Электроника. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие

тивлениях R2, R3 и стабилитроне. Полезной при этом является мощ-

ность, рассеиваемая на сопротивлении R3.

6. Результаты выполнения предварительного задания сведите в табл. 2.3.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальные исследования стабилитрона проводятся на блоке «1В». Схема блока показана на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Принципиальная схема блока «1В»

Перед началом экспериментов ознакомьтесь по табл. 2.4 и выпишите в отчет основные справочные параметры указанного преподавателем стабилитрона.

21

Лабораторное задание

1. Снимите данные для построения обратной (рабочей) ветви ВАХ стабилитрона при комнатной температуре (t = 25 С):

Iст f (Uст)t 25 С.

Для этого в блоке «1В» согласно схеме, изображенной на рис. 2.5, подключите проводниками измерительные приборы: вольтметр с пределами измерения 20 В к клеммам Х9, Х10, миллиамперметр с пределом измерения 20 мА к клеммам Х7, Х8. Переключателем S8 отключите сопротивление нагрузки R3. Переключатель S5 установите в положение «Обр.».

Выведите все ручки источников питания в крайнее левое положение, включите на блоке коммутации электропитание стенда и нажмите кнопку «1В».

При снятии обратной ветви ВАХ напряжение на стабилитроне (Uст ) регулируйте источником питания V1 от 0 до значения, при кото-

ром ток стабилитрона достигнет предела измерения миллиамперметра

(20 мА).

Указание. ВАХ удобнее снимать, давая приращения по току и фиксируя соответствующие изменение напряжения (аналогично

табл. 2.1). Шаг по току на рабочем участке (Iст min , Iст max ) должен быть равномерным Iст 2 мА .

Экспериментальные точки наносите непосредственно на график. Рекомендуемый масштаб по напряжению от 0 до –7 В, по току – от 0 до –20 мА.

22

По ВАХ стабилитрона определите экспериментальное значение Iстmin , точку номинального режима (Iстн, Uстн), а также сопротив-

ление стабилитрона по постоянному току в точке номинального режима R0 (2.2) и дифференциальное сопротивление Ri (2.3).

Указание. Экспериментальную точку номинального режима следует выбрать на середине рабочего участка ВАХ.

2. Снимите данные для построения обратной ветви ВАХ стабилитрона при температуре 60 С. Для этого включите термостат, дождитесь

включения светодиода «60 С» и повторите измерения по п. 1. Выключите термостат.

Рассчитайте экспериментальное значение температурного коэффициента стабилизации напряжения t эксп по формуле (2.1).

3. Получите экспериментальное значение Uст для вычисления инструментального дифференциального сопротивления стабилитрона

Трудность получения Uст заключается в необходимости измерить малое изменение напряжения Uст 0,1В относительно большого напряжения Uстн 6 В, которое не позволяет переключить вольт-

метр на более чувствительный предел.

Измерение можно произвести, если компенсировать Uстн. Для это-

го используют источник V2, а Uст измеряют не между клеммами Х9, Х10, а между клеммами Х9, Х11 по следующему алгоритму.

Источником питания V1 задайте номинальный режим работы стабилитрона по постоянному току Iстн(Х7, Х8) и Uстн (Х9, Х10).

Переключите вольтметр на клеммы Х10, Х11. Источником V2 установите на них напряжение Uстн. При этом разность потенциалов

между клеммами Х9, Х11 окажется равной нулю. Подключите к ним вольтметр, установите предел его измерений 2 В и источником V2 увеличьте напряжение до 1 В.

Источником питания V1 увеличьте и уменьшите ток стабилитрона относительно номинального на величину 2 мА , так что полное

23

изменение Iст н 4 мА . Определите по вольтметру соответствующее изменение напряжения на стабилитроне Uст.

Вычислите инструментальное значение дифференциального сопротивление в точке номинального режима Ri инстр .

4. В схеме стабилизатора напряжения измерьте экспериментальное значение Uст для вычисления инструментального коэффициента

стабилизации

Методика измерения Kст инстр аналогична методике измерения

Ri инстр. Соберите схему стабилизатора напряжения. Для этого па-

раллельно стабилитрону выключателем S8 подключите сопротивление нагрузки R3.

Присоедините вольтметр к клеммам Х9, Х10. Установите номинальный режим стабилитрона по напряжению Uстн.

На клеммах Х5, Х6 измерьте питающее стабилизатор напряжение Eн, соответствующее номинальному напряжению на стабилит-

роне.

На клеммам Х10, Х11 источником V2 установите Uстн. Пере-

ключите вольтметр на клеммы Х9, Х11; измените предел его измерений до 2 В; источником V2 откорректируйте на них напряжение до

1В.

Подключите вольтметр к клеммам Х5, Х6 и источником V1 из-

мените напряжение, питающее схему Eн, на E 2...3 В. Измерьте соответствующее этому изменение напряжения на стабилитроне Uст.

Рассчитайте инструментальный коэффициент стабилизации

Kст инстр.

24

4. АНАЛИЗ РАБОТЫ СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Анализ проведите по полученным выше экспериментальным характеристикам и параметрам стабилитрона, а также по известным значениям резисторов R2 и R3.

Прежде всего на графике ВАХ стабилитрона по двум точкам постройте нагрузочную прямую

жение Eн возьмем в п. 4 лабораторного задания.

Пересечение нагрузочной прямой с ВАХ определит параметры рабочего режима: Uстр и Iстр.Они должны быть близки к значениям

экспериментального номинального режима (Uстн и Iстн).

Определите смещение рабочей точки при изменении Eн на Eн и

вычислите коэффициент стабилизации. Для этого постройте новую нагрузочную прямую при E Eн E и получите новую рабочую

точку. Смещение рабочей точки даст приращения тока Iст и напряжения Uст стабилитрона.

Указание. Значение Eн следует взять в соответствии с экспериментом. Если по графику ВАХ окажется трудно определить Uст, то можно использовать найденное значение Ri и вычислить Uст IRi .

По полученным данным рассчитайте Kст граф.

Кроме того, в рабочей точке вычислите мощности, рассеиваемые на стабилитроне Рст , нагрузке PR3, балластном сопротивлении PR2 и

затем экспериментальный коэффициент полезного действия стабили-

затора напряжения эксп. Причем R2 = 360 Ом, R3 = 560 Ом, а под «полезной» следует понимать мощность, рассеиваемую на нагруз-

ке PR3.

25

5.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Результаты выполнения предварительного задания.

2.Цель работы.

3.Паспортные данные исследуемого стабилитрона.

4.Схема проведения экспериментов.

5.График ВАХ стабилитрона с отмеченными на ней эксперимен-

тальными значениями Iстmin,Uстн и Iстн.

6.Экспериментальные значения t , R0, Ri .

7.Схема стабилизатора напряжения (без измерительных приборов)

иполученные в п. 4, а также рассчитанные при анализе и графически

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Назовите и охарактеризуйте виды пробоев p–n-перехода.

2.Как зависит напряжение пробоя стабилитрона Uст от вида про-

боя?

3.Какие электрические параметры характеризуют стабилитрон?

4.Изобразите ВАХ стабилитрона, покажите рабочий участок. Какие параметры можно определить по ВАХ?

5.Что такое температурный коэффициент стабилизации напряже-

ния t ?

6.Как определяются и что характеризуют сопротивления стабилитрона по постоянному току и дифференциальное?

7.Как выглядит схема подключения стабилитрона для стабилизации напряжения на нагрузке?

26

8. Как строится нагрузочная прямая? Как с ее помощью можно оценить изменение Uст при изменении напряжения источника пита-

ния Е и сопротивления нагрузки R3?

9.Роль балластного сопротивление R2 в схеме стабилизатора напряжения?

10.От каких параметров стабилитрона и элементов схемы стабилизатора зависит его КПД?

Литература: [1, с. 27–34, 121–126; 2, с. 199–201; 2, с. 394–398; 6, с. 68–74, 121–126].

27

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ТРАНЗИСТОР В СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

Цель работы

1.Ознакомиться с реальными характеристиками и параметрами низкочастотного транзистора малой мощности, включенного по схеме

собщей базой.

2.Определить h-параметры.

3.Проанализировать работу транзистора в усилительном каскаде.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными p–n-переходами и тремя или более выводами, предназначенный для усиления тока, напряжения и мощности.

В основе работы транзистора – взаимодействие двух p–n-пере- ходов. При этом ток одного p–n-перехода управляет током другого. Механизм управления заключается в том, что носители заряда, инжектируемые (впрыскиваемые) через прямосмещенный переход в базу, доходят до обратносмещенного перехода и изменяют его ток.

Средняя слаболегированная область биполярного транзистора называется базой. С двух сторон от неё находятся легированные области с типом проводимости, отличным от проводимости базы. У транзисторов n–p–n-типа база обладает дырочной проводимостью, а крайние области – электронной. Транзисторы p–n–p-типа имеют обратную структуру.

Примыкающие к базе сильно легированные области имеют неодинаковую площадь. Крайняя область транзистора с малой площадью, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а соответствующий ей электронно-дырочный переход – эмиттерным.

Крайняя область транзистора с большой площадью, основным назначением которой является экстракция (изъятие) носителей из базы, называют коллектором, а соответствующий ей электронно-дырочный переход – коллекторным.

28

При подаче на эмиттерный переход прямого смещения он открывается, и в базу инжектируются неосновные для неё носители. Возникает

эмиттерный ток (Iэ). Далее за счет разности концентраций эти носи-

тели заряда перемещаются от эмиттера к коллектору. Такой механизм называется диффузией, а транзисторы диффузионными. Иными словами, движущей силой неосновных носителей заряда в базе диффузионных транзисторов является градиент концентрации. В процессе переноса в базе неосновные носители заряда частично рекомбинируют (соединяются) с основными носителями. Электронейтральность нару-

шается, появляется ток базы (Iб). Иногда для ускорения процессов

переноса в базу путем неравномерного легирования «встраивается» электрическое поле, которое к силам диффузии добавляет электрические силы (дрейфовые транзисторы).

Если на коллекторный переход подано обратное напряжение, то дошедшие до него неосновные носители заряда будут экстрагировать-

ся в коллектор, образуя коллекторный ток(Iк).

Таким образом, между токами транзистора имеется простая связь:

Iк Iэ Iб ,

из которой следует, что для эффективной работы прибора ток базы должен быть небольшим, т. е. база должна иметь малую толщину и минимальную степень легирования.

Важно! При увеличении обратного напряжения на коллекторном переходе он из-за низкого легирования базы в большей степени расширяется в сторону базовой области. Её ширина уменьшается. Это называется эффектом модуляции ширины базы (или эффектом Эрли) и сопровождается уменьшением тока базы и увеличением градиента концентрации, от которого зависит ток эмиттера.

При использовании транзистора в радиотехнических устройствах на его переходы подают внешние напряжения (рис. 3.1).

В зависимости от полярности этих напряжений каждый из переходов может быть смещен либо в прямом (открыт), либо в обратном (закрыт) направлении. Соответственно получают четыре режима работы транзистора:

режим отсечки – оба перехода закрыты;

режим насыщения – оба перехода открыты;

активный режим – эмиттерный переход частично открыт, а коллекторный закрыт;

29

Рис. 3.1. Схема включения транзистора

собщей базой

инверсный (обратный активному) режим – коллекторный пере-

ход открыт, а эмиттерный закрыт.

Режимы осечки, насыщения и инверсный используются как переключающие и импульсные. Активный режим характерен для работы транзистора в усилителях и генераторах.

Имеются три основные схемы подключения транзисторов, различающиеся характеристиками и параметрами.

Схема с общей базой (ОБ): сигнал подается на эмиттер относительно базы, снимается с коллектора относительно базы; используется для усилителей напряжения и мощности (см. рис. 3.1).

Схема с общим эмиттером (ОЭ): сигнал подается на базу относительно эмиттера, снимается с коллектора относительно эмиттера; используется для усилителей тока, напряжения и мощности.

Схема с общим коллектором (ОК): сигнал подается на базу относительно коллектора, снимается с эмиттера относительно коллектора; используется в устройствах согласования и повторителях.

Транзисторы классифицируются по исходному материалу, рассеиваемой мощности, диапазону рабочих частот, принципу действия.

В зависимости от исходного материала их делят на две группы: германиевые (Ge) и кремниевые (Si). Германиевые транзисторы работают в интервале температур от –60 до +78...85 °C, кремниевые – от –60 до +120...150 °C.

По диапазону рабочих частот их делят на транзисторы низких частот (до 3 МГц), средних частот (от 3 до 30 МГц), высоких частот (от 30 до 300 МГц) и сверхвысоких частот (свыше 300 МГц).

По мощности различают транзисторы малой (до 0,3 Вт), средней (от 0,3 до 1.5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

30