Описание работы

При исследовании однофазного двухполупериодного управ­ляемого выпрямителя в работе снимают осциллограммы выпрям­ленного напряжения, регулировочную и внешние характеристи­ки. Рассчитывают регулировочную характеристику и сравнивают ее с экспериментально полученной.

В работе используют следующие блоки стенда: ИсН1, ИсН2, ГН2, ампервольтметры АВ1, АВ2, а также сменную панель 17Л-03/17 и съемные элементы: блок управления тирис­торами VSI и VS1 — тиристоры типа КУ101Б, V3 - V4 - диоды КД103А, R_H = 200 Ом и осциллограф типа CI-55.

Для исследования управляемого выпрямителя собирают цепь, схема которой приведена на рис. 3.1. В качестве источника посто­янного напряжения для питания блока управления тиристора­ми А используют блок ГН2, напряжение на выходе которого установить 15 В. Напряжение подают на правые гнезда блока, соблюдая полярность (на верхнее гнездо подают отрицательный потенциал). В качестве источника переменного напряжения для питания фазоврашающего моста блока управления используют блок ИсН1 (~ 15 В). Напряжение подают на левые гнезда. Пита­ние исследуемого устройства осуществляют от источника пере­менного напряжения ИсН2 (~ 15 В).

После сборки цепи и включения используемых источников питания и стенда, параллельно нагрузке включают осциллог­раф и добиваются изображения, удобного для исследования. На экране осциллографа наблюдают изменение формы выходного напряжения от угла управления а, который регулируют с помо­щью ручки потенциометра R1, установленного на блоке управ­ления, рис. 3.2. При отсутствии выходного напряжения необхо­димо поменять местами крайние провода, идущие от блока ИсН 1 Угол регулирования а в работе измеряют с помощью осциллог­рафа.

Для повышения точности измерений ручкой "mS/дел, μS/дел" осциллографа подбирают длительность развертки так, чтобы половина периода выходного напряжения, равная 180°, занимала примерно 9 делений, тогда одно деление шкалы будет соответствовать 20°. При проведении измерений ручку "mS/дел, μS/дел" устанавливают в крайнее правое положение (после щелчка). Вращением ручки потенциометра блока уп­равления против часовой стрелки устанавливает четыре зна­чения угла управления α: α = 0; α = π/3; π/2; 2π/3 и снимают осциллограммы.

Регулировочную характеристику снимают для 6—8 значений угла а (от 0 до 160°), которые устанавливают ручкой потенцио­метра блока управления.

Результаты измерений заносят в табл. 3.1.

Результаты опыта					Результаты расчета
Показания осциллографа, клетки	U0α	а, град	cos α		α, град	cos а	U0α
		0			0
					30
					45
					60
					90
					120
					150
					180

Таблица 3.1

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя

По экспериментальным данным строят регулировочную ха­рактеристику — зависимость U_Qa/U_Q = f(α). На этот же график наносят расчетную регулировочную характеристику (для 6-8 заданных значений угла α). Определяют по формуле:

где U₀ — среднее, значение напряжения на нагрузке при α = 0, полученное из опытных данных.

Результаты расчета заносят в табл. 3.1.

Внешние характеристики управляемого выпрямителя име­ют тот же вид, что и неуправляемого выпрямителя, т. е. зависи­мость U_0α =f(I_0α) при α = const. Внешние характеристики выпря­мителя снимают для трех фиксированных значений угла α (по указанию преподавателя).

Результаты измерений заносят в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Внешние характеристики

Значение угла

Rн, Ом

α1 = 0

U0, В

Iоα,мА

α2=

U0,B

Iоα, мА

α3 =

Uо,В

Iоα, мА

Программа работы

1. Соберите цепь для исследования управляемого выпрями- теля, в соответствии со схемой рис. 3.1.

1.1. Установите сменную панель 17Л-03/17; блок управления А, съемные элементы: VS1, VS2 - тиристоры типа КУ101, V3, V4 — диоды типа КД103 и резистор Rн = 200 Ом.

1.2. Подключите источники питания: ИсН2, ИсН1.

1.3. Подключите ампервольтметры ABl, АВ2 и осциллограф, соблюдая полярность.

2. Включите стенд и питание блоков ABl, АВ2 и осциллог­рафа.

3. Выведите потенциометр блока управления в крайнее по­ложение по часовой стрелке (α= 0) и измерьте значение напря­жения U₀, результат занесите в табл. 3.1.

4. Получите устойчивое изображение напряжения при α = 0.

5. Ручкой потенциометра блока управления установите три значения угла α : π/3; π/2; 2π/3 и снимите три осциллограммы напряжения.

6. Укажите на осциллограммах амплитудное и среднее зна­чения напряжения, значение угла а.

7. Снимите регулировочную характеристику U_0α/U₀=f(α) для 6-8 значений угла α. Результаты измерений занесите в табл. 3.1.

8. Рассчитайте регулировочную характеристику, результаты расчета занесите в табл. 3.1.

9. Постройте на одном графике опытную и расчетную регу­лировочные характеристики.

10.Снимите внешние характеристики выпрямителя для трехзначений угла α (по указанию преподавателя). Сопротивление нагрузки изменяйте в диапазоне от 200 до 1000 Ом (5-6 значений). Результаты измерений занесите в табл. 3.2.

10.1. Постройте на одном графике семейство внешних ха­рактеристик.

11. Запишите технические данные приборов.

Содержание отчета

1. Наименование работы.

2. Принципиальная схема.

3. Таблица результатов измерений и расчетов.

4. Пример расчета регулировочной характеристики,

5. Три осциллограммы.

6. Графики опытной и расчетной регулировочных характеристик.

7. Внешние характеристики.

8. Краткие выводы и анализ полученных результатов.

9. Технические данные используемых приборов.

Контрольные вопросы

1. Каков принцип действия управляемого выпрямителя?

2. Каков принцип действия блока управления?

3. Как изменится работа исследуемой схему, если один из тиристоров заменить диодом?

4. Какова зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла а при активной нагрузке.

5. Каковы пределы регулирования выпрямленного напряже­ния при активной нагрузке?

Работа № 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

Цель работы: Исследование операционного усилителя, из­мерение и вычисление основных параметров, снятие амплитуд­ной и амплитудно-частотных характеристик.

Понятие об операционном усилителе, схемы включения, параметры и характеристики

Операционный усилитель (ОУ) — это усилитель постоянно­го тока с большим коэффициентом усиления, имеющий диф­ференциальный вход и один выход. В настоящее время ОУ при­меняют не только для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирова­ние и др.), но и для других целей. Их применяют в усилительной устройствах генерирования сигналов синусоидальной формы, импульсной формы, в стабилизаторах напряжения, ак­тивных фильтрах и т.д.

Известно, что усилители постоянного тока (УПТ) имеют специфический недостаток, так называемый дрейф нуля, кото­рый приводит к тому, что с течением времени изменяются токи транзисторов и напряжения на их электродах. Наиболее эффек­тивным методом борьбы с дрейфом нуля УПТ является примене­ние специальных схем, которые называются дифференциальны­ми или параллельно-балансными. Такие усилители выполняются по мостовой схеме.

В дифференциальном усилительном каскаде (рис.4.1,а) два плеча образованы резисторами R_к1 и R_к2, а два других — транзис­торами VT₁, и VT₂. Выходное напряжение снимается между коллекто­рами транзисторов. Резистор R₁ служит для стабилизации тока транзисторов. В промышленных ОУ при интегральном исполнении вместо этого резистора применяют стабилизатор постоянного тока, рис. 4.1,б. Дифференциальный усилительный каскад допускает по­дачу входных сигналов от двух источников (U_вх1 и U_вх2) или от одного источника сигналов. В последнем случае входной сигнал подают на базу одного из транзисторов (базу другого транзистора соединяют с корпусом) или между обеими базами.

Питание каскада рис. 4.1,б производят от двух источников питания (U_пит1иU_пит2)

с равными напряжениями. Ввиду после­довательного и согласного включения этих источников суммар­ное напряжение питания усилителя U_пит=U_пит1 + U_пит2.

Источник питания снижает потенциал эмиттеров транзисторов VT1 и VT2 относительно общей точки (корпуса). Это позволяет подавать на вход сигналы без введения дополнительных компенсирую­щих напряжений, которые требовались, например, в УПТ с непосредственной связью.

Дифференциальный каскад, применяемый в качестве вход­ного каскада усилителя, составляет основу ОУ. Выходным кас­кадом ОУ обычно служит эмиттерный повторитель (ЭП), обес­печивающий требуемую нагрузочную способность усилителя. Поскольку коэффициент усиления по напряжению ЭП близок к единице, необходимое значение коэффициент усиления К_u операционного усилителя достигается с помощью дополнитель­ных усилительных каскадов, включаемых между дифференци­альным каскадом и ЭП.

Условное графическое обозначение ОУ приведено на рис. 4.2. Усилитель имеет два входа: инвертирующий — U_вх1 и неинвертирующий — U_вх2. При подаче сигнала на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фаза) с приращением входного сигнала. Если же сигнал подан на ин­вертирующих вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе) по сравнению с приращением входного сигнала.

Операционные усилители оценивают по усилительным, входным, выходным, дрейфовым и частотным параметрам.

Важнейшей характеристикой ОУ является амплитудная (переда­точная) характеристика, представляющая собой зависимость вы­ходного напряжения от входного напряжения при постоянной ча­стоте.

Характеристика, снятая при подаче, например, сигнала на неинвертирующий вход усилителя при нулевом сигнале на ин­вертирующем входе, имеет горизонтальный и наклонный учас­тки (рис. 4.3). Горизонтальные участки соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного), либо закрытого транзис­тора выходного каскада (эмиттерного повторителя). При изме­нении напряжения входного сигнала на этих участках выходное напряжение усилителя остается без изменения и определяется

напряжениями U_{вых ктак}, , значения которых зависят от напряжения источников питания. Наклонному (линейному) уча­стку кривых соответствует пропорциональная зависимость вы­ходного напряжения от входного. Угол наклона участка опреде­ляется коэффициентом усиления ОУ:

Значение К_и зависит от типа ОУ и может составлять от не­скольких сотен до сотен тысяч и более.

В операционном усилителе, как и в любом усилителе, не­обходимо, чтобы при U_вх = 0 U_вых = 0, т.е. дифференциальный кас­кад должен быть сбалансирован. Однако, в реальных ОУ условие баланса обычно нарушается. При U_вх = 0 выходное напряжение может быть больше или меньше нуля на ΔU_вых. Выходное напряжение будет равно нулю при некотором значении напря­жения на входе, которое называют входным напряжением сме­щения нуля — U_см. Основной причиной появления U_см является разброс параметров элементов дифференциального усилитель­ного каскада (в частности, транзисторов). Зависимость пара­метров ОУ от температуры вызывает температурный дрейф входного и выходного напряжения.

Входное сопротивление, входные токи смещения, дрейф и разность входных токов смещения, а также максимальное входное напряжение характеризуют входные цепи операци­онного усилителя, которые зависят от схемы используемого дифференциального входного каскада. Наличие перечислен­ных параметров приводит к тому, что при использовании ОУ приходится вводить дополнительные элементы для баланси­ровки входного каскада.

Выходными параметрами ОУ являются выходное сопро­тивление и максимальные выходные напряжение и ток. Опе­рационный усилитель должен обладать малым выходным со­противлением, чтобы при малых сопротивлениях нагрузки иметь максимальное выходное напряжение, которое прибли­зительно равно напряжению питания каждого источника U_пит1 = U_nm2. Максимальный выходной ток ОУ определяется допустимым током коллектора выходного каскада (эмиттер­ного повторителя). При усилении гармонических колебаний проявляются частотные свойства транзисторов и паразитные емкости ОУ, которые приводят к снижению коэффициента усиления в области высоких частот. Эту зависимость оценива­ют по амплитудно-частотной характеристике, которая пока­зывает зависимость коэффициента усиления ОУ от частоты входного сигнала: К_u =φ(f_вх) при номинальном входном на­пряжении (рис. 4.4).

Рассмотрим две основных схемы включения ОУ, режим рабо­ты которых осуществляется в пределах линейного участка ампли­тудной характеристики.Реальные значения параметров ОУ позво­ляют, в частности, без внесения заметных погрешностей при расчете устройств на ОУ принимать К_U→∞; R_вх→∞; R_вых → 0.

Широкое практическое использования ОУ в аналоговых схе­мах основывается на применении различного рода внешних об­ратных связей. Схема инвертирующего усилителя, приведенная на рис. 4.5, содержит параллельную отрицательную обратную связь по напряжению. Неинвертирующий вход соединяют с кор­пусом, входной сигнал подают через резистор R₁ на инверти­рующий вход. Резистор R_oc обеспечивает обратную связь.

Коэффициент усиления по напряжению такого усилителя равен:

Входное сопротивление инвертирующего усилителя R_вх = R1.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя

где R_выx — выходное сопротивление ОУ без обратной связи; R_вых при K_U→∞ близко к нулю.

Неинвертирующий усилитель (рис. 4.6) содержит последо­вательную отрицательную обратную связь по напряжению и по инвертирующему входу; входной сигнал подают на неинверти­рующий вход ОУ. Таким образом, неинвертирующий усилитель не изменяет фазу входного сигнала. Коэффициент усиления не­инвертирующего усилителя равен:

Входное сопротивление неинвертирующего усилителя так­же велико; выходное сопротивление R_вых → 0 .

Неинвертирующий и инвертирующий усилители широко используют в качестве высокостабильных усилителей различно­го назначения.