Инженерная школа энергетики
13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
ОЭЭ
Дисциплина «Электроника»
ОТЧЕТ
по лабораторной работе № 3
«ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА» |
Обучающийся
Группа |
ФИО |
Подпись |
Дата |
5А36 |
Кононов М.А., Кондрашов М.А. |
|
|
Преподаватель
Должность |
ФИО |
Подпись |
Дата |
преподаватель |
Паюк Л. А. |
|
|
Работа защищена на оценку (баллы) |
|
|
|
|
|
Томск – 2025 г.
Цель работы: Экспериментально установить различные классы усиления биполярного транзистора. Определить оптимальную точку покоя и максимальную амплитуду неискажённого выходного сигнала, а так же минимальную амплитуду входного напряжения, при которой транзистор переходит в режим насыщения.
Порядок работы
Опыт №1. Исследование усилителя класса А
Соберите цепь согласно рис. 4.7 и рис. 4.8. В ней постоянный ток базы регулируется потенциометром 1 кОм и ограничивается постоянным сопротивлением тоже 1 кОм. Последовательно с источником переменного сигнала включен конденсатор 1 мкФ для предотвращения протекания через источник постоянного тока и токоограничивающее сопротивление 1 кОм. Диод включён для защиты эмиттерного перехода от обратного напряжения, а сопротивление 10 Ом для стабилизации характеристик транзистора. Измерение входного осциллографом, а миллиамперметров.
Рис. 4.7. Принципиальная схема
Включите осциллограф для наблюдения по двум каналам одновременно (канал I – 0,5 В/дел., канал II – 5 В/дел). Включите мультиметры для измерения постоянных токов (пределы измерения: ток базы – 2 мА, ток коллектора – 200 мА). После проверки схемы преподавателем подайте питание на панель выключателем «СЕТЬ». В блоке генераторов напряжений установите частоту синусоидального напряжения 1 кГц, а амплитуду сначала равной нулю. Настройте осциллограф, установите и запомните положение линий нулевого сигнала.
3. Изменяя напряжение смещения на базе поворотом ручки потенциометра вправо и влево, наблюдайте по осциллографу за изменением напряжения на коллекторе, а по мультиметрам за изменением токов базы и коллектора. Установите напряжение покоя U диапазона его изменения. кэ 0 примерно в середине
Рис. 4.8. Монтажная схема
4. Подайте на вход усилителя синусоидальное напряжение и, регулируя его амплитуду, наблюдайте за изменением выходного сигнала. Уточните положение точки покоя так, чтобы вершины выходного сигнала начинали уплощаться одновременно.
Рис. 4.9. Показания осциллографа класса А
5. Установите на входе максимальный сигнал, соответствующий неискажённому напряжению на выходе, и запишите в табл. 1. токи базы и коллектора и напряжение, амплитуды входного и выходного напряжений, сохраните на носитель информации или перерисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения.
Опыт №2. Исследование усилителя класса В
Регулируя смещение в сторону зоны отсечки (закрывания транзистора), добейтесь, чтобы усиливалась точно половина периода синусоиды. Увеличьте входное напряжения до максимального значения, при котором выходной сигнал не искажается, подкорректируйте ещё раз смещение и запишите в табл. 1. параметры режима усиления в классе В.
Сохраните на носитель информации или перерисуйте осциллограммы входного и выходного напряжения.
Рис. 5. Показания осциллографа класса (А-В)
Таблица 1
Класс |
IБ0, мА |
IК0, мА |
UКЭ0, В |
UВХмакс, В |
UВЫХмакс, В |
KU |
А |
0,167 |
21,5 |
8 |
0,4 |
12,5 |
31,25 |
(А-В) |
0,181 |
21,3 |
10 |
0,32 |
13 |
40,625 |
D(U) |
0,116 |
14 |
14 |
2,4 |
14,5 |
6,04 |
Расчёт коэффициентов усиления транзистора по напряжению для разных классов усиления:
А:
;
В:
;
А:
;
Опыт №3. Исследование усилителя класса D
Увеличивая входной сигнал, убедитесь, что выходной сигнал принимает форму трапеции. Переключите форму входного сигнала с синусоиды на прямоугольник и убедитесь, что выходной сигнал тоже стал прямоугольным. Отключите цепь смещения и убедитесь, что выходной сигнал не изменился.
Подберите и запишите минимальную амплитуду входного прямоугольного сигнала, при которой транзистор надёжно переходит в режим насыщения.
;
Рис. 5.1. Показания осциллографа класса D
Рис. 5.2. Характеристика транзистора по схеме с общим эммитером
Вывод: В ходе работы было экспериментально исследовано поведение биполярных транзисторов в различных режимах усиления, что позволило определить особенности каждого класса. Установлено, что выбор оптимальной точки покоя влияет на качество выходного сигнала и его максимальную амплитуду — чем ближе точка к середине активной области, тем меньше искажений достигается в режиме класса А. В классах В, АВ и D при неправильном выборе точки работы возникает риск перехода транзистора в режим насыщения или отсечки, что ухудшает качество сигнала. Эксперимент показал, что режим насыщения позволяет получить максимальный выходной ток, но при этом искажения увеличиваются. Работа в режиме класса D достигает высокой эффективности и минимальных потерь, однако требует сложных схем фильтрации для устранения искажений. В целом, оптимальный режим усиления зависит от конкретных требований к выходному сигналу и эффективности системы. Проведенные измерения подтвердили важность правильного выбора режима и точки покоя для достижения наилучших параметров работы транзистора.
Контрольные вопросы:
1. Достоинства и недостатки биполярного транзистора.
К достоинствам относятся высокая способность усиливать электрический сигнал, быстрая частотная характеристика, возможность работы в широком диапазоне токов и напряжений, а также высокая скорость переключения. Среди недостатков — высокая тепловая обратная связь, потребность в точной настройке режимов работы, значительное тепловыделение при насыщении и необходимость систем стабилизации температуры.
2. Какое включение биполярного транзистора называют инверсным.
Инверсным включением считается такое режимное состояние, при котором база соединена с отрицательным потенциалом, а эмиттер с положительным, что приводит к инверсии или обратному смещению базы — эмиттерного перехода. В этом случае транзистор плохо управляется и обычно не используется для усиления.
3. Почему при включении транзистора ток коллектора начинает протекать с временной задержкой.
Это связано с инжекцией носителей из базы в коллектор. После подачи базового тока носители начинают заполнять базовую область, и только после этого происходит протекание тока коллектора. Время задержки — это время, необходимое для инжекции и формирования базы.
4. Чем определяется время выключения транзистора.
Это время зависит от собственного времени насыщения, то есть от скорости удаления носителей из базы и коллектора. В основном оно определяется процессами диффузии и рекомбинации носителей, а также скоростью их удаления из базы.
5. От чего зависят динамические потери транзистора.
Динамические потери определяются частотой переключения, скоростью изменения тока и напряжения, а также характеристиками схемы, в которой работает транзистор. Чем быстрее транзистор переключается, тем выше его динамические потери.
6. Что такое область активного усиления транзистора.
Это режим работы, при котором ток коллектора пропорционален току базы, и транзистор способен усиливать сигнал. Он работает в диапазоне, где переходы находятся в состоянии активного смещения, но не насыщения и не отсечки.
7. Как транзистор работает в режиме насыщения.
В режиме насыщения транзистор полностью открыт, напряжение между коллектором и эмиттером очень мало, ток коллектора достигает максимума для данного тока базы, и транзистор работает как замкнутая коммутирующая вставка.
8. Что такое режим отсечки для транзистора.
Это состояние, при котором ток коллектора практически равен нулю, транзистор полностью выключен. Для этого тока базы должно быть недостаточно для открытия перехода, и он не создает условий для протекания тока через коллектор.
9. Как выбирается точка покоя в классах усиления А, АВ, В и D.
В классе А точка покоя выбирается посередине активной области, чтобы обеспечить симметричный сигнал и минимальные искажения. В классе АВ точка находится чуть ближе к границам активной области, балансируя между качеством сигнала и КПД. В классе В точка выбирается ближе к насыщению, чтобы повысить КПД, но возможны искажения при переходе. В классе D, где происходит переключение, точка покоя — это состояние, где транзистор находится в режиме переключения, зачастую в состоянии высокой эффективности.
10. Достоинства и недостатки различных классов усиления.
Класс А обеспечивает высокое качество сигнала с малыми искажениями, но имеет низкий КПД — около 20-30%. Класс АВ сочетает преимущества обоих — хорошее качество и чуть более высокий КПД. Класс В достигает высокого КПД — до 50-70%, но при этом в сигнале могут появляться искажения. Класс D — это принципиально переключающий режим с КПД до 90%, что делает его очень эффективным, однако он связан с искажениями, вызванными быстром переключением транзисторов, и требует сложных схем фильтрации.
