение выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра определить с помощью осциллографа. Зарисовать осциллограмму напряжений на входе и выходе фильтра.
1. Объясните принцип работы различных схем фильтров.
2. Как осуществляется выбор конденсатора в емкостном фильтре? В каких случаях применяется емкостной фильтр?
3. Как выбирается дроссель в индуктивном фильтре? Назовите область применения индуктивных фильтров.
4. Что такое критическая индуктивность в сглаживающих LCфильтрах и как ее определить? Какова ее зависимость от параметров и режима работы схемы?
5. Из каких соображений выбирают сопротивление Rф в RCфильтре?
6. Дайте сравнительную характеристику LC и RC-фильтров.
7. Назовите основные параметры фильтров.
4. Лабораторная работа № ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ
Основные характеристики усилителей. Усилитель - это устройство, предназначенное для усиления мощности входного сигнала за счет потребления энергии источников питания. В зависимости от схемы включения биполярного транзистора усилители делятся на:
усилители с ОЭ, ОК, общей базой (ОБ). К основным параметрам усилителей относятся:
• коэффициенты усиления по напряжению kU =, по току • входное сопротивление – сопротивление между входными • выходное сопротивление – сопротивление между выходными зажимами усилителя для переменного тока при отключенном сопротивлении нагрузки Rвых = вых ;
• коэффициент полезного действия усилителя – отношение мощности, поступающей в нагрузку, к мощности, потребляеPн К основным характеристикам усилителя также относятся амплитудно-фазо-частотная (АФЧХ) и амплитудная (АХ) характеристики. В общем случае коэффициент усиления по напряжению и току является величиной комплексной, характеризующейся модулем и фазой, которые зависят от частоты усиливаемого сигнала.
Из-за наличия в схеме усилителя реактивных элементов и зависимости свойств транзистора от частоты коэффициент усиления усилителя имеет различные значения на различных частотах. Это явление называется частотными искажениями усилителя. Для их оценки вводится параметр, называемый коэффициентом частотных искажений M (), равный отношению коэффициента усиления на данной частоте kU () к коэффициенту усиления на средних частотах kU 0 :
Частоты, на которых коэффициент усиления достигает предельно допустимого (граничного) значения называются верхней в.гр и нижней н.гр граничными частотами (частотами среза), а разность = в.гр н.гр – полосой пропускания усилителя.
Амплитудная характеристика усилителя – это зависимость амплитуды выходного сигнала U вых m от амплитуды входного сигнала U вх m на некоторой постоянной частоте.
Амплитудная характеристика идеального усилителя представляет прямую линию, проходящую через начало координат, а амплитудная характеристика реального усилителя совпадает с характеристикой идеального только на некотором участке. При больших входных сигналах U вх m > U вх m max выходное напряжение усилителя перестает возрастать. Это связано с тем, что рабочая точка транзистора попадает в область насыщения или отсечки. При этом выходной сигнал искажается. Это явление называется нелинейными искажениями и оценивается коэффициентом гармоник где Pn – мощность n-й гармонической составляющей выходного сигнала, P – мощность первой гармоники.
Если нагрузка усилителя активная, то коэффициент гармоник принимает вид При малых входных сигналах U вх m < U вх m выходное наmin пряжение усилителя остается практически постоянным и равным ных шумов усилителя. Собственные шумы усилителя обусловлены различными помехами и наводками, а также непостоянством электрических процессов во времени. Отношение называется динамическим диапазоном усилителя.
Усилительный каскад на БТ с ОЭ. Наиболее распространенная схема усилительного каскада на транзисторе с ОЭ показана на рис. 18.1. Входное усиливаемое переменное напряжение U вх подводится ко входу усилителя через разделительный конденсатор Cр 1.
Конденсатор C р1 разделяет источник входного сигнала и базовый вход усилителя по постоянному току, чтобы исключить нарушение начального режима работы транзистора V1. Усиленное переменное напряжение, выделяемое на коллекторе транзистора V1, подводится к внешней нагрузке с сопротивлением Rн через разделительный конденсатор C р 2. Этот конденсатор служит для разделения выходной (коллекторной) цепи транзистора и внешней нагрузки по постоянной составляющей коллекторного тока I 0к. Значение I 0к и других постоянных составляющих токов и напряжений в цепях транзистора зависят от режима работы по постоянному току (положения рабочей точки на нагрузочной прямой). Положение рабочей точки, т.е. значение начального тока базы I 0 б задается делителем на резистрах R1, R2. При отсутствии входного переменного сигнала в цепи коллектора протекает постоянный ток I 0к, значение которого определяется из выражения где Rк – сопротивление в цепи коллектора, Rэ – сопротивление в цепи эмиттера.
Решив это уравнение относительно тока I 0к, получим динамическую характеристику транзистора по постоянному току Это выражение представляет собой уравнение прямой линии, проходящей через точки с координатами: ( Eк, 0); (0, Eк / Rкэ ), изображенными на выходных характеристиках транзистора.
Усилительные каскады могут работать в одном из режимов А, В, С, АВ, определяемых начальным положением рабочей точки при отсутствии входного переменного сигнала. При работе транзистора в активном (усилительном) режиме (класс А) начальное положение рабочей точки должно быть таким, чтобы ток через активный элемент транзистора протекал в течение всего периода изменения входного сигнала, а амплитудное значение выходного тока I к m не превышало начального тока I 0к. Начальное положение рабочей точки обеспечивается делителем напряжения на резистрах R1, R2, значения которых определяется соотношениями:
где I дел = (2..5) I 0 б – ток в цепи делителя, U r э = (0,1..0,25) Eк – для каскадов предварительного усиления.
При обеспечении режима работы транзистора необходимо осуществить температурную стабилизацию положения рабочей точки. С этой целью в эмиттерную цепь введен резистор Rэ, на котором создается напряжение отрицательной обратной связи ООС по постоянному току U r э. Для устранения ООС по переменному току при наличии входного переменного сигнала резистор Rэ шунтируют конденсатором Cэ, сопротивление которого на частоте усиливаемого сигнала должно быть незначительным.
Аналитический расчет коэффициентов усиления по току, напряжению и мощности, а также входного и выходного сопротивлений производится по эквивалентным схемам усилительного каскада для различных диапазонов частоты входного сигнала.
Усилительный каскад на БТ с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Эмиттерный повторитель (ЭП) представляет собой усилитель тока и мощности, выполненный на транзисторе по схеме с ОК. Его схема представлена на рис. 18.2.
Сопротивление нагрузки включается в эмиттерную цепь транзистора. ЭП обладает повышенным входным и пониженным выходным сопротивлениями. Его входное и выходное напряжения совпадают по фазе и незначительно отличаются по величине. Отмеченные свойства ЭП позволяют использовать его для согласования высокоомного источника напряжения с низкоомной нагрузкой.
ЭП можно рассматривать как усилительный каскад с ОЭ, у которого Rк = 0, а резистор в цепи эмиттера не зашунтирован конденсатором Cэ. В этом случае все выходное напряжение, выделяемое на сопротивлении в цепи эмиттера, последовательно вводится во входную цепь усилителя, где вычитается из напряжения входного сигнала uвх, снижая его. В схеме действует 100% последовательная отрицательная обратная связь по напряжению.
Коэффициент усиления по напряжению ЭП Коэффициент усиления по току в схеме ЭП без учета Rн (холоI 1. Изучить принцип работы схем усилительных каскадов на БТ с ОЭ и ОК.
2. Изучить порядок расчета схем усилительных каскадов БТ с ОЭ и ОК.
3. По известным элементам схемы усилителей рассчитать величину R23 с учетом наименьших нелинейных искажений.
4. Рассчитать значения основных параметров для названных схем включения усилителей kU, k I, k P, Rвх и Rвых, работающих в области средних частот ( f = 1000 Гц).
5. Нарисовать схемы исследуемых усилительных каскадов.
6. Ознакомиться с порядком сборки схем на стенде.
1. Собрать схемы источника питания и генератора синусоидальных колебаний (см. паспорт к стенду). Выставить заданное преподавателем напряжение питания усилительных каскадов.
2. Собрать схему усилителя без шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера, на основе схемы рис. 18.3, установив рассчитанное значение резистора R23.
3. Подать на вход усилителя от генератора ГС1 синусоидальный сигнал частой f = 1кГц и амплитудой U вх m = 0,05 В. Замерить с помощью осциллографа амплитуду выходного сигнала U вых m и зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений.
Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению, току и мощности.
4. Изменяя величину сопротивления R23 по осциллографу определить момент появления в выходном сигнале больших нелинейных искажений и зарисовать осциллограмму этого напряжения.
5. Включить емкость в цепь эмиттера и повторить пункты 3 и 4.
6. Установить амплитуду входного сигнала U вх m = 0,05 В. Изменяя частоту входного сигнала от 0 до 100 кГц снять амплитудночастотную характеристику усилителя и построить ее.
7. Подать на вход усилителя синусоидальный сигнал частотой f = 1кГц. Изменяя амплитуду входного сигнала U вх m от 0 до 0,5 В (порядка 10 значений) построить амплитудную характеристику усилителя. Для каждого значения U вх m зарисовать осциллограмму выходного напряжения. Определить U вых max в момент появления существенных нелинейных искажений.
8. Собрать схему ЭП согласно рис. 18.4.
пунктам 3, 6, 7.
10. Сравнить результаты теоретических расчетов и практических исследований, сформулировать выводы по каждому пункту рабочего задания.
1. Определить по принципиальной схеме усилительного каскада способ включения транзистора.
2. Сравните усилители с ОЭ, ОК, ОБ по коэффициентам усиления k I, kU, k P.
3. В каком усилителе осуществляется усиление по напряжению и по мощности?
4. В каком усилителе осуществляется усиление по току и по мощности?
5. Какой усилитель обеспечивает максимальное усиление по мощности и почему?
6. Сравните усилители с ОЭ, ОБ, ОК по значениям Rвх и Rвых.
Чем обусловлено их различие?
7. Сравните частотные свойства каскадов с ОЭ, ОБ, ОК и объясните причины различия.
8. Объясните назначения отдельных компонентов схем усилителей с ОЭ, ОБ, ОК.
9. Как зависит Rвх, Rвых, kU, k I, k P усилителя с ОЭ от значений электрических параметров отдельных компонентов схемы?
10. Когда следует применять усилительные каскады, включенные по схеме с ОЭ, ОБ, ОК?
11. Назовите способы задания режима работы транзистора в усилительных каскадах?
12. Как построить нагрузочную линию транзистора по постоянному и переменному току?
13. Объясните влияние температуры на режим работы усилительных каскадов.
14. Какие вы знаете способы температурной стабилизации режима работы усилительных каскадов?
5. Лабораторная работа № 19. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ Изучение электрических свойств и функциональных характеристик логических интегральных схем серии К155.
Типовые логические элементы. Логические элементы предназначены для выполнения различных логических операций над дискретными сигналами при двоичном способе их представления. Преимущественное распространение получили логические элементы потенциального типа. В них используется дискретные сигналы, нулевому значению которых соответствует уровень низкого потенциала, а единичному значению – уровень высокого потенциала. Связь потенциального логического элемента с предыдущим и последующим узлами в системе осуществляется непосредственно, без применения реактивных компонентов. Благодаря этому преимуществу именно потенциальные логические элементы нашли исключительное применение в интегральном исполнении в виде микросхем. С позиций использования логических микросхем потенциального типа и проводится далее рассмотрение логических элементов.
Логический элемент ИЛИ имеет несколько входов и один общий выход. Его условное обозначение показано на рис. 19.1, а.
Логический элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения (дизъюнкции) Q = Х1 + Х2 +... + X n, где Q – функция;
Х1, Х2,... – аргументы.
Здесь функция Q = 0, когда аргументы равны нулю, и Q = 1 при одном, нескольких или всех аргументах, равных единице.
Работу схемы двухвходового логического элемента ИЛИ иллюстрируют таблица истинности, приведенная на рис. 19.1, б.
Логический элемент И также имеет несколько входов и один выход. Его условное обозначение показано на рис. 19.2, а.
Логический элемент И выполняет операцию логического умножения (конъюнкции): Q = Х1 Х2... X n.
Здесь функция Q = 0, когда хотя бы один из ее аргументов равен нулю, и Q = 1 при всех аргументах, равных единице.
Работу схемы двухвходового логического элемента И иллюстрирует таблица истинности, приведенная на рис. 19.2, б. Элемент И является схемой совпадения: сигнал "1" на выходе появляется при совпадении сигналов "1" на всех входах.
Логический элемент НЕ имеет один вход и один выход. Его условное обозначение показано на рис. 19.3, а.
Элемент НЕ выполняет операцию инверсии (отрицания), в связи с чем его часто называют логическим инвертором. Им реализуется функция Q = X.
Сигналу Х = 0 на входе соответствует Q = 1 и, наоборот, Работу логического элемента НЕ иллюстрирует таблица истинности, приведенная на рис. 19.3, б.
На основе простейших логических элементов строятся более сложные логические элементы – логический элемент ИЛИ-НЕ логический элемент И-НЕ (см. рис. 19.4).
Существуют логические элементы в микросхемном исполнении, представляющие комбинацию ранее рассмотренных элементов и позволяющие осуществлять более сложные логические операции. Некоторые из таких элементов и реализуемые ими функции показаны на рис. 19.5.
На рис. 19.5, а приведен элемент 2И-ИЛИ-НЕ. Выполняемая им логическая операция поясняется функциональной схемой рис.12.5, б.
При синтезе логических схем сначала записывается логическое выражение выходной функции, а затем проводится минимизация (упрощение формы записи) этой функции. Произвести минимизацию функции можно путем ее преобразований с использованием аксиом, законов, тождеств и теорем алгебры логики. Однако такие преобразования требуют громоздких выкладок и связаны с большой затратой времени. Современная алгебра логики располагает рядом приемов, разработанных на основе ее правил, позволяющих производить минимизацию функции более просто, быстро и безошибочно. Для минимизации функции с числом переменных до пяти-шести наиболее удобным является метод карт Карно (или аналогичный метод диаграммы Вейча).
представлены на рис. 19.6, практически проверить правильность составленных ранее таблиц истинности и временных диаграмм. Для подачи на вход логического элемента уровня логической "1" необходимо подключить соответствующий вход через сопротивления R76, R79, R72 либо R73 к источнику питания "+5В". Для подачи на вход логического элемента уровня логического "0" необходимо этот вход подключить к общему проводу. Выходной сигнал логического элемента регистрируется осциллографом.
2. Подав на один из входов логического элемента И, а затем на И-НЕ, прямоугольные импульсы от генератора ГС2 зарисовать осциллограммы на выходе при уровне на втором входе "0" и "1". Пояснить полученные осциллограммы.
1. Назовите основные параметры логических элементов.
2. Изобразите схему логического элемента ИЛИ на диодах и поясните ее работу.
3. Изобразите схему логического элемента И на диодах и поясните ее работу.
4. Поясните принцип минимизации функции с помощью метода карт Карно.
5. Перечислите основные типы логик и дайте им сравнительную оценку.
6. Приведите пример схемной реализации логического элемента "ИЛИ-НЕ" ТТЛ логики.
7. Приведите пример схемной реализации логического элемента "И" КМОП логики.
6. Лабораторная работа № 20. ТРИГГЕРЫ Изучение принципа действия и основных свойств асинхронных и синхронных R-S-триггеров и счетного Т-триггера, собранных на логических элементах.
R-S-триггеры. Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния. При отсутствии внешних воздействий триггер может сколь угодно долго находиться в одном из устойчивых состояний. По функциональному признаку различают триггеры типов R-S, D, T, J-K и др. По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего импульса.
Триггеры применяют при построении сложных функциональных устройств: счетчиков импульсов, регистров и т.д.
Асинхронные R-S-триггеры являются простейшими, однако они получили широкое распространение в цифровой технике. В частности, они служат основой триггеров других типов и требуют для своего построения два двухвходовых логических элемента типа И-НЕ или ИЛИ-НЕ.
На рис. 20.1, а приведена структурная схема асинхронного R-S-триггера на логических элементах И-НЕ. Схема имеет два выхода:
Q – прямой, Q – инверсный.
По информационному входу S производится установка триггера в состоянии логической «1», по входу R – установка (перевод) триггера в исходное состояние логического "0". Этому соответствуют сокращенные обозначения входов и названия триггера: S – set (установка), R – reset (возвращение в исходное состояние).
Принцип действия R-S-триггера иллюстрируется таблицей переходов триггера (см. рис. 20.1, б), где указаны значения входных сигналов S и R в некоторый момент времени t n и состояние триггера в следующий момент времени t n + 1 после прихода очередных импульсов.
На рис. 20.2 приведена структурная схема и временные диаграммы тактируемого R-S-триггера на элементах И-НЕ. Переключения в тактируемом триггере возможны лишь при наличии разрешающего сигнала (импульса тактов), подаваемого на вход Т. Эта особенность схемы связана с применением на входах асинхронного R-S-триггера двух управляющих элементов И-НЕ.
D-триггер. D-триггеры имеют один информационный вход. Состояние "1" соответствует единица на входе триггера, а состоянию логического "0" – нулевой уровень входного сигнала.
На практике наибольшее применение получили тактируемые D-триггеры. Их обозначение обусловлено свойством сохранять состояние логической "1" после снятия входного сигнала до прихода очередного тактового импульса (delay – задержка).
На рис. 20.3. приведена структурная схема и временные диаграммы однотактного D-триггера, выполненного на основе асинхронного R-S-триггера с элементами И-НЕ.
Т-триггер. Характерным свойством Т-триггера является его переключение в противоположное состояние с приходом каждого очередного входного импульса. Ввиду широкого применения в счетчиках импульсов его часто называют триггером со счетным запуском.
Триггеры Т-типа выполняются на базе двух асинхронных R-S-триггеров (М-S-схема), один из которых называют основным (moster – основной), а другой – вспомогательным (slave – вспомогательный (триггеры ОТ и ВТ на рис. 20.4, а)). На рис. 20.4, б приведены временные диаграммы работы T-триггера.
Последовательность переключения асинхронных R-S-триггеров, входящих в Т-триггер, такая. На этапе фронта входного импульса переключается основной триггер, а по окончании длительности t и входного импульса (на этапе среза) – вспомогательный триггер. Указанная особенность отражается в другом названии схемы – триггер с внутренней задержкой.
J-К-триггер. J-K-триггер получают на основе Т-триггера путем использования в его входных цепях трехвходовых элементов И-НЕ, позволяющих иметь два дополнительных входа J и К (пунктирные линии на рис. 20.4, а). Наличие двух дополнительных входов расширяет функциональные возможности триггера, в связи с чем J-Ктриггер называют универсальным. При соответствующем подключении входов J-К-триггер, в частности, может выполнять функции R-S, D- и Т-триггеров (см. рис. 20.5).
J-K-триггер, так же как и все типы триггеров, получаемые на его основе, является триггером с внутренней задержкой: в момент действия импульса Т информация записывается в основной триггер, а после его окончания состояние основного триггера передается во вспомогательный.
R-S t - и D t -триггеры являются тактируемыми (рис. 20.5, а, б).
R-S-триггер получают подачей на вход J сигнала S, а на вход К-сигнала R. D t - триггер создается введением инвертора в цепь входа К. Триггер со счетным запуском (Т t -триггер) реализуется подключением входом J и К ко входу Т.
Аналогичные схемы всех рассмотренных триггеров можно получить используя для этого логические элементы ИЛИ-НЕ. При этом необходимо учесть, что асинхронный R-S-триггер на элементах ИЛИ-НЕ имеет прямые входы.
1. Изучить принцип работы и функциональные свойства всех триггеров на логических элементах.
2. Изобразить таблицы истинности и временные диаграммы, поясняющие работу асинхронного R-S, синхронного R-S и счетного Т-триггера.
3. Нарисовать исследуемые схемы триггеров на логических элементах И-НЕ.
4. Рассмотреть с порядок сборки и исследования схем на стенде.
1. Исследовать схему асинхронного R-S-триггера на ЛЭ И-НЕ, представленную на рис. 20.6. Составить таблицу истинности и снять временные диаграммы. Подача управляющих сигналов на S вход осуществляется с помощью кнопки S2, а на R вход – подключением этого входа к шине питания либо к общему проводу. Состояние выходов триггера регистрируется по индикаторам H2 и H3. Данную схему (с кнопкой S2) можно рассматривать как генератор одиночных импульсов ГОИ, в которой исключено явление "дребезга" контактов кнопки S2.
2. Исследовать схему синхронного R-S-триггера, представленную на рис. 20.7. Составить таблицу истинности и зарисовать временные диаграммы для него при подаче на тактируемый вход Т одиночных импульсов от генератора ГОИ и прямоугольных импульсов от ГС2.
3. Исследовать счетный Т-триггер, схема которого представлена на рис. 20.8. Для этого выполнить рекомендации п. 2.
Рис. 20.7.
Рис. 20.8.
1. Назовите основные разновидности триггеров, выполненных на логических элементах.
2. Приведите классификацию входов триггеров и их назначение.
3. Объяснить, как строится временная диаграмма работы триггера?
4. Где применяются различные разновидности триггеров?
5. Чем различаются триггеры на элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ?
6. Чем различаются асинхронные и синхронные триггеры?
7. Как построить Т-триггер на основе R-S, D- и J- K -триггеров?
8. Чем определяется внутренняя задержка Т-триггера?
9. Докажите универсальность J-K-триггера.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Лачин В.И. Электротехника: Учебное пособие для студентов втузов / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. 4-е изд., перераб. и доп. Ростовна-Дону: Феникс, 2004. 576 с.2. Немцов М.В. Электротехника и электроника: Учебник для студентов вузов / М.В. Немцов. М.: МЭИ, 2003. 616 с.
3. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций / В.А. Прянишников. СПБ.: КОРОНА принт, 1998. 400 с.
4. Забродин Ю.С. Промышленная электроника / Ю.С. Забродин. М.:
Высшая школа, 1982. 496 с.
«