Лабораторная работа №2. Исследование работы параметрических стабилизаторов напряжения

Цель работы: Изучение принципа работы параметрического стабилизатора и стабилизатора с эмиттерным повторителем.

Теоретические сведения

Электропитание маломощной аппаратуры с небольшим пределом изменения тока потребления обычно осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Кроме того, эти стабилизаторы широко используются в качестве источников опорного напряжения.

Для стабилизации постоянного напряжения в ПСН применяются элементы с нелинейной ВАХ (например, кремниевый стабилитрон). Основная схема однокаскадного ПСН приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 3.1 – Схема однокаскадного параметрического стабилизатора

В этой схеме при изменении входного напряжения U_вх на ±∆U_вх ток через стабилитрон VD изменяется на ∆I_ст, что приводит к незначительным измене­ниям напряжения на стабилитроне, а следовательно, и на нагрузке. Значение ∆U_н зависит от ∆U_вх, сопротивления ограничивающего резистора R₀ и дифференциального сопротивления стабилитрона

.

Коэффициент стабилизации схемы ПСН

.

Максимальная выходная мощность схемы рисунка 2.1 ограничивается предельными значениями тока стабилизации и рассеиваемой мощности стабилитрона. Мощность нагрузки может быть увеличена, если использовать транзистор в режиме эмиттерного повторителя со стабилитроном в базовой цепи (рисунок 2.2).

Рисунок 3.2 – Стабилизатор с эмиттерным повторителем

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Начальные установки:

• переключатель S6 в положение «1»;

• переключатель S8 в положение «2»;

• переключатель вида схем стабилизаторов в положение «ВКЛ» (положению «ВКЛ» переключателя S7 соответствует схема параметрического стабилизатора, положению «ВЫКЛ» ‑ схема стабилизатора с эмиттерным повторителем);

• переключатели S1, S5 в положение «ВКЛ».

Сопротивлением нагрузки R_н являются переменное сопротивление R5 и постоянное сопротивление R6.

2. Перевести вольтметр в режим измерения постоянного напряжения (=) и подключить его к разъему Х3. Измерить входное напряжение U_вх.

По измеренному значению U_вх рассчитать величину балансного сопротивления R_б

,

где U_ст – номинальное напряжение стабилизации, указанное в таблице 2.1;

I_cт – ток стабилизации;

I_н – ток нагрузки.

,

где R_н – сопротивление нагрузки (указывается преподавателем).

Величина тока стабилизации выбирается из условия

,

где I_max – предельно допустимый ток стабилизации, указанный в таблице.

Полученное значение сопротивления R_б представляет собой сумму сопро­тивления постоянного резистора R_min и переменного R_i. Таким образом

,

где R_min приведено в таблице 2.1.

Выставить на лабораторном макете сопротивления R_i (R₃) и R_н (R₄). Затем, подключив вольтметр к разъему Х4, измерить стабилизированное напряжение.

Таблица 3.1 – Параметры стабилитрона Д814Б

Uст, В	Iст, мА	rдиф, Ом	Pmax, мВт	Rбmin, Ом
8-9,5	3-36	10	340	310

3. Подключив осциллограф к разъему ХЗ, измерить амплитуду пульсаций входного напряжения стабилизатора и зарисовать полученную осциллограм­му.

4. Подключив осциллограф к разъему Х4, измерить амплитуду пульсаций выходного напряжения стабилизатора и зарисовать полученную осциллограмму.

5. Рассчитать коэффициент стабилизации по формуле

.

6. Подключив вольтметр к разъему Х4, снять зависимости:

7. Подключив вольтметр к разъему Х4, снять зависимость

8. Подключив вольтметр к разъему Х4, снять зависимость при максимальном и минимальном значении R_н.

9. Подключив вольтметр к разъёму Х4, снять зависимость при максимальном и минимальном значении R_н.

10. Установить R_н в первоначальное положение и перевести переключатель S7 в положение «ВЫКЛ». Провести расчет R_б для стабилизатора с использованием повторителя.

Определить выходное напряжение последовательного стабилизатора по формуле

,

где U_бэ=0,6В.

Величина коллекторного тока

.

Ток базы, являющийся током нагрузки стабилитрона, можно вычислить

,

где ‑ статический коэффициент передачи тока транзистора КТ315Г, используемого в макете.

Величина баластного сопротивления определяется аналогично тому, как это делалось для ПСН только вместо I_н используется I_б, а ток стабилизации выбирается из условия

Примечание: Если полученное значение R_i превышает 1,5 кОм необходимо изменить выбор I_ст.

Выставив рассчитанное значение Ri, подключить вольтметр к разъему Х4 и измерить выходное напряжение стабилизатора.

11. Выполнить пункты 3‑9 для стабилизатора с использованием эмиттерного повторителя.

Содержание отчета

1. Название, цель работы.

2. Краткие теоретические сведения.

2.1. Назначение стабилизаторов.

2.2. Схемы исследуемых стабилизаторов.

2.3. Формулы для расчета элементов стабилизаторов.

3. Выполнение работы.

3.1. Осциллограммы напряжений на выходах стабилизаторов.

3.2. Расчетные и экспериментальные данные.

3.3. Диаграммы зависимости постоянного напряжения и напряжения пульсаций от сопротивления нагрузки.

4. Выводы.

Лабораторная работа № 3. Изучение схем питания биполярных транзисторов

Цель работы: Исследование режима работы по постоянному току биполярного транзистора (БТ) в схеме с общим эмиттером (ОЭ).

Теоретические сведения

При отсутствии входного сигнала усилительный каскад работает в режиме покоя, который в усилителях переменного сигнала называется режимом постоянного тока. Он задается цепями питания усилительных элементов, которые должны обеспечить необходимое напряжение на электродах, токи через усилительный элемент и быть постоянными в процессе эксплуатации при воздействии дестабилизирующих факторов.

В работе необходимо исследовать 4 схемы каскада с ОЭ, отличающихся схемой питания электродов транзистора и подачей смещения во входную цепь усилителя.

Исходные данные: Е_п = 9В; R_н = R_к = 2 кОм.

Схема питания с фиксированным током базы

Рисунок 6.1 – Схема питания усилительного каскада с ОЭ, осуществляемая фиксированным током базы

С целью обеспечения возможности регулировки I_б в схему усилительного каскада вместо R_б включают постоянный R_б2 и переменный резистор R_б1 (рисунок 3.2)

Рисунок 6.2 – Схема питания усилителя с ОЭ фиксированным током базы,

позволяющая изменять I_БА с помощью R_б1

Схема питания усилительного каскада на БТ с ОЭ с отрицательной обратной связью по напряжению

Рисунок 6.3 – Схема питания усилительного каскада по схеме с ОЭ с отрицательной обратной связью (ООС) по напряжению

Принцип действия данной схемы похож на схему фиксированным током базы, но она позволяет получить более стабильное положение рабочей точки А. В этой схеме в напряжении U_КЭ, снимаемое с коллектора VT и подаваемое на базу транзистора через Rоос, присутствуют переменная и постоянная составляющая.

Как и в предыдущей схеме используем возможность регулировки I_Б с помощью включения последовательно с R_ООС1 и R_ООС3 переменного резистора R_ООС2 (рисунок 3.4).

Так же в данной схеме имеется возможность подключения конденсатора C_ООС при помощи переключателя S. Элементы R_ООС3 R_ООС2 С_ООС – образуют фильтр нижних частот, который пропускает только постоянную составляющую базового тока и составляющую вызванную изменением температуры. Поэтому переменная составляющая коллекторного тока замыкается на землю через C_ООС и не доходит до базы. Таким образом в схеме происходит уменьшение изменений тока коллектора, вызванных только изменением температуры.

Рисунок 6.4 – Схема питания усилительного каскада по схеме с ОЭ с ООС по напряжению, позволяющая регулировать I_БА с помощью R_Б1

Схема питания усилительного каскада на БТ с ОЭ с фиксированным напряжением база-эмиттер

Схемы усилительного каскада с ОЭ с фиксированным напряжением база-эмиттер и фиксированным напряжением база-эмиттер с эмиттерной стабилизацией приведены на рисунке 3.5.

Схема питания с фиксированным напряжением база-эмиттер обладает лучшей стабильностью режима усилителя по постоянному току. Делитель напряжения, образованный резисторами (R_д1 + R_д3) и R_д2, делает фиксированным напряжение база-эмиттер.

Сопротивление R_Э (рисунок 3.5, б) создает отрицательную обратную связь как по постоянному так и переменному току. ООС по постоянному току стабилизирует режим покоя усилителя, ООС по переменному току – снижает коэффициент усиления по напряжению К_u. Для устранения снижения К_u в схему вводится конденсатор С_Э, который для переменного тока устраняет ООС, шунтируя R_Э.

Рисунок 6.5 – Схема усилительного каскада с ОЭ с фиксированным напряжением база-эмиттер (а) и фиксированным напряжением база-эмиттер с эмиттерной стабилизацией (б)

Порядок выполнения работы

Для исследования схем питания транзисторов необходимо произвести следующие установки:

• переключатели S1…S5 и S7 перевести в положение «ВКЛ»;

• переключатели S6 и S8 перевести в положение «1».

Генератор сигналов НЧ перевести в режим генерации синусоидальных колебаний «~» с частотой F = 1 кГц и амплитудой U_вх = 10мВ и подключить к разъему X6.