Електроніка,ч1

Таблиця 1

При розрахунку фільтра відомими є: величина допустимого коефіцієнта пульсацій на навантаженні qн=qвых, коефіцієнт пульсацій випрямляча q=qвх, і співвідношення визначених параметрів фільтра з його коефіцієнтом згладжування (див. табл.1).

21

Основною характеристикою випрямляча є зовнішня характеристика, яка показує залежність вихідної напруги від струму навантаження Uн=f(Iн). Приблизний розрахунок вихідної напруги випрямляча з урахуванням внутрішнього падіння напруги на вторинній обмотці трансформатора, вентилях і елементах фільтра може бути виконаний за формулою:

Uн UнХХ.ср. (RТ Rпр Rф)Iн UнХХ.ср. RвыхIн ,

де UнХХ.ср. - вихідна напруга випрямляча в режимі холостого ходу;

RТ – опір вторинної обмотки трансформатора; Rпр – сумарний опір відкритих вентилів;

Rф – сумарний опір фільтра.

Попереднє завдання до роботи:

1. Для заданого в табл.3 випрямляча і зазначених там значень напруги Uн, потужності Pн навантаження розрахувати прямий струм вентилів Iпр, зворотної напруги Uвmax і за довідником вибрати діоди. Визначити для трансформатора напругу вторинної обмотки U2, коефіцієнт трансформації kT, розрахункову потужність SТ, якщо напруга мережі живлення U1=220В, частота f1=50 Гц. Розрахувати параметри згладжувального фільтра для забезпечення коефіцієнта пульсацій напруги навантаження qн згідно з даними табл.3. Для складених фільтрів прийняти Cф=20 мкФ. Результати розрахунків записати в табл.4.

22

2. Розрахувати і побудувати зовнішню характеристику для заданого в табл.3 випрямляча, прийнявши його Rвих=10 … 15 Ом в діапазоні зміни навантажувального струму від 0 до 500 мА.

Примітка: обсяг попереднього завдання може бути зменшений за вказівкою викладача.

Порядок виконання роботи:

1. Зібрати стенд для дослідження однофазних випрямлячів згідно рис.5.

Рис.5

23

2.Підключити згідно рис.5 до вихідних клем випрямляючого пристрою навантаження Rн, вольтметр PV, амперметр PA і осцилограф. Подати живлення на стенд і вимірювальні прилади.

3.В режимі холостого ходу для однопівперіодного (В1 відключений) і для мостового (В1 включений) випрямлячів встановити регулятором напруги U1 максимальна вихідна напруга, виміряти його значення та визначити кратність напружень U2 Uн.ср. в режимі роботи без фільтра (В2 і В3 відключені, В4

включений).

4. Змінюючи опором Rн струм навантаження випрямляча Iн від 0 до максимального значення, зняти зовнішні характеристики одопівперіодного і мостового випрямлячів при роботі без фільтру; з ємнісним; індуктивним; Г- подібним; П-подібним фільтрами. Результати вимірювань записати в табл.5. Звернути увагу на зміну напруги на навантаженні і збільшення споживання змінного струму при включенні конденсаторів фільтра.

5.Скопіювати з екрану осцилографа криві випрямленої напруги на навантаженні для всіх режимів роботи випрямлячів згідно п.4. Для режимів роботи з фільтром графік напруги скопіювати для режиму холостого ходу і максимального навантаження. На рисунках показати масштабну сітку, вісь часу і значення масштабів по напрузі і часу.

6.Підключити осцилограф на шунт Rш, отримати на екрані осцилографа і скопіювати часову діаграму струму вентиля iВ(t) при максимальному струмі

навантаження і відключеному фільтрі.

24

7. За результатами вимірювань (табл.5) побудувати в єдиній системі координат зовнішні характеристики випрямлячів при роботі з різними типами фільтрів. Зіставити зовнішню характеристику, розраховану в попередньому завданні з експериментальними. Розрахувати за експериментальними характеристиками Rвих випрямлячів при роботі без фільтра, порівняти розрахункові значення з діапазоном значень у попередньому завданні.

Зміст звіту:

Мета роботи; схема лабораторної установки (рис.5), розрахунок попереднього завдання, зовнішні характеристики випрямлячів без фільтру і з фільтрами в загальній системі координат, осцилограми тимчасових діаграм напруг і струмів.

Контрольні запитання

1.Поясніть принцип дії випрямлячів.

2.Як впливає ємнісний фільтр на величину зворотної напруги на вентилі?

3.Чому зменшуються пульсації випрямленої напруги при включенні ємнісного або індуктивного фільтра?

4.Переваги і недоліки різних типів фільтрів.

5.Що таке коефіцієнт пульсацій і коефіцієнт згладжування?

6.За якими критеріями здійснюється вибір вентилів?

7.Як визначається потужність трансформатора в випрямлячах?

8.Як зміниться форма напруги на навантаженні при пробої одного вентиля в досліджуваних випрямлячах?

Лабораторна робота № 4 ДОСЛІДЖЕННЯ БІПОЛЯРНОГО І ПОЛЬОВОГО ТРАНЗИСТОРІВ

Мета роботи: вивчення пристрою і принципу роботи транзисторів; зняття їх статичних характеристик у схемах із загальним емітером і загальним витоком, визначення основних параметрів; порівняльний аналіз.

25

Теоретичні відомості

Біполярним транзистором називають напівпровідниковий прилад з двома n- p-переходами, утвореними шарами напівпровідникового матеріалу n-p-n або p-n-p- типу. Він має три або більше виводів, виготовляється на основі германію або кремнію, забезпечує посилення потужності електричних сигналів. На рис.1 наведено структурні схеми, умовні графічні та літерні позначення транзисторів n- p-n-типу (рис.1, а) і p-n-p-типу (рис.1, б).

Рис.1

Середній шар кристалу називають базою. Її товщина мала, становить кілька мікрометрів і концентрація домішок тут значно менша, ніж у сусідніх шарах. Крайні шари називають емітером (Е) і колектором (К).

Для нормальної роботи транзистора між його виводами повинні бути включені джерела живлення. Якщо джерела підключені так, що обидва переходи П1, П2 знаходяться під зворотною напругою, то струми транзистора практично рівні нулю - цей режим називають відсічкою. Якщо переходи транзистора мають пряме зміщення, то їх опір малий, і транзистор можна розглядати як вузол ланки. Такий режим роботи називають насиченням. У підсилювальному каскаді транзистор працює в активному режимі, при цьому емітерний перехід зміщений у прямому напрямку, а колекторний - у зворотному (рис.1). Прямозміщений емітерний перехід має невеликий опір - кілька Ом. Колекторний перехід, за відсутності інжекції з емітера, має дуже великий опір - кілька мегаОм, тому в ланку колектора можна включати навантаження з великим опором, практично не змінюючи струму колектора.

26

Під дією джерела Ее основні носії заряду з емітера долають n-p-перехід і потрапляють в область бази, де частково рекомбінують з основними носіями заряду бази, утворюючи струм бази Iб. Так як концентрація дірок (для n-p-n-типу) і електронів (для p-n-p-типу) в базі мала, то не всі інжектовані з емітера заряди рекомбінують. Більшість зарядів, внаслідок дифузії і поля джерела Ек, долає колекторний перехід і утворюють струм колектора.

Коефіцієнт передачі струму емітера:

Iк / Iе при Uкб=const.

В сучасних транзисторах база дуже тонка і = 0,99 та більше.

Коли Iе=0, буде невеликий струм через колекторний перехід Iко, зумовлений рухом неосновних носіїв заряду.

Розглянута на рис.1 схема включення транзистора називається схемою із загальною базою (ЗБ), оскільки база є загальним електродом для вхідних і вихідних ланок. Вона забезпечує посилення сигналу по напрузі і потужності, але струм в навантаженні буде менший, ніж вхідний струм джерела сигналу.

Найбільш часто використовується в електронних пристроях схема включення транзистора із загальним емітером (ЗЕ) - рис.2, а. Вхідним тут є струм бази Iб, а вихідним - струм колектора Iк.

Коефіцієнт передачі струму бази схеми ОЕ

= Iк/ Iб при Uке=const; = /(1- )>>1.

27

Ця схема забезпечує посилення струму та напруги сигналу, а також максимальне посилення потужності.

Основними характеристиками транзисторів ОЕ є:

1)вихідні - Iк(Uке) при Iб=const (рис.2,б),

2)вхідні - Iб(Uбе) при Uке=const (рис.2,в).

Вони визначають зв'язок між постійними складовими струмів і напруг, дають можливість вибрати найкращий режим роботи, оцінити нелінійні спотворення підсилюючого сигналу.

Для розрахунку контурів з біполярними транзисторами в даний час використовуються h-параметри: транзистор представляють чотириполюсником і записують рівняння чотириполюсника в h-параметрах. Коефіцієнти чотириполюсника (h-параметри) виражаються наступним чином:

h11= Uбе/ Iб при Uке=const – вхідний опір Rвх, Ом;

h12= Uбе/ Uке при Iб=const - безрозмірний коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі;

h21= Iк/ Iб при Uке=const - безрозмірний коефіцієнт передачі струму ( ); h22= Iк/ Uке при Iб=const - вихідна провідність (1/Rвых), См.

h- параметри наводяться в довідниках, а також можуть бути визначені по сімейству вхідних і вихідних характеристик транзистора.

Біполярні транзистори керуються струмом і споживають помітну потужність від вхідної ланки. Зазначеного недоліку позбавлені польові транзистори (ПТ) - це напівпровідникові прилади з каналом, струм в якому керується електричним полем. Принцип дії їх заснований на використанні носіїв заряду тільки одного знаку (електронів чи дірок), тому їх також називають уніполярними.

Головною перевагою ПТ є високий вхідний опір, тобто вони практично не споживають струм з вхідної ланки. Крім того, вони більш технологічні і дешевші за біполярні, мають гарну відтворюваність необхідних параметрів.

За способом створення каналу розрізняють ПТ з керуючим n-p-переходом, з вбудованим каналом і з індукованим каналом. Останні два типи відносяться до різновидів МДП-транзисторів з ізольованим затвором.

28

У ПТ з керуючим n-p-переходом (рис.3, а) канал - це шар напівпровідника n- типу (може бути p-типу), розміщений між двома n-p-переходами. Канал має два виходи в зовнішню ланку: витік (В), з якого заряди виходять в канал, стік (С), в який заряди входять з каналу. Шари p-типу з'єднані між собою і мають вихід в зовнішню ланку, що називається затвором (З). Затвор служить для регулювання поперечного перерізу каналу. Особливість ПТ в тому, що рух основних носіїв заряду тільки одного знаку відбувається по каналу від витоку до стоку, а не через перехід, як у біполярному транзисторі.

Керуюча напруга між З і В є зворотним для обох n-p-переходів (UЗВ<0). Вона викликає вздовж каналу рівномірний шар, збіднений носіями заряду при UСВ=0. Змінюючи Uзи, змінюють ширину n-p-переходів, чим регулюють перетин струмопровідного каналу і його провідність. Напруга UСВ>0 викликає нерівномірність збідненого шару, найменший переріз каналу поблизу стоку.

Рис.3

Керуючий вплив затвора показують передавальною (стоко-затворною) характеристикою Iс(UЗВ) при UСВ=const. На практиці частіше використовують вихідні (стокові) характеристики Iс(UСВ) при UЗВ=const, за якими будують передавальні (рис.3, в).

МДН-транзистори з вбудованим каналом мають структуру металдіелектрик - напівпровідник. на поверхні кристала напівпровідника (підкладки p- типу) створені дві області n-типу і тонка перемичка між ними - канал (рис.4, а). Області n-типу мають виходи: В-витік і С-стік. Кристал покритий окисною плівкою діелектрика SiO2, на якій розташований металевий затвор (З), електрично

29

ізольований від ланцюга витік - стік. Підкладка з'єднується з витоком всередині приладу, або має вихід в зовнішній ланцюг (П).

При негативному потенціалі на затворі UЗВ<0 поле затвора виштовхує електрони з каналу в p-підкладку, витік і стік. Канал збіднюється електронами, його опір збільшується і струм стоку зменшується. Такий режим називають режимом збіднення. Характеристики Iс(Uси) розташовуються нижче кривої при Uзв=0 (рис.4, в). Якщо на затвор подано UЗВ>0, то під дією поля затвора канал насичується електронами з p-підкладки, витоку і стоку - це режим збагачення.

Таким чином, МДН-транзистор з вбудованим каналом може працювати як в режимі збіднення, так і в режимі збагачення, що наочно показують його характеристики. Структура, умовне графічне зображення, передавальна Iс(UЗВ) при UСВ=const і стокові Iс(UСВ) при UЗВ=const характеристики ПТ з вбудованим каналом дані на рис.4, а, б, в.

МДН-транзистори з індукованим каналом не мають спеціально створеного каналу між витоком і стоком, і при Uзи=0 вихідний струм Iс=0. Канал індукується при позитивному потенціалі на затворі Uзи>0 завдяки припливу електронів з p- підкладки, витоку і стоку. Цей прилад працює тільки в режимі збагачення.

Основними параметрами польових транзисторів є крутизна S= Iс/ UЗВ при

UСВ=const і внутрішній (вихідний) опір Ri= UСВ/ Iс при UЗВ=const. Іноді користуються третім параметром - коефіцієнтом посилення = UСВ/ UЗВ при

Iс=const; =SRi.

30