Опрацювання результатів дослідів

1. Знайти відношення середнього випрямленої напруги U₀ до діючої напруги U при куті вимикання тиристора  = 0 і порівняти його зі значенням, одержуваним за формулою .

2. Записати на сумісних осцилограмах u₀(t) і u_к(t), значення кута вмикання тиристора  і середню випрямлену напругу U₀.

3. Накреслити в загальній системі координат зовнішні характеристики випрямляча U₀(I₀) при активному навантаженні, U = const і f = const для трьох сталих значень кута вмикання тиристора .

4. Розрахувати коефіцієнт потужності, ККД випрямляча при куті вмикання тиристора =0.

Дані розрахунків занести в таблицю:

№ досліду	U, B	I, А	Р1, Вт		U0, B	I0, А	
1-5

5. Збудувати в загальній системі координат графіки: (I₀), (I₀) для випрямляча з тиристором при активному навантажені, якщо  = 0, U = const і f = const.

Запитання для самоперевірки

1. Що являє собою керований випрямляч з тиристором?

2. Як збудовані тиристор, диністор, симістор?

3. Які особливості роботи мають диністори та симістори?

4. Як можна змінити напругу вмикання тиристора?

5. Чим відрізняються симістори від тиристорів?

6. Як можна регулювати середню випрямлену напругу керованого випрямляча з тиристором?

7. Яким чином можна змінювати кут вмикання тиристора?

8. Які основні елементи входять у фазозсувне коло?

9. Як визначити коефіцієнт потужності та ККД керованого випрямляча з тиристором?

10. Як впливає кут вмикання тиристора на зовнішню характеристику випрямляча?

РОБОТА 2

Підсилювач низької частоти на інтегральній мікросхемі

Мета роботи

1. Ознайомитися з будовою польових, біполярних транзисторів і інтегральних мікросхем, їхніми властивостями і схемами вмикання.

2. Вивчити особливості роботи електронних схем підсилювачів на транзисторах, інтегральних мікросхемах.

3. Дослідити роботу підсилювача низької частоти на інтегральній мікросхемі, побудувати його амплітудно-частотну й амплітудну характеристики.

Основні теоретичні положення

Підсилювач – пристрій для збільшення рівня електричного сигналу за рахунок енергії джерел живлення. У підсилювачах використовують властивість активних нелінійних елементів – уніполярних чи польових і біполярних транзисторів змінювати в широких межах їхній внутрішній опір під дією вхідного сигналу незначної потужності.

У залежності від частоти вхідних сигналів розрізняють: підсилювачі низької частоти ПНЧ, - для сигналів частот від 20 Гц до 20 кГц, підсилювачі високої частоти ПВЧ для частот понад 20 кГц, а також підсилювачі постійного струму ППС для посилення сигналів частоти порядку частки Гц.

Польові транзистори – підсилювальні триелектродні прилади, у яких струм каналу, обумовлений рухом основних носіїв одного знака між електродами витік-стік, керується поперечним електричним полем, яке утворюється напругою, що прикладена між керуючим електродом – затвором та істоком.

По устрою приладів розрізняють: транзистори з керуючим р-n-переходом та з ізольованим затвором який має структуру метал – діелектрик - напівпровідник (МДН-транзистор) і метал – оксид - напівпровідник(МОН-транзистор). По типу провідності каналу польові транзистори бувають з каналом n- або р-типу. Одна з основних властивостей польових транзисторів – великий вхідний опір.

Біполярні транзистори­ – триелектродні напівпровідникові прилади типів р-n-р або n-р-n з двома р-n-переходами. Вони виконані на пластинці кремнію або германія з трьома областями, які по черзі змінюють тип провідності (рис. 2.1) та призначені для підсилення і генерування електричних коливань. Фізичні процеси, що відбуваються у транзисторах обох типів аналогічні, але полярності вмикання джерел живлення протилежні.

Середній шар транзистора незначної товщини з виводом, що називають базою Б, має концентрацію основних носіїв набагато меншої, у порівнянні з сусідніми шарами. Крайні шари транзистора мають виводи: Е – емітер і К – колектор. Вивід емітера позначають стрілкою, яка завжди спрямована із р-області у n-область. Відповідно, р-n-перехід між базою і емітером є емітерний, а між базою і колектором – колекторний.

а б

Рис. 2.1. Умовні позначення і структурні схеми біполярних транзисторів:

а – типу р-n-р; б – типу n-р-n.

Робочий або активний режим роботи транзистора типу р-n-р­ відповідає вмиканню таких полярностей зовнішніх джерел Е₁ і Е₂, при яких колекторний перехід буде закритий зворотною напругою U_БК, що в кілька разів більше за напругу U_БЕ відкритого емітерного переходу (рис. 2.2). Транзистор типу n-р-n працює аналогічно, але його вмикають на напругу протилежної полярності.

Рис. 2.2. Схема приєднання біполярних транзисторів типу р‑n‑р до джерел електричної енергії.

У залежності від загального електрода для вхідного і вихідного кола, розрізняють три схеми вмикання транзисторів із спільною базою, із спільним емітером і спільним колектором. Найбільш розповсюдженою є схема зі спільним емітером, у який вхідним струмом є малий струм бази I_Б, а вихідним струмом – струм колектора I_К. Вона забезпечує велике підсилення вхідних сигналів по струму і напрузі. Коефіцієнт передачі струму для цієї схеми . Таким чином малою зміною струму бази I_Б керують значною зміною струму у колі колектора, тим самим підсилюючи потужність вхідного сигналу за рахунок енергії джерела живлення U_КЕ. У цій схемі керуючим струмом є струм бази, тому вхідною характеристикою буде характеристика I_Б(U_БЕ) при U_КЕ = const, а вихідною – I_К(U_КЕ) при I_Б = const. Через те, що емітерний перехід вмикається у прямому напрямку, а колекторний перехід – зворотно, то перший має малий, а другий – великій опір.

Джерело вхідного сигналу синусоїдної форми u_вх приєднується до вхідного кола транзисторного каскаду VT через конденсатор С₁, а навантаження R_н - через конденсатор С₂ до вихідного кола (рис. 2.3, а). Конденсатори С₁ і С₂ розділяють ці кола по постійному струму.

Рис. 2.3. Однокаскадний підсилювач низької частоти з спільним емітером:

а - схема; б – часові залежності.

Режим роботи транзистора при вхідному сигналі u_вх = 0 називають статичним або режимом спокою. Цей режим задається напругою спокою , утворюваною подільником на резисторах R₁ і R₂, що викликає постійні складові струмів бази і колектора I_Кп =  I_Бп.

При вмиканні на вхід підсилювача сигналу синусоїдної форми u_вх > 0, у вхідному і вихідному колах підсилювача виникають змінні складови струму і напруги. Протягом позитивної напівхвилі відбувається зсув емітерного переходу транзистора у прямому напрямку, збільшення струму бази i_Б і відповідно струму колектора i_К =   i_Б. За рахунок цього, напруга на резисторі R_K збільшується, а напруга між колектором і емітером u_КЕ зменшується (рис. 2.3, б).

Протягом негативного напівперіоду навпаки, струми бази i_Б та колектора i_К збільшуються, а напруга u_КЕ зростає, що обумовлює зменшення напруги і вимикання транзистора.

У наслідок того, що  >> 1, амплітуда вихідної напруги виявляється значно більшою амплітуди вхідного сигналу, і, крім того, їхні фази зміщені на π.

Для зменшення потужності споживання, розмірів, підвищення надійності та швидкодійності транзисторних пристроїв використовують інтегральні мікросхеми.

І нтегральна мікросхема ІМС – сукупність декількох взаємозалежних елементів, виготовлених в одному технологічному циклі на одній пластині що виконують функцію визначеного електронного пристрою.

У

а

б

в

напівпровідниковій мікросхемі усі елементи і міжелементні з'єднання виконані в обсязі і на поверхні напівпровідникового кристала-пласти­ни (рис. 2.4).

Найпростішим резистором ІМС служить шар напівпровідника n- або p-типу, що є одночасно базою або емітером транзисторів. Бар'єрну ємність p-n-переходу вмикають на зворотну напругу і використовують як конденсатор. При цьому зміною напруги можна керувати його ємністю.

Рис. 2.4. Напівпровідникова інтегральна мікросхема:

а – схема; б і в – структури.

Польові транзистори в ІМС виготовляють за спеціальними технологіями, що забезпечують необхідну ізоляцію між затвором, каналом і пластиною за допомогою оксидних плівок кремнію та інших матеріалів, зсувом p‑n‑переходів напругами різних полярностей.

Біполярні транзистори в мікросхемах виконують на кристалі кремнію, у якому методом дифузії створюють області колектора, бази і емітера. Діоди створюють на основі p-n переходу, що одержують відповідним вмиканням біполярного транзистора. Крім звичайних біполярних транзисторів у ІМС створюються особливі структури: багатоемітерні транзистори і транзистори з зарядовим зв'язком і т.ін.

Елементи інтегральних мікросхем з'єднують між собою та до зовнішніх виводів золотими або алюмінієвими плівками і провідниками відповідно до прийнятої схеми. Усю конструкцію укладають у металево-скляний або пластмасовий корпус з маркірованими виводами. ІМС мають однакові параметри джерел живлення, вхідних і вихідних сигналів, що дозволяє їх застосовувати спільно, без пристроїв, які узгоджують їх характеристики. По призначенню ІМС підрозділяють на підсилювачі, генератори, стабілізовані джерела живлення й інші функціональні пристрої аналогової та цифрової техніки.

Основними параметрами підсилювачів є: коефіцієнти підсилення за напругою , за струмом , за потужністю , що показують відповідно у скільки разів напруга, струм, потужність сигналу на виході підсилювача більше, ніж на його вході. Коефіцієнти підсилення часто виражають у логарифмічних одиницях - децибелах К_дБ = 20 lg К - для струму і напруги, а зворотний перехід здійснюють так: К_U = . З останньої формули випливає, що підсилення, що відповідає одному децибелу, відповідає напрузі на виході підсилювача, що перевищує на 12% напругу на його вході. Необхідний коефіцієнт підсилення одержують послідовним з'єднанням окремих каскадів підсилювачів. Загальний коефіцієнт підсилення підсилювача з n каскадів, дорівнює К = К₁ К₂ … К_n. Вхідний опір підсилювача – опір між його вхідними затискачами, а вихідний – між вихідними затискачами при вимкненому навантаженні підсилювача. Робочий діапазон частот підсилювача визначають його граничними нижчої f_н і вищої f_в частотами, що залежать від призначення підсилювача.

Коефіцієнт підсилення транзисторних підсилювачів внаслідок зосереджених і розподілених індуктивностей та ємностей окремих елементів залежить від частоти посилюваних сигналів, що приводить до зміни їхньої форми і появі нелінійних і лінійних спотворень. Про нелінійні спотворення судять по зміні форми кривої сигналів на виході підсилювача - амплітудній характеристиці U_вих(U_вх) при f = const. Вона дозволяє встановити припустимі границі зміни вхідної напруги від U_вх min до U_вх max, при яких підсилювач працює на лінійній ділянці АВ (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Амплітудна характеристика підсилювача низької частоти.

Рис. 2.6. Амплітудно-частотна характеристика підсилювача низької частоти: 1 – ідеальна; 2 – реальна.

Відношення цих напруг Д = U_вх max/U_вх min називають динамічним діапазоном амплітуд підсилювача. Положення точки А цієї характеристики визначає рівень власних шумів підсилювача, наведень від зовнішніх електромагнітних полів. Надмірно велика амплітуда вхідної напруги приводить до появи нелінійних спотворень вихідного сигналу в області насичення транзисторів (точка В). Лінійні або частотні спотворювання виникають внаслідок зміни коефіцієнта підсилення на різних частотах, про які судять по амплітудно-частотній характеристиці К_дБ(f) при U_вх = const (рис. 2.6).

По цій характеристиці визначають діапазон пропущення частот f_п = f_в – f_н на рівні коефіцієнта підсилення , де - коефіцієнт підсилення, обумовлений на середній частоті f_ср = 1000 Гц.