439

5.3.Включить осциллограф тумблером “Сеть” и стенд тумблерами “Сеть”. После прогрева осциллографа совместить линию развертки с серединой масштабной сетки.

5.4.Установить переключатель входа в положение “− ” , переключатель “УСИЛЕНИЕ У” – в положение 5 мВ/см, ручку плавной регулировки усиления “У” – в калиброванное правое положение до упора, переключатель “РАЗВЕРТКА” ─ в положение “X”. При этом на экране появится светящаяся точка. Сфокусировать ее. Выбрать начало координат на масштабной сетке, совместив эту точку с одной из ее клеток (рис.12, точка 1).

5.5.Установить напряжение источника E (см. рис.11,а) на уровне 2,5 В. Разъединить входы 1 и 2 и подключить их к штепсельным гнездам источ-

ника 8В. При этом на экране появится изображение входной характеристики Iб = f(Uбэ) транзистора VT, соответствующее выходному напряжению Uкэ= E= ─ 2,5 В. Зарисовать кривую в отчет и повторить задание для

E= ─ 5,0 В.

5.6.Выключить стенд, ручку плавной регулировки напряжения E вернуть в крайне левое положение. Собрать схему (см. рис.11,б) для регистрации выходной характеристики транзистора VT.

5.7.Входы 1 и 2 схемы временно объединить и подключить к одному

из штепсельных гнезд источника 8 В блока. Переключатель “УСИЛЕНИЕ У” осциллографа установить в положение 50 мВ/см. Выбрать начало координат, совместив светящуюся точку на экране с одной из клеток масштабной сетки (рис.12, точка 2).

5.8. Разъединить входы 1 и 2 и подключить их к штепсельным гнездам источника 8 В, после чего установить напряжение источника E = E1 = 4В. На экране появится изображение выходной характеристики транзистора Iк = f(Uкэ), соответствующее базовому току:

где Uбэ= 0,7 В - падение напряжения на открытом базо-эмиттерном переходе транзистора VT.

Зарисовать кривую в отчет. Получить выходные характеристики транзистора для значений напряжения E2= 6 В, E3=8 В, E4=12 В, E5=10 В.

6. Обработка результатов измерений

6.1. Проградуировать координатные оси у графиков входных и выходных характеристик транзистора. Цену деления горизонтальной оси принять равной 0,67 В/см; цену деления вертикальной оси (мА/см) определить

20

как mi = mR1у , где my – цена деления масштабной сетки осциллографа по

вертикали (мВ/см), равная цифре, на которую указывает риска переключателя “УСИЛЕНИЕ У” при крайне правом положении ручки плавной регулировки усиления; R1- измерительное сопротивление.

6.2.По (12) рассчитать значения токов базы Iб1, Iб2, Iб3, Iб4, Iб5, для которых получены выходные характеристики транзистора VT. Данные занести

втабл. 3.

6.3.По выходным характеристикам определить значения коллекторно-

го тока Iк , соответствующие токам Iб1 - I б5 при величине Uкэ = 3 В. Данные занести в табл.3.

6.4.Определить коэффициент усиления по току КIэ (10) схемы с ОЭ (см. рис. 9,б) для приращений тока базы Iб2–Iб1 , Iб3–Iб2 , Iб4–Iб3 , Iб5–Iб4 . Результаты занести в табл. 3.

6.5.По входной характеристике транзистора определить сопротивление

RВХэ (11) схемы с ОЭ в режимах Iб = Iб1, Iб3, Iб4, Iб5 для приращения тока базы, равных 0,2 Iб.

6.6. Определить коэффициенты усиления схемы (см. рис.9,б) по напряжению и мощности в режимах Iб = Iб1 и Iб = Iб3 (кОм).

Вопросы к защите

1.Пояснить принцип действия транзистора.

2.Выделить на выходной характеристике область насыщения и участок,

для которого справедливо соотношение Iк = α Iэ .

3.В каких устройствах используется режим насыщения, а в каких пологий участок выходной характеристики транзистора ?

4.Возможна ли работа транзистора в диодном режиме ?

5.Почему в области насыщения транзистор теряет усилительные свойства ?

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ И УЗЛОВ , ПОCТРОЕННЫХ НА ЕГО ОСНОВЕ

1. Цель работы

Познакомиться со структурой и параметрами операционных усилителей (ОУ). Изучить схемы и параметры усилительных устройств на основе ОУ, а также методику измерения их характеристик.

2. Введении

Наиболее распространенным усилительным устройством в настоящее время является операционный усилитель. Это изделие универсального на-

21

значения изготовлено по технологии интегральных микросхем, имеет два входа и один выход, обладает очень большим коэффициентом усиления KU в диапазоне частот от нуля до нескольких мегагерц, большим входным сопротивлением Rm и малым выходным сопротивлением, позволяет при помощи введения обратных связей выполнять операции сложения, вычитания, интегрирования и др. Графическое изображение ОУ приведено на рис.13,а, где обозначены прямой и инверсный (выделен знаком 0) входы, выход, выводы для подключения питания E+ и E-, имеющие одинаковые, но разнополярные напряжения, резистор нагрузки Rн и источники входных сигналов U+ и U- . Напряжение на выходе ОУ синфазно напряжению U+ на прямом входе, противофазно напряжению U- на инверсном входе Uвых = Кu (U+ ─ U-) и может изменяться в обеих полярностях относительно нуля. При изучении свойств ОУ целесообразно использовать понятие идеального ОУ, который характеризуется бесконечно большим входным сопротивлением Rвx = ∞, нулевым выходным сопротивлением Rвых= 0 и стремящимся к бесконечности коэффициентом усиления по напряжению Ku →∞. Из указанных свойств идеального ОУ следует два важных вывода, на которых основывается анализ различных включений ОУ:

- входные цепи идеального ОУ не потребляют ток от источника сигнала, т.е.

I+=I- = 0 (рис.13,а);

- между входами ОУ напряжение управления в любой схеме включения

Реальные ОУ по своим параметрам лишь асимптотически приближаются к этим свойствам, обладая конечными значениями Ku , Rвx и Rвых. По принципу построения ОУ обычно имеют трехкаскадную структурную схе-

му ( рис.13,б).

Первый каскад ДК обладает небольшим коэффициентом усиления по напряжению (порядка 10). Его основная задача состоит в получении боль-

22

шого входного сопротивления в минимизации погрешностей ОУ. Следующий каскад УН используется в качестве усилителя напряжения с усилением, превышающим 100. Третий окончательный каскад ─ усилитель мощности УМ – имеет малое выходное сопротивление и коэффициент усиления в пределах 5 – 50. С его помощью формируется требуемая амплитуда выходного сигнала на внешней нагрузке. К основным параметрам ОУ можно отнести коэффициент усиления по напряжению Ku , входное и выходное сопротивления R вx , Rвых , входной ток Iвх, напряжения источников питания E+ , E-, n - значения этих параметров для некоторых типов ОУ приведены в табл.4 .

Uвых

Рис.14

Важнейшими характеристиками ОУ являются его амплитудные или передаточные характеристики, показанные на рис. 14 в виде двух зависимостей. Кривая 1 относится к прямому включению ОУ (инверторный вход заземлен), а кривая 2 относится к инверторному включению (заземлен прямой вход), когда входной и выходной сигналы ОУ находятся в противофазе. Как видно из рис.14, выходное напряжение ОУ пропорционально входному лишь при очень малых значениях последнего (единицы милливольт). При увеличении U+ и U- напряжение Uвых достигает величины Uвых max , близкой к E+ , E-, и более не меняется. Это вызывает нелинейные искажения выходного сигнала ОУ, и для их устранения во всех схемах включения ОУ используется только вместе с внешними (навесными) элементами.

Для рассмотрения возможностей усилительных устройств на основе ОУ обратимся к распространенной схеме инвертирующего усилителя (рис.15,а). В ней Rг - сопротивление источника сигнала, резистор R1 введен для уменьшения погрешностей усилителя, R1 = Rг , резистор R2 замыкает цепь отрицательной обратной связи. Определим выходное напряжение усилителя, полагая для простоты ОУ идеальным ( U+ - U- = 0, т.к. Ku →∞ , I+ = I- = 0, т.к. Rвx= ∞). Поскольку прямой вход ОУ через резистор R1 подключен к общей шине, то потенциал на инверсном входе ОУ тоже

23

т.е выходное напряжение равно инвертированному входному (знак минус),

усиленному в R 2 раз. Следовательно, KUинв схемы (см. рис. 15,а) определя-

R г

ется отношением сопротивлений внешних резисторов (оно выбирается в пределах от 10 до 1000) и практически не зависит от Ku ОУ.

Рассматриваемый вариант схемы является усилителем постоянного тока, способным усиливать медленноменяющиеся сигналы, в частности сигналы датчиков температуры, датчиков линейных и угловых перемещений, датчиков механических напряжений и др. В случае, если работа датчиков

Iос

а б

Рис.15

основана на изменении их сопротивления (термометры сопротивления, угольные сопротивления, тензорезисторы), возможно непосредственное включение их в схему (рис.15,а) как элемента R2 при стабильной и не меняющейся во времени величине Eг .

24

В некоторых случаях возникает необходимость в создании только усилителя переменного тока, например, когда информативным сигналом является амплитуда или фаза последнего. Сигналы такого рода вырабатывает индуктивные, емкостные, индукционные датчики, а также узлы пилотажно - навигационного оборудования летательных аппаратов. Для реализации усилителя можно включить в него разделительный конденсатор (см. рис. 15,б). Емкость конденсатора С1 выбирается такой, чтобы на частоте сигнала модуль реактивного сопротивления был много меньше сопротивления Rг . Тогда величина KUинв(f) на частоте сигнала определяется выражением (13). Вместе с тем конденсатор не пропускает на вход ОУ сигналы посто-

янного тока, для которых KUинв равно нулю. Другой вариант включения ОУ реализуется в виде неинвестирующего усилителя (рис.16,а). Входной ток здесь поступает на прямой вход ОУ, а на инверсный подается сигнал

Обычно значение суммы R1 + R2 лежит в пределах от 10 кОм до 1 МОм.

Сравнивая (13) с (14), можно записать: KUнеинв=1+ KUинв .

Входное сопротивление усилителя (см. рис. 16,а) всегда имеет большую величину (десятки Мом ), а выходное – малую. При уменьшении отноше-

25

Такой усилитель (рис.16,б) называется повторителем сигнала. Повторитель на ОУ широко применяется как согласующий каскад, особенно при большом сопротивлении Rг источника сигнала или при низкоомной нагрузке. Неинвертирующий усилитель может быть выполнен и как усилитель переменного тока. Для этого следует включить разделительный конденсатор во входной или выходной цепи. Помимо схем рис.15 и 16 на основе ОУ выполняются другие варианты усилительных и иных функциональных устройств.

3. Домашняя подготовка

3.1.Дать определение ОУ и привести его схемное обозначение.

3.2.Чем отличается работа ОУ по прямому и инверсному входам ?

3.3.Перечислить электрические параметры и свойства идеального ОУ.

3.4.Изобразить структурную схему ОУ и привести типовые значения его электрических параметров.

3.5.Изобразить амплитудные характеристики ОУ. Почему ОУ используется только с внешними элементами во всех схемах включения ?

4.Рабочее задание и порядок выполнения работы

4.1.Убедиться, что осциллограф С1-68 и стенд находятся в выключенном состоянии.

4.2.Собрать схему инвертирующего усилителя (рис.17,а) с резистором

R2, равным сопротивлению R2 = 10 кОм. Обратить внимание на то, чтобы полярность источников, подводимых к штепсельным контактам модуля ОУ, строго соответствовала полярности, указанной на этих контактах.

4.3.Включить осциллограф тумблером “Сеть”. Установить переключа-

тели входа в положение “− ”, переключатель “Усиление У” ─ в положение 0,5 В/см, ручку плавной регулировки усиления “У” перевести в калиброванное правое положение до упора.

4.4. Совместить линию развертки с серединой масштабной сетки. Регуляторы напряжения источников “– 15В” и “+ 15В” установить в крайне левое положение. Включить стенд тумблером “ Сеть“ и установить на выходе источников – 15 В и + 15 В соответственно – 5 В и + 5 В, контролируя эти напряжения встроенным вольтметром.

4.5. Снять амплитудную характеристику Uвых=f(Uвх) усилителя. Для этого входное напряжение изменять потенциометром R1 от + 3 В до – 3 В и фиксировать его в 7 точках, одна из которых 0 В. Уровень напряжения Uвх контролировать осциллографом в узле 1 по величине вертикального отклонения луча от его начального положения:

26

где mu – цена деления масштабной сетки по вертикали, мВ/см; lu – вертикальное отклонение луча, см.

Выходное напряжение усилителя контролировать тестером в узле 2 (см. рис. 17,а). Данные занести в табл. 5.

4.6.Установить в схеме (см. рис.17,а) R2 = 47 кОм и повторно снять амплитудную характеристику, изменяя UR1 от + 3 В до – 3 В.

4.7.Собрать инвертирующий усилитель (см. рис.17,б). Подключить его

вход к штепсельным гнездам “Uн”, “ ”. Установить ручку множителя напряжения блока в положение 10-1, множителя частоты ─ в положение 102, а ручку переключателя выходного напряжения ГС – в положение .

Подать на вход усилителя синусоидальное напряжение с частотой 1000

– 1500 Гц, включив блок ГС тумблером “ ГС ВКЛ “. Плавно увеличивая синусоидальное напряжение от нулевого значения, зафиксировать на осциллографе максимальную неискаженную амплитуду Uвых мах выходного сигнала в узле 2 (см. рис.17,б). Измерить ее, а также амплитуду входного сигнала Uвх мах. Определить KUинв. Результат опытного определения KUинв, а также его расчетное значение занести в табл. 5. Зарисовать в отчет осциллограмму выходного напряжения усилителя.

5. Обработка результатов измерений

5.1. Произвести теоретический расчет амплитудной характеристики усилителя (см. рис.17,а) при R2 = 10 кОм и R2 = 47 кОм, используя уравне-

ние (13).

27

5.2.Построить графики экспериментальных и теоретических зависимостей Uвых =f(Uвх). Оценить степень их совпадения.

5.3.Определить коэффициент использования напряжения источника питания усилителя.

6. Вопросы к защите

1.Назвать возможные применения усилителей постоянного тока

(см. рис.15,а и рис.16,б).

2.При каких условиях возможно введение датчиков неэлектрических величин в схему усилителя (см. рис.15,а) в качестве резистора R2 ?

3.Какую функцию выполняет конденсатор C1 в усилителе (см. рис.15,б)? Почему модуль реактивного сопротивления конденсатора С1 должен быть много меньше сопротивления R1.

4.Какие особенности электрических параметров имеет повторитель сигнала (см. рис.16,б) ? Какую функцию он обычно выполняет в усилительных устройствах ?

Лабораторная работа № 5

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТИРИСТОРА И ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ТИРИСТОРА

1. Общие сведения

При наличии и действии управления тиристор отпирается в определенной точке положительной полуволны прикладываемого напряжения и автоматически запирается в момент перехода тока через нуль. Изменение точки (угла) отпирания влечет за собой изменение среднего за полупериод значения тока нагрузки (рис.18).

28

2. Экспериментальная часть

Задание

Проведите измерения и изучите свойство тиристора как управляемого элемента с однопереходным транзистором в цепи управления.

Порядок выполнения эксперимента

2.1.Соберите цепь согласно схеме (рис.19) и подайте на вход этой цепи напряжение 24В, 50 Гц, используя потенциометр вместе с мультиметром, установите напряжение Uвх = 200 мВ на входе цепи управления.

2.2. Осциллограф поставить в режим измерения вольт-амперной характеристики тиристора. При этом на вход У осциллографа подать падение напряжения с резистора R8, а на вход Х – с анода тиристора. Общая точка (корпус) осциллографа соединяется с общей точкой схемы.

2.3. С помощью осциллографа измерьте величину напряжения на управляющем электроде тиристора, а также величину падения напряжения на его аноде и перенесите кривые на график.

2.4.Увеличьте напряжение Uвх до 450 мВ, повторите измерения и нанесите кривые напряжения на график.

2.5.Осциллограф поставить в импульсо-временной режим. При этом отключить сигнал со входа у осциллографа, а горизонтальную развертку осциллографа поставить в автоматический режим с синхронизацией от сети.

29