Материалы для проведения лабораторных и практических занятий учебной дисциплины «Основы электроники» Для специальности 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий»

Искитимский филиал ГБОУ СПО НСО «НМТ»

Рассмотрено:		Утверждаю:
На заседании предметно-цикловой комиссии электротехнических дисциплин		Зав. учебной частью
______________________________		Пицына Т.М. __________
Протокол № ___ от «__»_____20__		«___»____________20__г.
Председатель ПЦК Чарковская Т. И. ______________

Материалы для проведения лабораторных и практических занятий учебной дисциплины «Основы электроники»

Для специальности 270843 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий»

2013 г

ПЕРЕЧЕНЬ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ

И ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Основы электроники»

Лабораторная работа №1 Исследование полупроводникового диода и снятия ВАХ.

Лабораторная работа №2. Исследование биполярного транзистора.

Лабораторная работа №3. Исследование полевых транзисторов.

Лабораторная работа №4. Исследование тиристора и снятие ВАХ.

Лабораторная работа №5. Исследование схем на операционных усилителях.

Лабораторная работа №6. Изучение работы Мультивибратора.

Лабораторная работа №7. Изучение работы триггеров.

Лабораторная работа №8. Изучение маломощных выпрямителей и сглаживающих фильтров.

Лабораторная работа №9. Работа вентильных преобразователей.

Методика выполнения лабораторных работ

Целью лабораторных работ является закрепление теоретических знаний, приобретение навыков в сборке электрических цепей и проведении эксперимента.

Задание для очередной лабораторной работы студент должен получить за несколько дней до её выполнения и тщательно подготовиться к ней.

При подготовке студент должен:

- повторить теоретический материал по конспекту и учебнику (параграфы указаны в начале каждого описания лабораторной работы);

ознакомиться с описанием лабораторной работы, если необходимо вычертить схему опыта.

- выяснить цель работы, чётко представить себе поставленную задачу и способы её достижения, продумать ожидаемые результаты опытов;

сделать домашний предварительный расчёт, если это требуется в задании;

ответить на контрольные вопросы.

Настоящие методические указания позволят студентам закрепить теорию по наиболее сложным разделам курса и направлены на формирование следующих компетенций:

ОК 1 Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес

ОК 2 Организовывать собственную деятельность, определять методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество

ОК 3 Решать проблемы, оценивать риски и принимать решения в нестандартных ситуациях.

ОК 4 Осуществлять поиск, анализ и оценку информации, необходимой для постановки и решения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.

ОК 5 Использовать информационно-коммуникационные технологии для совершенствования профессиональной деятельности.

ОК 6 Работать в коллективе и в команде, обеспечивать ее сплочение, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

ОК 7 Ставить цели, мотивировать деятельность подчиненных, организовывать и контролировать их работу с принятием на себя ответственности за результат выполнения заданий.

ОК 8 Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации

ОК 9 Быть готовым к смене технологий в профессиональной деятельности

В результате выполнения практических работ по дисциплине «Основы электроники» студенты должны:

уметь:

• Определять параметры полупроводников и типовых электронных каскадов по заданным условиям

знать:

• Принцип действия устройства электронной, микропроцессорной техники и микроэлектроники и их характеристики и область применения

Лабораторная работа №1

Тема: Исследование полупроводникового диода и снятия ВАХ

Цель работы. Изучение свойств полупроводникового диода и снятие его вольт-амперной характеристики.

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода при прямом включении.

1. Установить ручку потенциометра 3 в крайнее левое положение.

2. Переключите вольтметр и амперметр на первый диапазон измерений (левое положение тумблера 5).

3. Переключите тумблер 7 в положение "П".

4. Тумблером 2 замкните цепь.

5. Осторожно вращая ручку потенциометра 3 по часовой стрелке, увеличивайте напряжение в цепи и через каждый 0,1 В записывайте в таблицу 1 показания амперметра и вольтметра. Напряжение увеличивайте до тех пор, пока показание амперметра не достигнет величины 40 или 50тА. При этом необходимо снять примерно 8 показаний измерительных приборов.

6. Окончив измерения, установите ручку потенциометра 3 в крайнее левое положение и тумблером 2 разомкните цепь.

Таблица 1

U, В
I, mA

Упражнение 2. Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода при его обратном включении.

1. Переключите вольтметр и амперметр на второй диапазон измерений (правое положение тумблера 5).

2. Переключите тумблер 7 в положение "О".

3. Тумблером 2 замкните цепь.

4. Осторожно вращая ручку потенциометра 3 по часовой стрелке, увеличивайте напряжение в цепи. Через каждый 0,02 В записывайте в таблицу 2 показания амперметра и вольтметра. После достижения напряжением величины 0,1 В показания измерительных приборов снимать при значениях напряжения 0,2 В; 0,3 В; 0,4 В; 0,5 В.

5 . Окончив измерения, установите ручку потенциометра 3 в крайнее левое положение и тумблером 2 разомкните цепь.

Таблица 2

U, В
I,  A

По полученным данным строят график, то есть вольт-амперную характеристику диода, откладывая по горизонтальной оси вправо от начала координат прямое напряжение, а влево  обратное; по вертикальной оси откладывают вверх от начала координат прямой ток, а вниз  обратный.

Получается график, изображенный на рис. 2 (без соблюдения масштаба).

Пользуясь графиком (рис. 2), определяют сопротивление диода в пропускном направлении по формуле

.

Для определения величины r используют тот участок графика, где он мало отличается от прямой линии.

Краткие теоретические сведения о работе и описание установки

Некоторые химические элементы и соединения называются полупроводниками. Типичными представителями полупроводников являются элементы германий и кремний. Качественное различие между металлами и полупроводниками проявляется в характере зависимости удельной проводимости от температуры. С понижением температуры проводимость металлов возрастает, а у полупроводников она убывает, приближаясь к нулю при приближении температуры к абсолютному нулю. При высоких температурах проводимость полупроводников приближается к проводимости металлов.

Такая зависимость проводимости от температуры объясняется тем, концентрация носителей тока (электронов проводимости) в металлах практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители тока сами возникают в результате теплового движения.

Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей других элементов. Ничтожные количества примесей весьма сильно увеличивают электропроводность полупроводников.

Примеси, поставляющие электроны в зону проводимости, называются донорами. Примером донорной примеси могут служить атомы мышьяка, вводимые в кристаллическую решетку кремния. Полупроводники с донорной примесью называются полупроводниками п-типа.

Примеси другого типа, называемые акцепторными, вызывают появление дырок, то есть вакантных мест, возникающих в результате разрывов валентных связей. Оказывается, что в электрических и магнитных полях дырки движутся так же, как двигались бы положительно заряженные частицы с зарядом, равным по величине заряду электрона, и некоторой определенной массой (вообще не равной массе электрона). Таким образом образуется дырочная проводимость, то есть проводимость р-типа, а полупроводники с такой проводимостью называются полупроводниками р-типа.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электрону, а другой дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (р п-переходом). Для получения хороших р п-переходов в пластинку чистого полупроводника вводят донорную и акцепторную примеси, создавая таким путем две области (п и р) различной проводимости.

Сопротивление р п-перехода зависит от направления проходящего через него тока. Если ток идет в направлении от р- к п-полупроводнику, то сопротивление перехода сравнительно мало; это направление называют пропускным или прямым. При пропускании тока в направлении от п- к р-полупроводнику (обратное направление) сопротивление перехода возрастает в несколько тысяч раз по сравнению с его сопротивлением в пропускном направлении. Это значит, что р п-переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковое устройство, содержащее один р п-переход, называется полупроводниковым диодом. На корпусе диода стрелкой указывают его пропускное направление.

Теоретическое объяснение указанных свойств полупроводников и полупроводниковых диодов можно найти в рекомендованных для изучения курсах общей физики.

В данной работе экспериментально определяется зависимость силы тока, протекающего через полупроводниковый диод, от приложенного к диоду напряжения. Эта зависимость называется вольт-амперной зависимость.

Снятие вольт-амперной характеристики полупроводникового диода производится при помощи макета, внешний вид которого показан на рис. 1.

В верхней части макета расположены источник тока 1, вольтметр 4, амперметр 6. Вольтметр и амперметр имеют по две шкалы, то есть имеют по два диапазона измерений. Вольтметр: верхняя шкала  диапазон измерений от 0 до 1,5 вольта; нижняя шкала диапазон измерений от 0 до 0,5 вольта. Амперметр: верхняя шкала  диапазон измерений от 0 до 50 миллиампер (тА); нижняя шкала  диапазон измерений от 0 до 100 микроампер ( А).

В дальнейшем верхние шкалы измерительных приборов будем называть первыми диапазонами, а нижние шкалы  вторыми диапазонами. Переключение диапазонов осуществляется переключателем (или тумблером) 5. При перемещении тумблера влево включаются первые диапазоны вольтметра и амперметра, при перемещении тумблера вправо включаются вторые диапазоны. Цепь замыкается тумблером 2. Напряжение в цепи регулируется поворотом ручки потенциометра 3. При вращении ручки 3 по часовой стрелке напряжение увеличивается, при вращении против часовой стрелки  уменьшается. Напряжение на исследуемом диоде 8измеряется вольтметром 4, а ток, текущий через диод,  амперметром 6. Тумблером 7 можно осуществить либо прямое, либо обратное включение диода. При положении "П" ток через диод идет в прямом направлении, при положении "О"  в обратном.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие вещества относят к классу полупроводников?

2. В чём состоит сходство проводимости полупроводников и металлов?

3. Каковы отличия проводимости полупроводников и металлов?

4. Расскажите о собственной проводимости полупроводников.

5. Что означает термин “дырка” в теории проводимости полупроводников? Опишите механизм (process) перемещения “дырок” в полупроводнике.

6. Расскажите о примесной проводимости полупроводников.

7. Какие частицы являются основными носителями заряда в полупроводниках n-типа? Как создают полупроводники n-типа?

8. Какие частицы являются основными носителями заряда полупроводниках р-типа? Как создают полупроводники р-типа?

9. Чем объясняется большая температурная зависимость проводимости при- месных полупроводников? Что такое термистер?

10. Что такое p – n переход? Опишите процесс формирования p – n перехода и причину его стабильности в отсутствии внешних воздействий.

11. Что такое запирающий слой и в чём состоит особенность электрического сопротивления этого слоя?

12. Какое подключение диода к источнику тока называют прямым, а какое – обратным?

13. Чем объясняется наличие тока (небольшой величины) через полупроводниковый диод при его обратном подключении к источнику тока?

14. Каково основное свойство и назначение полупроводникового диода?

15. Что называют внутренним сопротивлением полупроводникового диода и как изменяется величина этого сопротивления при смене полярности приложенного к диоду внешнего электрического напряжения?

Лабораторная работа №2.

Исследование биполярного транзистора.

Цель: Получение входных и выходных характеристик транзистора

Приборы и элементы: биполярный транзистор 2N3904; источник постоянной ЭДС; источник переменной ЭДС; амперметры; вольтметры; осциллограф; резисторы.

Ход работы:

1. Получение выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

Рисунок 1. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Таблица 1. Результат эксперимента

		Ек(В)
Еб(В)	Iб(мкА)	0,1	0,5	1	5	10	20
1,66	9,341	-783,3	-1,604	-1,612	-1,637	-1,749	-1,901
2,68	19,23	-1,656	-3,453	-3,469	-3,595	-3,753	-4,069
3,68	29,32	-2,479	-5,209	-5,233	-5,422	-5,657	-6,129
4,68	39,02	-3,269	-6,903	-6,934	-7,182	-7,439	-8,115
5,7	49,15	-4,042	-8,568	-8,606	-8,914	-9,299	-10,07

2. Получение входной характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

а) На схеме (рис. 2) установить значение напряжения источника Е_к равным 10 В и провести измерения тока базы i_Б, напряжения база-эмиттер U6э, тока эмиттера I_Э для различных значений напряжения источника Eg в соответствии с таблицей 10.2 в разделе "Результаты экспериментов". Обратить внимание, что коллекторный ток примерно равен току в цепи эмиттера.

б) В разделе "Результаты экспериментов" по данным таблицы 10.2 построить график зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер.

Рисунок 2

в) Построить схему, изображенную на рис 3. Включить схему. Зарисовать входную характеристику транзистора, соблюдая масштаб, в разделе "Результаты экспериментов".

Рисунок 3

г) По входной характеристике найти сопротивление r_ВХ при изменении базового тока с 10 µA до 30 µА. Результат записать в раздел "Результаты экспериментов".

Контрольные вопросы

1. Дать определение транзистора.

2. Виды и типы транзисторов.

3. Режимы работы транзисторов.

Лабораторная работа №3.

Исследование полевых транзисторов.

Цель работы: изучение принципа действия полевого транзистора, снятие и анализ его вольт - амперных характеристик, определение параметров.

Краткая теория.

В последние годы в радиолюбительской практике широкое распространение получили полевые транзисторы (ПТ). В них, в отличие от биполярных транзисторов, управление выходным током осуществляется не входным током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением.

Устройство одного из типов полевого транзистора показано на рис. 1. Его основу составляет полупроводник n-типа, с противоположной стороны которого методом диффузии образована область р-типа. На границе р- и n- областей образуется р-n переход, обладающий большим сопротивлением.

Слой полупроводника n-типа, лежащий справа от р-n-перехода, называется каналом. Если между р- и n- областями включить источник напряжения так, как показано на рис. 1 а , то р-n – переход скажется включенным в обратном направлении и его толщина увеличится, что приведет к уменьшению толщины канала. Но чем тоньше канал, тем меньше его поперечное сечение и тем больше сопротивление. Значит, изменяя обратное напряжение между р- и n- областями, можно управлять сопротивлением канала. Поэтому р-область называют управляющим электродом или затвором полевого транзистора.

Если к каналу подключить второй источник питания U_си (рис1, б), то через канал потечет ток, созданный движением электронов от нижней к верхней части n-области. Участок n-области, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком, а участок этой области, к которому они движутся – стоком.

Ток, протекающий через канал полевого транзистора, зависит от его сопротивления, которое, в свою очередь, определяется толщиной канала. Следовательно, при изменении напряжения затвора изменяется и ток, протекающий через канал.

Транзистор, структура которого представлена на рис.1 называется полевым транзистором с управляющим р-n- переходом и каналом n-типа. Если в качестве исходного материала взять полупроводник р-типа, получим полевой транзистор в управляющим р-n-переходом и каналом р-типа. У такого транзистора затвор будет образован n-областью, а полярности источников питания U_зи и U_си должны быть противоположны тем, которые показаны на рис 1.

При некотором напряжении затвора канал полностью перекрывается, и ток, протекающий через него, становится близким к нулю. Это напряжение затвора называют напряжением отсечки U_зи.отс..

Кроме полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом имеются полевые транзисторы с изолированным затвором. Области истока, стока и канала у них создаются в объеме полупроводника, а затвор выполняется в виде тонкой металлической пленки, расположенной на поверхности полупроводника и отделенной от него диэлектрической пленкой. Полевые транзисторы с изолированным затвором имеют структуру металл-диэлектрик-полупроводник, и их называют МДП-транзисторами. В качестве диэлектрической пленки часто используется пленка из оксида кремния, полученная при окислении поверхности полупроводника. Такие транзисторы называют МОП - транзисторами.

Основные характеристики полевого транзистора с управляющим р-n-переходом являются сток-затворные и стоковые (или выходные) характеристики (рис 2).

Статические стоковые (рис. 2а) и сток-затворные (рис. 2б) характеристики (ВАХ) полевого транзистора с управляющим р-n-переходом.

Вольт–амперные характеристики (ВАХ) полевых транзисторов с р-n-переходом имеют две существенно различные области – крутую и пологую (называемую также областью насыщения). В усилительной технике полевые транзисторы чаще всего работают в пологой области ВАХ, поскольку ей свойственны наименьшие нелинейные искажения и оптимальные значения параметров: крутизны, внутреннего сопротивления, собственного коэффициента усиления, от которых зависят усилительные свойства полевого транзистора.

Крутизна, определяемая как отношение изменения тока к изменению напряжения на затворе при постоянном напряжении сток-исток (в мА/В):

Для подсчета крутизны пользуются графиком:

Дальнейшие расчеты производятся аналогично.

Затем расчеты производятся по другой кривой.

Внутреннее сопротивление, определяемое как отношение изменения напряжения сток-исток к изменению тока стока при постоянном напряжении затвора (ВОМ):

Дальнейшие расчеты проводятся аналогично. Затем расчеты проводятся по другой кривой.

Статический коэффициент усиления рассчитывается по формуле:

Для подсчета коэффициента можно пользоваться как графиком стоковой характеристики полевого транзистора, так и графиком сток-затворной характеристики.

Дальнейшие расчеты производятся аналогично.

Условные графические обозначения полевых транзисторов приведены на рис.3.

А - с управляющим переходом и каналом р-типа.

Б - с управляющим переходом и каналом n-типа.

В – с индуцированным каналом р-типа.

Г – с индуцированным каналом n-типа,

Д – со встроенным каналом р-типа.

Е – со встроенным каналом n-типа.

ЭКСПЕРИМЕНТ.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.

При помощи схемы можно определить значение параметров полевого транзистора. Для этого необходимо заполнить таблицы.

Таблица №1.

Uзи (В)	Iс (мА)
	При Uси = 0.5 В	При Uси = 1 В	При Uси = 1.5 В
0
1
2
3
4
5
6
7
8

Где I_с следует смотреть по амперметру;

U_си следует смотреть по вольтметру 1

U_зи следует смотреть по вольтметру 2.

По данным таблицы №1 и %2 необходимо построить графики

С помощью графиков следует рассчитать: крутизну S (по формуле 1), внутреннее сопротивление Ri (по формуле 2) , статический коэффициент усиления М (по формуле 3).

Рекомендации:

1. При измерении U_си по вольтметру 2 необходимо установить предел измерения = 7,5 В, а множитель в положение *2.

2. При измерении I_с по амперметру необходимо установить предел измерения = 75 мА, а множитель поставить в положение *4.

3. При измерении U_зи необходимо предел измерения поставить = 7.5 В, а множитель в положение *2.

4. При измерениях необходимо соблюдать условия, чтобы I_с не превышал 200 мА.

Литература:

1 Галкин В.И. «Начинающему радиолюбителю», Минск, 1989.

2 Степаненко И.П. «Усилители с полевыми транзисторами», М, 1980.

Таблица №2.

Iс (мА)	Uси (В)
	При Uзи = 0 В	При Uзи = 3 В	При Uзи = 5 В
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300

Вопросы для зачета работы:

1. Статические характеристики и параметры полевого транзистора.

2. Устройство, типы и принцип действия полевого транзистора.

3. Полевой транзистор – аналог электронной лампы.

Лабораторная работа №4.

Исследование тиристора и снятие ВАХ.

Цель работы:

- исследовать режимы работы тиристора;

- снять и проанализировать вольт-амперную характеристику тиристора;

- научиться пользоваться справочной литературой по тиристорам.

Приборы и оборудование:

- персональный компьютер;

- программа Еlectronics Workbench – система моделирования и анализа

электронных схем.

Порядок выполнения работы

1) Начертите схему для снятия вольт-амперной характеристики тиристора

2) Запустите программу Еlectronics Workbench и постройте схему эксперимента для снятия вольт-амперной характеристики тиристора

3) Снемите вольт-амперную характеристику тиристора

Для этого необходимо определить зависимость тока анода Iа от напряжения

анод – катод Uак при некоторых фиксированных значениях тока управления Iу.

Изменяя напряжение питания, определить момент, при котором происходит

переключение тиристора. Напряжение, показываемое вольтметром V перед

моментом переключения, будет соответствовать напряжению включения ти-

ристора для заданного тока управления. Выполнить подобные операции для

других значений тока управления, указанных в таблице 4.1. Для каждого

значения тока управления запишите значение Uвкл в последнюю колонку таблицы.

Таблица 4.1 — Зависимость величины тока анода Iа от напряжения Uак при

различных значениях тока управления Iупр

4) По данным таблицы 4.1 постройте в соответствующем масштабе вольт-амперную

характеристику тиристора

5) Проанализируйте полученную ВАХ

1) Какие значение принимает ток анода Iа до и после открывания тиристора?

2) Как изменяется напряжение включения тиристора Uвкл при увеличении тока

Iупр?

3) Почему при открывании тиристора происходит резкое падение напряжения

Uак?

6) Выпишите из справочника основные параметры тиристора (в соответствии с вариантом).

1 – 2У105A, 2 – 2У208Г, 3 – 2У107А, 4 – 2У202A, 5 – 2У109A,

6 – 2У207A, 7 – 2У205A, 8 – 2У202Н, 9 – 2У201A, 10 – 2У208А.

- назначение;

- напряжение в открытом состоянии;

- отпирающий ток управляющего электрода;

- время включения;

- время выключения;

- постоянное прямое напряжение в открытом состоянии;

- постоянное обратное напряжение;

- постоянный ток в открытом состоянии;

- средняя рассеиваемая мощность.

Лабораторная работа №5.

Исследование схем на операционных усилителях.

Цель работы: закрепить теоретические знания по операционным усилителям. Научиться моделировать схемы на основе операционных усилителей с помощью программ Electronic Workbench. Научиться измерять: входные токи, напряжение смещения, входное и выходное сопротивления, время нарастания выходного напряжения операционных  усилителей.

Используемое оборудование и средства: Персональный компьютер, программа Electronic Workbench.

Методические указания: Работа выполняется  студентами за 4 часа аудиторных занятий.

 

Краткие теоретические сведения

 

Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель с большим коэффициентом усиления, имеющий два высокоомных входа и один низкоомный выход, с глубокой обратной связью. Они выполняются в виде интегральных микросхем и предназначены  для построения на их основе разнообразных функциональных узлов электронной аппаратуры  (разнообразных усилителей, интеграторов, фильтров, генераторов, коммутаторов и проч.)

ОУ в своём составе имеет входной каскад, каскад сдвига уровня напряжения и выходной каскад.

Входной каскад выполнен по хеме (рис .1), которая имеет два входа. Если обеспечить

Рис.3.1 Входной каскад ОУ

 

условие R1=R2 и идентичность параметров транзисторов VT1 и VT2,то выходное напряжение будет равно разности входных  напряжений, умноженной на коэффициент усилителя К . 

Каскад сдвига уровня напряжения выполнен по схеме эмиттерного  повторителя и исключает из сигнала уровень постоянной составляющей. Этим исключается искажение входного сигнала в усилителе.

    Выходной каскад обеспечивает выходные характеристики ОУ.

    На схемах интегральные ОУ обозначаются, как показано на рис.2.

Рис. 3.2. Обозначение ОУ

 

Основными параметрами ОУ являются:

Средний входной ток I_вх  и разность входных токов  I_вх  :

 

I_вх =(I₁+I₂)/2;  Iвх = I₁-I₂,                                              (1)

 

где I₁   и    I₂ соответственно токи инвертирующего и неинвертирующего входов при отсутствии сигналов на входах ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами биполярных транзисторов, или токами утечки затворов полевых транзисторов, на которых выполнены входные каскады ОУ. Входные токи проходят через внутреннее сопротивление источника входного сигнала и создают на нём падение напряжения. Это означает, что  при  отсутствии  сигнала  на  входе  ОУ имеется  напряжение  (U_вх ≠ 0), которое приводит к появлению выходного напряжения (U_вых ≠ 0).Чтобы избежать ошибки в работе ОУ это напряжение необходимо компенсировать.

          Напряжение смещения    U_см – значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы при отсутствии сигнала напряжение на его выходе было равно нулю. Напряжение смещения U_см можно вычислить, зная выходное напряжение (U_вых) при отсутствии входного сигнала и коэффициент усиления (К):

U_см= U_вых/K                                                         (2)

         Коэффициент усиления напряжения постоянного тока К₀ показывает во сколько раз усиливается входной сигнал. У идеального ОУ  К₀  . Для реальных схем коэффициент усиления напряжения вычисляется по формуле:

К=-R_ос/R_вх ,                                                           (3)

где   R_ос и R_вх   соответственно , сопротивление обратной связи и входное сопротивление. Входное сопротивление R_вх. Различают две составляющие R_вх:

а) входное сопротивление по синфазному сигналу (сопротивление утечки между входом и “землёй” ):

    R_вх.сф=U_вх.сф/ΔI_вх.ср ,                                                   (4)

где ΔU_вх.сф – приращение входного синфазного напряжения за счёт приращения     среднего входного тока ΔI_вх.ср.

б) дифференциальное ( разностное) входное сопротивление:

     R_{вх. диф} = ΔU_вх/ΔI_вх ,                                                    (5)

 

где ΔU_вх – изменение напряжения между входами ОУ, ΔI_вх – изменение входного тока. Обычно R_{вх. диф} =10 кОм…10 МОм.

Выходное сопротивление R_вых =20…2000 Ом.

Скорость нарастания выходного напряжения. Определяется временем за которое выходное напряжение ОУ изменяется от 10% до 90%.

         V = Uвых/t_у,                                                           (6)

Усилители и повторители напряжения на ОУ. Основные схемы усилителей и повторителей напряжения показаны на рис. 3:

 

 

                               

                        а)                                                б)                                                               в)

Рис. 3.3. Инвертирующий (а) и неинвертирующий (б) усилители и повторитель напряжения (в) на ОУ

Усилитель (рис.3,а) называется инвертирующим потому, что его выходной сигнал находится в противофазе с входным. Коэффициенты усиления по постоянному току K и в диапазоне частот K (jω) этого усилителя определяются формулами:

                                                 K = – R_ос/ R1;   K (jω) = K/(1+ jω/ω_гр),                                         (7)

 

где ω_гр – граничная частота ОУ по уровню 0,707K.

Для неинвертирующего усилителя (рис. 3, б) коэффициенты усиления по постоянному току K и в диапазоне частот равны:

                                                 K = 1+R_ос/ R1;   K (jω) = K/(1+ jω/ω_гр),                                        (8)

 

Частным случаем усилителя (рис. 3,б) является усилитель (рис. 3,в) с коэффициентом усиления K=1, поэтому его называют повторителем напряжения.

Сумматоры напряжений на ОУ. Схема суммирующего усилителя изображена на рис. 4:

Рис. 3.4. Сумматор на ОУ

 

На основании схемы рис. 4 можно записать следующие выражения:

I₁ = U₁/R₁;   I₂ = U₂/R₂;   I_ос = I₁ + I₂ = - U_вых/R_ос;

                                          U_вых = - (I₁ + I₂)R_ос = - (U₁/R₁ + U₂/R₂)R_ос =  (U₁ + U₂),                 (9)

где R = R1 = R2.

Дифференцирующие и интегрирующие ОУ. Дифференцирующие и интегрирующие устройства, созданные на основе ОУ изображены на рис. 5:

              

                                             а)                                                                            б)

Рис. 3.5. Интегрирующий (а) и дифференцирующий (б) ОУ

 

Для инвертирующего устройства (рис. 5,а) выходное напряжение определяется выражением:

                                                     (10)

На начальном интервале интегрирования, когда t _инт, изменение выходного напряжения U_вых будет достаточно близко к линейному, и скорость его изменения равна:

                                                                 ΔU_вых/Δt = - U_вх/CR₁                                                   (11)

Для дифференцирующего устройства (рис.5,б) выходное напряжение U_вых пропорционально скорости изменения входного напряжения и равно:

                                  (12)

2. Задание на подготовку к работе.

1. Изучить схемы входного и выходного каскадов ОУ.

2. Изучить параметры и характеристики ОУ, сумматора, интегратора и дифференцирующего ОУ.

3. Изучить порядок выполнения работы и нарисовать необходимые схемы и таблицы.

 

3.Контрольные вопросы.

1. По какой схеме собран входной каскад ОУ?

2. Почему входной каскад ОУ называется дифференциальным?

3. Объясните причину возникновения входных токов.

4. Почему при отсутствии вхоных сигналов на входе ОУ напряжение на выходе не равно 0?

5. Чем обусловлено входное сопротивление ОУ по синфазному сигналу?

6. Объясните назначение напряжения смещения.

7. Какую роль в ОУ выполняет входной каскад?

8. Какую роль в ОУ выполняет каскад сдвига напряжений?

9. Напишите выражение для выходного напряжения интегратора.

 

4. Порядок выполнения работы.

1. Измерение входных токов ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 6;

включите схему, измерьте входные токи и заполните таблицу 1:

 

Рис. 3.6. Схема для измерения входных токов ОУ.

 

                                                                                 Табл. 1.

Ток неинвертирующего входа	I1изм =
Ток инвертирующего входа	I2изм =
Средний входной ток	Iвх.ср. =
Разность входных токов	Iвх. =

 

2. Измерение напряжения смещения ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 7;

Рис. 3.7. Схема для измерения напряжения смещения.

используя формулу (3) и принимая, что R_ос = R₂, R_вх = R₁ определите коэффициент усиления ОУ;

включите схему и запишите показания вольтметра ΔU_вых;

используя формулу (2) определите напряжение смещения.

3. Измерение входного и выходного сопротивлений ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 8;

Рис. 3.8. Схема для измерения входного и выходного сопротивления

 

включите схему и запишите значения входного тока I_вх и выходного напряжения U_вых;

переключите ключ клавишей [Spase] и запишите значения входного тока I_вх;

рассчитайте изменения входного напряжения ΔU_вх и тока I_вх;

используя формулу (5), вычислите дифференциальное входное сопротивление;

уменьшайте сопротивление резистора нагрузки R_н до тех пор, пока выходное напряжение U_вых не будет равно примерно половине U_вых, полученного ранее;

запишите значение R_н, которое приблизительно равно выходному сопротивлению (R_вых) усилителя.

4. Измерение времени нарастания выходного напряжения ОУ:

соберите схему, изображенную на рис. 9;

 

Рис. 3.9. Схема для измерения времени нарастания выходного напряжения ОУ

 

включите схему и зарисуйте осциллограмму выходного напряжения;

по осциллограмме определите величину выходного напряжения U_вых, время его установления t_уст. Используя формулу (6) вычислите скорость нарастания выходного напряжения в В/мкс;

Сравните измеренные результаты с паспортными данными для ОУ LM741:

- средний входной ток ОУ 0,08 мкА;

- разность входных токов ОУ 0,02 мкА;

- напряжение смещения ОУ 1 мВ;

- входное сопротивление ОУ 2 МОм;

- выходное сопротивление ОУ 75 Ом;

- скорость нарастания выходного напряжения ОУ 0,5 В/мкс.

5. Исследование характеристик инвертирующего усилителя:

cоберите схему рис.3, а и установите следующие параметры элементов: R₁=1 кΩ, R₂=1 кΩ, R_ос=100 кΩ,R_н=100 кΩ, ОУ типа LM741;

используя параметры элементов схемы рассчитайте коэффициент усиления по напряжению по формуле (7);

к входу усилителя подключите функциональный генератор, заземлите его и установите следующие параметры гармонического входного сигнала: U_m=5 mB, ƒ=1 кГц;

вход и выход усилителя подключите к осциллографу, осциллограф заземлите;

получите на экране осциллографа изображения входного и выходного сигналов, измерьте их амплитуду и разность фаз;

зарисуйте осциллограммы и по результатам измерений определите коэффициент усиления по напряжению:

K_u= – U_m вых/U_m вх.

6. Исследование суммара напряжений.

соберите схему рис.4 со следующими параметрами элементов: R₁=5 кΩ, R₂=5 кΩ, R_ос=5 кΩ, R_н=10 кΩ, ОУ типа LM741;

включите амперметр для измерения токов I₁, I₂, I_ос и мультиметр для измерения U_вых;

подключите к входным цепям источники постоянного тока U₁=5B и U₂=3B и заземлите их;

включите схему и запишите показания приборов;

используя формулу (9) и параметры элементов схемы рассчитайте значения токов I₁, I₂, I_ос и значение выходного напряжения U_вых;

7. Исследование интегратора.

соберите схему рис. 5,а и установите следующие номинальные значения элементов:

R₁=10 кΩ, R_ос=100 кΩ, C=0,01 μF, ОУ типа LM741;

к входу схемы подключите функциональный генератор и установите следующие параметры прямоугольных импульсов: ƒ=2 кГц, коэффициент заполнения 50%, амплитуду 5B;

осциллограф подключите к входу и выходу схемы и заземлите его;

включите схему и зарисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения, запишите их амплитудное значение;

используя выражение (11) определите скорость изменения выходного напряжения;

установите амплитуду сигнала на выходе генератора 2В. Повторите исследования и сравните результаты.

8. Исследование дифференцирующего ОУ.

Соберите схему рис. 5,б и установите следующие номинальные значения элементов: R₁=500 Ω, R_ос=5 кΩ,C=0,05 μF, ОУ типа LM741;

к входу схемы подключите функциональный генератор и установите следующие параметры линейно изменяющегося сигнала: ƒ=1 кГц, коэффициент заполнения 50%, амплитуду 5В;

осциллограф подключите к входу и выходу схемы и заземлите его;

включите схему и зарисуйте осциллограммы входного и выходного сигналов и запишите их амплитудные значения;

по осциллограмме определите скорость изменения входного напряжения;

используя выражение (12) определите величину выходного напряжения и сравните с экспериментальным значением.

Лабораторная работа №6.

Изучение работы Мультивибратора

Цель работы: Построение схемы и изучение принципа работы мультивибратора на ОУ.

Вопросы для самоподготовки

1.Что такое электрический импульс?
2. Что понимают под импульсным режимом работы аппаратуры?
3. Какие виды импульсов вам известны?
4. Нарисуйте видеоимпульс. Назовите его основные параметры. 
5. Назовите и поясните параметры периодических импульсов.
6. Как определить скважность импульсов? Как называется величина, обратная скважности?
7. Что такое мультивибратор? Каково его назначение?
8. Нарисуйте схему мультивибратора на транзисторах. Поясните принцип работы схемы.
9. .Какие еще импульсные генераторы вам известны. В чем их отличия?
10. Выполните расчет мультивибратора на ОУ по данным, предложенным преподавателем.

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему мультивибратора на ОУ, изображенную на рисунке

2. Установить значения параметров элементов в соответствии со схемой (рекомендуется использовать полученные при расчете). 
3. Включить схему.
4. Развернуть и настроить осциллограф, изменяя чувствительность и длительность развертки. На экране можно наблюдать изменение напряжения на конденсаторе и выходной сигнал (рисунок)




Рисунок – Осциллограммы напряжения на конденсаторе и выходного сигнала 


5. Используя показания осциллографа рассчитать параметры выходного импульсного сигнала..
6. Изменяя значения сопротивления резисторов R1 и R2 , а затем емкости конденсатора С1, проследить за изменениями выходного сигнала.
7. Сделать вывод.

Лабораторная работа №7.

Изучение работы триггеров.

Цель: изучение принципа работы и технических характеристик интегральных микросхем выполняющие функции триггеров

1. Асинхронный RS – триггер

Имеет два информационных входа: S и R для установки "1" и "0" соответственно, а также два входа прямой Q и инверсный Q. Состояния RS – триггеров при действии на вход соответствующих сигналов представлены в таблице приведенная ниже

В таблицах Q^t иQ^t обозначают уровни, которые должны быть на выходах триггера до подачи на его входы так называемых активных уровней. Активным называют логический уровень, действующий на вход ЛЭ и однозначного определяющий логический уровень выходящего сигнала (независимо от уровней действующих на других входах). Для ЛЭ И-НЕ за активный уровень принимают - низкий (L – уровень). Уровни, подача которых на один из входов не приводит к изменению логического уровня на выходе, называют пассивными. Уровни Q^t+1 и Q^t+1 обозначают логические уровни на выходе триггера после подачи информации на его входы.

Для этих ЛЭ пассивным уровнем является логическая 1, поэтому сигнал R=S=1 не влияет на состояние триггера и обеспечивает хранение предыдущего значения на выходах

Q^t+1 = Q^t. Логический ноль на входе DD1 устанавливает его в единичное состояние Q=1, что ведет к логическому нулю на выходе DD2 Q^t=0. Поэтому режим R =1, S =0 является режимом записи логической единицы. Режим записи нуля аналогичен. Комбинация входных сигналов R =0, S =0, является запрещенной, так как после нее невозможно точно назвать состояние триггера. Подача активных уровней на оба входа ведет к неопределенности.

2. Синхронный RS – триггер

Синхронный (тактируемый) RS–триггер получается из асинхронного путем подключения к его входам схемы управления. Здесь S_а и R_a – асинхронные входы, а S и R информационные входы. Вход С – тактовый (синхронизированный), q₁ и q₂ – внутренние сигналы, управляют соответственно триггером, который, как его асинхронный аналог на элементе И-НЕ, переключается сигналами нулевого уровня. Состояния синхронного RS - триггера представлены в таблице ниже. Триггеры могут дополнительно иметь установочные входы R_у,S_у, сигналы которых непосредственно устанавливают триггер в заданное состояние независимо от синхросигналов. Синхронизирующий вход разрешает прием сигналов с информационных входов.

3. D – триггер

Тактируемый D – триггер имеет информационный вход D и вход синхронизации С. Одна из возможных схем однократного D- триггера и его условное обозначение приведено на рисунке ниже. D – триггер отличается от RS триггера тем, что у него один информационный вход. Если С=0, то состояние триггера устойчиво и не зависит от D. Если С=1, то состояние триггера определяется уровнями на входе D. С – сигнал в этом случае играет роль команды записать в триггер.

Существуют D-триггеры, в которых параллельно С-сигналу на входные элементы заведен еще один разрешающий сигнал V- сигнал, то в этом случае разрешение на прием D уровня является конъюнкцией сигналов на С и Vвходах. Так же иногда в триггер вводят дополнительный вход R сброса в ноль. Такой вариант входа гашения имеет активный низкий уровень и пользоваться им можно лишь при С=0.

4. Счетный Т – триггер

Т- триггер – это триггер со счетным входом. Он имеет один информационный вход. Информация на выходе такого триггера меняет свой знак на противоположный при каждом положительном (или отрицательном) перепаде напряжения на входе. Для обеспечения такого режима функционирования необходимо обеспечить обратную связь с выхода на вход. Т триггер может быть построен по схемам представленные ниже с использованием (RS и D триггеров).

Т	Qt+1
0	Qt
1	 Qt.

5. Двухступенчатый триггер (MS)

Н а рисунке ниже показана схема, состоящая из двух послед синхронных RS-триггеров первый из которых называется ведущим или М триггером, а второй - ведомым или S триггером. Благодаря общему синхросигналу С вся схема функционирует как единое целое и называется двухступенчатым или MS-триггером.

Из временной диаграммы видно, что информация, задаваемая уровнями на входах S и R, по фронту С-сигнала принимается в М-триггере, но в течение всего времени, пока С-сигнал равен "1", не проходит в S-триггер, поскольку его конъюнктуры 5 и 6 в это время перекрыты инверсией С-сигнала - сигналом С. Они откроются лишь при С = 1, т.e. на срезе С-сигнала. и только тогда S-триггер примет состояние М-триггера. MS-триггера непрозрачен по управляющим R- и S-входам ни при С = 0, ни при С = 1. Каждая ступень сама по себе прозрачна, но включены ступени последовательно, и какая-нибудь из них всегда остается запертой - или синхросигналом, или его отсутствием.

6. JK- триггер

Этот тип триггеров не имеет неопределенных состояний. Функциональная особенность JK-триггера состоит в том, что при всех входных комбинациях, кроме одной Jⁿ =Кⁿ=1, они действуют подобно RS-триггеру, причем вход J играет роль входа S, а К вход соответствует R-входу. При входной комбинации Jⁿ =Кⁿ=1 в каждом такте происходит опрокидывание триггера, и выходные сигналы меняют свое значение.

Двухступенчатый JK-триггер - непрозрачный триггер, выходы его петлями инвертирующих обратных связей (накрест) заведены на входные конъюнкторы 1 и 2.При J=K= 0 С-сигнал не может открыть входные элементы 1 и 2, и триггер находится в режиме хранения.

При J = 1, К = 0 синхросигналом может быть открыт лишь элемент 1 и только при условии, что перед поступлением С-сигнала на выходе триггера был "0" (Q = 0. Q = 1). Тогда по срезу синхросигнала триггер переключится в "1". Если же триггер до синхросигнала был в "1", то он так и останется в "1". Таким образом, J-вход выполняет функции синхронизированного S-входа. В силу симметрии схемы легко показать, что K-вход выполняет функции синхронизированного R-входа, переводя триггер в "0". Таким образом, при разноименных уровнях на J и K-входах JK-триггер ведет себя как синхронный непрозрачный RS-триггер.

Существенно отлично от RS – триггера поведение JK – триггера при J=K= 1. Для RS триггера такое состояние запрещено. Диаграмма работы JK триггера в этом режиме приведена выше. При любом состоянии триггера сигналы обратной связи открывают для С-сигнала именно тот конъюнктор, пройдя через который С-сигнал переведет триггер в противоположное состояние.

Таким образом, при J=K= 1 по срезу каждого С-сигнала триггер меняет свое состояние на противоположное. Это счетный режим.

Режимы работы триггера, определяемые входными сигналами, представлены в таблице.

Лабораторная работа №8.

Изучение маломощных выпрямителей и сглаживающих фильтров.

Цель работы – изучение принципа действия и экспериментальные исследования однофазного маломощного выпрямителя с простейшими сглаживающими фильтрами.

1.1 Основные положения

Для питания постоянным током различных электронных управляющих измерительных и вычислительных устройств, а также бытовых электронных устройств применяют маломощные выпрямители (мощностью десятки и сотни ватт), которые предназначены для преобразования переменного напряжения промышленной сети в постоянное.


 

Рисунок 1.1 - Структурная схема выпрямителя


Структурная схема маломощного выпрямителя представлена на рис.1.1 и содержит следующие узлы: 

В - выпрямительный блок, преобразующий переменное напряжение в постоянное;

Ф - фильтр для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения;

Т - трансформатор, служащий для получения необходимого напряжения на выходе выпрямителя, а также для гальванической развязки источника питания и сети;

Ст - стабилизатор постоянного напряжения, который позволяет обеспечить высокую стабильность питающего напряжения в нагрузке при применении напряжения сети или изменении параметров нагрузки.

К выходу выпрямителя могут подключаться различные электронные устройства, которые для удобства анализа заменяют эквивалентным нагрузочным резистором R_н .

В зависимости от условий работы и требований, предъявляемых к выпрямительным устройствам, отдельные узлы его могут отсутствовать. В частности, это относится к стабилизатору напряжения. Рассмотрим в первую очередь принцип действия выпрямительных схем, построенных на полупроводниковых диодах.

1.1.1 Полупроводниковый диод и его параметры

Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя областями проводимости и имеет два внешних вывода. Принцип работы диода основан на выпрямляющем свойстве р-п-перехода, т.е. способности пропускать электрический ток только в одном направлении [1,2].

Рассмотрим кратко процесс образования и свойства р-п-перехода используя структуру, приведенную на рис.1.2.а.


 а) б) в)


Рисунок 1.2 - Структура (а), прямое (б) и обратное (в) включение р-п-перехода


Слева находится слой р-типа с дырочной проводимостью и отрицательными ионами акцепторной примеси, справа – слой п-типа с электронной проводимостью и положительными ионами донорной примеси (ионы обведены кружками). При контакте вследствие разности концентраций дырки начинают диффундировать из р- в п-область, а электроны из п- в 
р-область. В области перехода электроны и дырки рекомбинируют, т.е. исчезают подвижные носители зарядов. Вследствие этого пограничный слой р-области обедняется дырками и там образуется отрицательный объемный заряд за счет ионов акцепторной примеси, а на границе п-области возникает по аналогичной причине положительный объемный заряд за счет ионов донорной примеси. Так как ионы закреплены в узлах кристаллической решетки и участия в проводимости не принимают, то вследствие ухода свободных носителей заряда из области перехода ее сопротивление возрастает. Между объемными зарядами на границе раздела возникает внутреннее электрическое поле Е₀, которое препятствует переходу основных носителей из одной области в другую.

Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение, его свойства будут зависеть от полярности приложенного напряжения. При прямой 
полярности напряжения («+» прикладывается к р-области, а «» - к 
п-области) внешнее поле Е, обусловленное приложенным напряжением U, будет направлено навстречу внутреннему полю Е₀ (рис.1.2,б). При этом внутреннее поле будет скомпенсировано и основные носители могут с 


Рисунок 1.3 - Вольт-амперная

характеристика диода
вободно проходить через р-п-переход, создавая диффузионный прямой ток I_пр. Если к р-п-переходу приложить напряжение обратной полярности, то внешнее поле Е будет складываться с внутренним (рис.1.2,в). В результате область повышенного сопротивления расширяется. При этом через этот переход протекает незначительный обратный ток I_обр, обусловленный дрейфом неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, то можно считать, что р-п-переход обладает вентильными свойствами, т.е. пропускает ток только в одном направлении. 

На рис.1.2 показано условное обозначение полупроводникового диода. Внешний вывод, соединенный с р-областью, называется анодом, а с 
п-областью – катодом. На рис.1.3 приведена вольт-амперная характеристика диода при приложении прямого U_пр и обратного U_обр напряжения. 

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

I_прср – максимальное среднее значение прямого тока, который может протекать через диод при допустимом его нагреве;

U_прср-среднее значение прямого падения напряжения на диоде при токе I_прср;

U_обрmax- максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода;

I_обрmax- максимально допустимый обратный ток диода.

Для упрощения анализа и расчета параметров выпрямителей используют понятие идеального диода, для которого сопротивление в проводящем состоянии равно нулю (U_пр=0), а в закрытом состоянии равно бесконечности (I_обр=0).


1.1.2 Однофазные выпрямители с активной нагрузкой

Для построения маломощных выпрямителей, питаемых от однофазной сети переменного тока, используют две схемы двухполупериодного выпрямления: схема с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатор (с нулевым выводом) и мостовая схема. Рассмотрим работу этих схем с активной нагрузкой R_н.

На рис.1.4. представлена схема выпрямителя с выводом средней точки трансформатора и временные диаграммы, поясняющие ее работу.

Диоды VD1 и VD2 пропускают ток в нагрузку поочередно. В течение положительного полупериода сетевого напряжения на вторичных обмотках трансформатора (полярность указана без скобок) открыт диод VD1 и ток i_a1 проходит через VD1, нагрузку и полуообмотку трансформатора с напряжением  . В следующий полупериод сетевого напряжения (полярность указана в скобках) открывается диод VD2 и закрывается диод VD1. При этом ток нагрузки i_нпротекает по контуру через диод VD2, нагрузку R_н и полуобмотку трансформатора с напряжением  . Таким образом, ток в цепи нагрузки течет в одном направлении в течение всего периода. Выпрямленное напряжение U_н представляет собой положительные полуволны напряжений   и  . При этом токi₁ первичной обмотки трансформатора будет синусоидален.





Рисунок 1.4 - Схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б) выпрямителя 

с выводом средней точки трансформатора


Данная схема выпрямителя имеет только два диода, к которым однако, предъявляются повышенные требования. Так, к закрытому диоду через другой открытый диод прикладывается обратное напряжение равное сумме  , максимальное значение которого равно амплитуде обратного напряжения и в 2 раза превышает амплитуду выпрямленного напряжения.

Наиболее широкое применение находит однофазная мостовая схема выпрямителя (рис.1.5).

Диоды образуют мост, в одну диагональ которого включена вторичная обмотка трансформатора, а в другую – нагрузочный резистор R_н. Каждая пара диодов работает поочередно. При положительной полуволне напряжения U₂ (полярность указана без скобок) открыты диоды VD1 и VD4. При этом ток в нагрузке протекает по контуру через вторичную обмотку трансформатора, диод VD1, резистор нагрузки R_н и диод VD4. В следующий полупериод (полярность U₂ в скобках) ток проходит через диод VD2, нагрузку и диод VD3. Следовательно, в цепи нагрузки ток i_н протекает в одном направлении в течение всего периода. Основные временные диаграммы в данной схеме такие же, как и в предыдущей. Различие заключается в том, что в ней к закрытому диоду прикладывается обратное напряжение, амплитуда которого равна амплитуде выпрямленного напряжения. Это является достоинством мостовой схемы. Сравнивая две схемы выпрямителя, можно сделать следующие выводы [1,2]:

- 


Рисунок 1.5 - Схема мостового выпрямителя
при одинаковых значения тока I_н и напряжения U_н нагрузки типовая мощность, а следовательно, и габариты трансформатора для схемы с выводом средней точки больше, чем для мостовой схемы. Это обусловлено двумя вторичными обмотками, которые пропускают ток по полпериода каждая; 

- обратное напряжение на диоде в мостовой схеме при одном и том же выпрямленном напряжении в два раза меньше, чем в схеме с выводом средней точки трансформатора;

- мостовая схема требует в два раза больше диодов.


1.1.3 Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и тока и содержат реактивные элементы 
(L или С), способные накапливать энергию, а затем ее отдавать в нагрузку.

На рис.1.6 приведены простейшие сглаживающие фильтры, подключаемые между выпрямителем и нагрузкой.



а) б) в)

Рисунок 1.6 - Схемы сглаживающих фильтров

В индуктивном фильтре используется дроссель L_ф , который включается последовательно с нагрузкой R_н (рис.1.6,а). Сущность работы данного фильтра сводится к тому, что при увеличении напряжения вторичной обмотки трансформатора выпрямителя происходит накопление энергии в индуктивности L_ф , а при его уменьшении за счет возникшей э.д.с. самоиндукции ток в нагрузке будет мало меняться. Индуктивность L_ф выбирается из условия ₍₁₎L_ф  R_н, где₍₁₎- угловая частота первой гармоники пульсации. При выполнении указанного условия практически вся переменная составляющая выпрямленного напряжения будет падать на дросселе, а постоянная составляющая полностью передаваться в нагрузку.

В емкостном фильтре (рис.1.6,б) необходимо выполнить условие 1/₍₁₎С_ф  R_н. В этом случае переменная составляющая напряжения будет замыкаться через конденсатор С_ф^, а постоянная составляющая поступает в нагрузку.

Из приведенных неравенств следует, что индуктивный фильтр более эффективен при больших токах нагрузки (малых R_н), а емкостной – при малых токах (больших R_н).

В RC-фильтре (рис.1.6,в) конденсатор С_ф шунтирует нагрузку по переменной составляющей напряжения, которая дополнительно ограничивается сопротивлением резистора R_ф. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении значительно уменьшается. Недостатком RC-фильтра является потеря мощности на резисторе R_ф, что снижает к.п.д. фильтра. Поэтому RC-фильтры целесообразно использовать в выпрямителях при малых токах нагрузки.

Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций g₁ и g₂ на входе и выходе фильтра

,

(1.1)

где U_d - напряжение на входе фильтра;

U_н - напряжение на нагрузке;

U_m1, U^/_m1 - амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения на входе и выходе фильтра.


1.1.4 Работа выпрямителя с емкостным фильтром

В маломощных выпрямителях часто используют простейший емкостной фильтр, который представляет собой конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. Такой фильтр для выпрямителя представляет емкостную нагрузку, которая заметно изменяет характер процессов в схеме. Рассмотрим работу однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора при наличии емкостного фильтра. Схема данного выпрямителя и временные диаграммы приведены на рис.1.7.


 а) б)


Рисунок 1.7 - Схема однофазного выпрямителя с выводом средней точки 

трансформатора (а) и временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя (б)


Работа выпрямителя удобно рассмотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис.1.7,б. В интервале времени t₁-t₂ конденсатор C_ф через открытый диод VD1 заряжается, так как в это время  . При этом ток диода VD1 равен i_a1 = i_c + i_н. Во время прохождения этого тока имеет место падение напряжения на диоде и активном сопротивлении обмоток трансформатора, т.е.  .

С момента времени t₂ напряжение U₂ становится ниже напряжения на конденсаторе и U_c диод VD1 закрывается. В интервале t₂-t₃ конденсатор разряжается на резистор нагрузки с постоянной времени  = R_нС_ф, поддерживая тем самым ток нагрузки. В момент t₃ в следующем полупериоде создаются условия для включения диода VD2 (U₂  U_c) и конденсатор начинает заряжаться и т.д.

Напряжение на нагрузке определяется кривыми заряда и разряда конденсатора. Форма кривой тока нагрузки i_н аналогична кривой напряжения U_н. Форма кривой тока диодов отличается от формы кривой при работе на чисто активную нагрузку: время протекания тока уменьшается, а максимальное значение тока возрастает.


1.1.5 Внешние характеристики выпрямителей

Внешней (нагрузочной) характеристикой выпрямителя называется зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки U .

На выходе выпрямителя без фильтра среднее значение напряжения на холостом ходу ( I_н = 0) равно

,

(1.2)

где  - действующее значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора.

При наличии тока нагрузки I_н на внутренних сопротивлениях диодов r_g и активном сопротивлении обмоток трансформатора r_тр возникают падения напряжения, которые приводят к уменьшению напряжения U_н . При этом внешняя характеристика выпрямителя без фильтра определяется по формуле

,

(1.3)

где U_но- напряжение на нагрузке при I_н=0.

Н 
 Рисунок 1.8 - Внешние характеристики выпрямителя
а рис.1.8 приведены внешние характеристики выпрямителя

. 

Кривая 1 изображает внешнюю характеристику без фильтра. По ее наклону можно определить внутреннее сопротивление выпрямителя

.

Кривая 2 соответствует выпрямителю с С-фильтром. При I_н=0 напряжение  , так как в отсутствии тока I_н конденсатор С_ф заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки. 
С ростом тока I_н кривая 2 спадает быстрее, чем кривая 1, что объясняется уменьшением постоянной времени  .

Внешняя характеристика RС-фильтра (кривая 3) имеет еще более крутой наклон, чем кривая 2. Это вызвано дополнительным падением напряжения на последовательно включенном резисторе R_ф (рис.1.6,в).


1.2 Описание схемы эксперимента

В работе исследуется однофазная двухполупериодная схема выпрямителя с выводом средней точки трансформатора с фильтрами, приведенная на рис.1.9.

Такое же изображение схема выпрямителя имеет и на накладной панели стенда с указанием контрольных точек (гнезда Х1-Х5).

Ток нагрузки регулируется реостатом R_н с помощью ручки «R_н». 
С помощью коммутации ключей S1 и S2 можно исследовать работу выпрямителя с активной нагрузкой, С-фильтром и RC-фильтром.





Рисунок 1.9. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом 

средней точки трансформатора с фильтрами.


Шунты из резисторов r_ш=1 Ом позволяют проводить измерения токов в цепях выпрямителя. Так, при подключении осциллографа к гнезду Х3 можно наблюдать на одной оси времени поочередное протекание токов диодов VD1 и VD2. При подключении цифрового вольтметра к гнезду Х5 можно определить ток нагрузки по падению напряжения на шунте r_ш.

На гнезде Х1 можно наблюдать переменное напряжение во вторичной обмотке трансформатора, на гнезде Х2 - напряжение на выходе выпрямителя, на гнезде Х4 – напряжение на нагрузке.


1.3 Порядок выполнения работы

Перед началом экспериментов подготовьте стенд к работе в соответствии с указаниями данной инструкции. Обратите внимание на использование коммутатора стенда при снятии нескольких осциллограмм одновременно.


1.3.1 Исследование внешних характеристик выпрямителя

Снятие внешних характеристик выпрямителя   производится с помощью цифрового вольтметра, который фиксирует напряжение u_н на гнезде Х4 и ток I_н по падению напряжения на гнезде Х5 (шунт 
r_ш= 1 Ом).

1.3.1.1 Снять внешнюю характеристику выпрямителя при активной нагрузке (ключ S1 замкнут, ключ S2 разомкнут), Ток нагрузки устанавливать ручкой «R_н» равномерно в пределах от минимального до максимального значения. Данные измерений занести в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Iн, mA
Uн, В

1.3.1.2 Снять внешнюю характеристику выпрямителя с С-фильтром (ключи S1 и S2 замкнуты). Измерения произвести аналогично п.1.3.1.1.

1.3.1.3 Снять внешнюю характеристику выпрямителя с RC-фильтром (ключ S1 разомкнут, ключ S2 замкнут). Измерения произвести аналогично п.1.3.1.1.


1.3.2 Исследование влияния сглаживающих фильтров
на форму токов и напряжений в выпрямителе

Задачей экспериментального исследования является получение качественной картины влияния фильтров на процессы в выпрямителе и эффективности сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

1.3.2.1 Подключить вход осциллографа к выходу выпрямителя (перемычка между гнездами Y1 и Х4) и, изменяя ток нагрузки ручкой «R_н», наблюдать изменение формы выпрямленного напряжения для С-фильтра и RС-фильтра.

1.3.2.2 Установить максимальный ток нагрузки и, используя два канала осциллографа С1-93, снять осциллограммы в контрольных точках 
Х1-Х5 при активной нагрузке и при наличии фильтров. Соблюдая один масштаб времени, построить одну под другой осциллограммы напряжений и токов для выпрямителя без фильтра и с фильтрами. Во всех случаях исходной является осциллограмма входного напряжения на обмотке трансформатора (гнездо Х1).


1.4 Обработка результатов эксперимента 
и оформление отчета

1.4.1 В соответствии с п.1.3.1 построить внешние характеристики выпрямителя   без фильтра и с фильтрами.. Характеристики строятся на одном графике в одном масштабе.

1.4.2 Используя внешнюю характеристику выпрямителя при активной нагрузке, определить внутреннее сопротивление выпрямителя  .

1.4.3 На основании п.1.3.2 привести диаграммы напряжения U_н при С-фильтре для минимального и максимального тока нагрузки и пояснить причины изменения его формы.

1.4.4 На основании п.1.3.2.2 проанализировать по осциллограммам форму токов диодов выпрямителя без фильтра и с фильтрами.

Отчет о выполненной работе должен содержать: цель работы, принципиальную схему эксперимента, таблицы и графики, полученные в результате эксперимента, а также осциллограммы в соответствии с заданием по выполнению работы и их краткий анализ.


Вопросы для самопроверки

1. 
   Объясните принцип действия полупроводникового диода.

2. 
   Перечислите основные параметры диода при его работе в схемах выпрямителей.

3. 
   Опишите работу однофазного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора на активную нагрузку.

4. 
   Опишите работу однофазного мостового выпрямителя.

5. 
   Проведите сравнительную оценку двух схем выпрямления, описанных в п.1.1.2.

6. 
   Объясните работу выпрямителя при наличии емкостного фильтра.

7. 
   Объясните принцип работы простейших сглаживающих фильтров и укажите основные их качественные показатели.

8. 
   Объясните ход внешних характеристик выпрямителя при работе на активную нагрузку, а также при наличии С-фильтра и RC-фильтра.

Лабораторная работа №9.

Работа вентильных преобразователей.

Цель работы. Изучить вертикальный метод управления вентильным преобразователем и влияние управления на основные характеристики выпрямителя и зависимого инвертора.

Рис. 10. Модель выпрямителя трехфазного тока с системой управления

Рис. 11. Модель трехфазной мостовой схемы выпрямления
с системой управления

Программа работы

1. Снять передаточные характеристики вентильного преобразователя для схемы на рис. 10 рис. 11 (по указанию преподавателя) при косинусоидальной и пилообразной формах опорных напряжений.

2. Снять семейство внешних характеристик преобразователя при изменении α от 0 до α_max = 180 – _min , предварительно рассчитав значение _min.

3. Получить регулировочную характеристику преобразователя при I_d = const.

4. Снять зависимость коэффициент гармоник выпрямленного (инвертируемого) тока от величины выпрямленного (инвертируемого) напряжения при I_d = const.

5. Снять зависимость коэффициента мощности вентильного преобразователя (в звене переменного тока) от величины напряжения в звене постоянного тока при I_d = const.

6. Посмотреть обратное влияние вентильного преобразователя на форму напряжения в сети переменного тока, зафиксировав временные диаграммы сетевого напряжения и сетевого тока.

7. Снять спектрограммы входного тока и выпрямленного напряжения при .

Рис. 12. Временные диаграммы характерных токов и напряжений
управляемого вентильного преобразователя (рис. 11)

На рис. 12 показаны:

1) импульсы генератора «пилы» (PILA1), генератора постоянного сигнала (DC) и импульсы на выходе компаратора (COMP);

2 – 6) импульсы системы управления, подаваемые на вентили преобразователя (OR, OR2, OR3, OR4, OR5, OR6);

7) кривая выпрямленного напряжения (u_d) и напряжение на R_d (u_(Rd)).

Контрольные вопросы

1. Нарисовать структурную схему вертикальной многоканальной системы управления вентильным преобразователем.

2. На какие параметры управляемого преобразователя влияет форма опорного напряжения системы управления?

3. Какой вид имеет передаточная характеристика вентильного преобразователя?

4. Написать уравнение внешней характеристики управляемого выпрямителя. Нарисовать графики для X_d = и конечного X_d.

5. Отчего возникает режим работы выпрямителя на противоЭДС с вынужденным углом регулирования?

6. Какими параметрами выпрямителя определяется наклон внешней характеристики в области прерывистых токов и в области непрерывных токов?

7. Как перевести управляемый выпрямитель в режим зависимого инвертора?

8. Как определить время, предоставляемое схемой на восстановление управляющих свойств тиристора?

9. Написать уравнение и нарисовать график регулировочной характеристики преобразователя.

10. Что лимитирует ограничительная характеристика зависимого инвертора?

11. Как сказывается влияние угла регулирования a на качество выпрямленного тока и входной коэффициент мощности выпрямителя?

12. Как учитывается в модели конечность мощности источника сетевого напряжения и как это сказывается на временных диаграммах напряжений и токов вентильного преобразователя?

13. Какие особенности вентильного преобразователя «обострятся» при отсутствии входного трансформатора или сглаживающего фильтра?