Параметры схем для моделирования работы неуправляемых выпрямителей

№	Напряжение источника питания, В	Частота напряжения источника питания, Гц	Сопротивление нагрузки, кОм	Емкость конденсатора, мкФ	Индуктивность катушки, мГн
1	220	50	1	12	4
2	110	50	2	12	2
3	380	50	3	12	4
4	220	40	4	6	4
5	110	40	5	6	4
6	380	40	1	15	4
7	660	50	2	10	2
8	660	60	3	8	2
9	380	60	4	6	4
10	220	60	5	3	4
11	110	60	1	12	4
12	110	300	2	12	2
13	220	300	3	12	4
14	380	300	4	6	4
15	660	300	5	6	4

С помощью осциллографа снять в масштабе графики выходного напряжения схемы, обратного напряжения на диоде. Измерить напряжение на нагрузке схемы Uн, ток нагрузки Iн, амплитуду обратного напряжения на диоде Uобр. Вычислить основные параметры выпрямительной схемы и сравнить их с теоретическими значениями – коэффициент схемы к_сх=Uн/U и Uобр/Uн.

Изменяя сопротивление нагрузки снять внешнюю характеристику выпрямителя U_н=f(I_н). Построив график внешней характеристики выпрямителя и вычислить внутреннее сопротивление выпрямителя. Объяснить результаты опыта.

Включить последовательно с активной нагрузкой катушку индуктивности. Повторить все опыты.

Подсоединить параллельно нагрузке емкостной фильтр. Повторить все опыты для R нагрузки и R-L нагрузки.

1.3.2. Исследование трехфазных выпрямителей

Повторить все предыдущие опыты со схемой трехфазного мостового и трехфазного нулевого выпрямителей, изображенных на рис. 1.2.

VD1

VD2

VD4

VD3

VD5

VD6

S

С

C

S

R

VD1

VD2

VD3

R

а) б)

Рис. 1.2. Схемы трехфазных выпрямителей: а) схема трехфазного нулевого неуправляемого выпрямителя; б) схема трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя

1.3.3. Исследование схем умножителей напряжения

Собрать схемы умножителей напряжения на два и на три (рис. 1.3). Подобрать емкость конденсаторов, изображенных на схемах таким образом, чтобы на выходе схем получалось соответственно удвоенное и утроенное амплитудное значение напряжения на входе. Значение напряжения на входе взять из табл. 1.1.

C1

VD2

VD3

C2

VD1

VD1

C3

C2

C1

VD2

а) б)

Рис. 1.3. Схемы умножителей напряжения: а) схема умножителя напряжения на два; б) схема умножителя напряжения на три

1.4. Содержание отчета

Титульный лист. Схемы испытаний. Данные, полученные путем моделирования работы схем. Графики полученных зависимостей. Выводы по каждому пункту работы.

Лабораторная работа №2.

Исследование работы схем на биполярных транзисторах

2.1. Цель работы

Ознакомится с работой схем источников тока и усилительных каскадов на

биполярных транзисторах.

2.2. Теоретические сведения

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Наиболее часто в качестве выпрямляющего электрического перехода используется электронно-дырочный переход (p-n переход). Взаимодействие между p-n переходами осуществляется при малой толщине области между переходами, когда носители заряда инжектированные через один p-n переход, смещенный в прямом направлении могут дойти до другого перехода, смещенного в обратном направлении, и изменить его ток. В этом случае ток одного из переходов может управлять током другого перехода.

Одна из крайних областей транзистора, используемая в режиме инжекции, называется эмиттером. Другая крайняя область, которая осуществляет экстракцию носителей заряда, называется коллектором. Средняя область называется базой. Электронно-дырочный переход, расположенный между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом, а переход, примыкающий к коллектору, - коллекторным.

Различают два типа биполярных транзисторов: p-n-p и n-p-n транзистор. Принцип действия обоих транзисторов одинаков. Разница состоит в том, что в первом случае эмиттер инжектирует в базу дырки, а во втором – электроны и, следовательно, напряжения, подаваемые на p-n-p и n-p-n транзистор, имеют противоположную полярность (рис. 2.1).

К

Iк

Iб

Б

Э

Iэ

+

а) б)

-

+

К

Iк

Iб

К

Э

Iк

Iэ

Б

Iб

Б

Э

Iэ

-

в) г)

Рис. 2.1. Структуры и условные обозначение биполярных транзисторов: а) структура биполярного транзистора n-p-n; б) условное обозначение биполярного транзистора n-p-n; в) структура биполярного транзистора p-n-p ; г) условное обозначение биполярного

транзистора p-n-p

Переходы транзистора могут быть смещены или в прямом или в обратном направлении. При этом возможны три режима работы транзистора –отсечки, насыщения и активный. В режиме отсечки оба p-n перехода смещены в обратном направлении, при этом через транзистор проходят сравнительно небольшие токи. В режиме насыщения оба p-n перехода смещены в прямом направлении, при этом через транзистор протекают сравнительно большие токи. В цифровых микросхемах транзисторы работают в ключевых режимах, находясь либо в режиме отсечки (разомкнутое состояние ключа), либо в режиме насыщения (замкнутое состояние ключа). В аналоговых схемах основным режимом работы транзистора является активный, при котором один из p-n переходов (обычно эмиттерный) смещен в прямом направлении, а другой

– в обратном. В активном режиме управление транзистором осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы – усиление, генерирование и т.д.

При работе в активном режиме через эмиттерный переход транзистора происходит инжекция носителей заряда в базу (для n-p-n транзистора электронов). Инжектированные носители частично рекомбинируют в объеме базе и на поверхности. Однако, основная часть инжектированных носителей доходит до коллекторного перехода и, проходя его, значительно увеличивает свою энергию. Наряду с инжекцией носителей из эмиттера в базу идет встречная инжекция носителей из базы в эмиттер. Для уменьшения инжекции носителей из базы концентрацию примесей в базе делают значительно меньше, чем в эмиттере, что приводит к появлению распределенного сопротивления базы.

В активном режиме работы ток коллектора транзистора может быть найден в соответствии с уравнением Эберса-Молла:

Iк=Iко(e^Uбэ/т-1), (2.1)

где _т=kT/q – тепловой потенциал, В;

k=1.3810^-23 – постоянная Больцмана, Дж/К;

T – абсолютная температура, К;

q – заряд электрона, Кл;

Iко – ток насыщения обратной ветви вольт-амперной характеристики перехода база-эмиттер, А;

Uбэ – падение напряжения на переходе база-эмиттер, В.

Для любого транзистора в соответствии с законом Кирхгофа:

Iэ=Iк+Iб (2.2)

Переход «база-эмиттер» транзистора работает аналогично диоду, включенному в прямом направлении. Напряжение между базой и эмиттером не должно быть более 0.6-0.8 В, так как в противном случае ток через переход возрастает до недопустимых значений. Использование уравнения Эберса-Молла в практических расчетах довольно сложно, поэтому при их проведении употребляется упрощенная математическая модель транзистора. В этом случае падение напряжения на открытом p-n переходе база-эмиттер принимается в пределах 0,6-0,8 В, а ток коллектора транзистора определяется как,

Iк=Iб, (2.3)

где  - коэффициент усиления тока базы.

Многие задачи по обработке аналоговых сигналов, снимаемых с живых объектов, связаны с использованием цифровых методов анализа, поэтому большое значение приобретают методы и устройства для реализации процессов непрерывно-дискретного преобразования. С их помощью осуществляется преобразование дискретных значений аналогового сигнала в их цифровые эквиваленты – аналого-цифровые преобразователи (АЦП), и цифровых значений в аналоговые – цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Составными частями этих устройств могут являться источники тока, которые характеризуются неизменным значением силы тока, при изменении сопротивления нагрузки. Источники тока могут быть реализованы на базе биполярных и полевых транзисторов.

Мощность сигнала, источником которого служит живой объект, является достаточно слабой. Поэтому для обеспечения возможности регистрации или анализа биопотенциалов необходим усилитель мощности, который известен как усилитель биопотенциалов. Усилители биопотенциалов являются наиболее распространенными узлами современной диагностической аппаратуры.

Для усиления мощности электрических сигналов, могут применяться усилительные каскады на основе биполярных и полевых транзисторах, а так же на основе интегральных микросхем на операционных усилителей (ОУ). Любой усилительный каскад содержит нелинейный элемент, обладающий усилительными свойствами, нагрузочный элемент и источник постоянного или (значительно реже) переменного напряжения, называемый часто источником питания. Процесс усиления заключается в преобразовании источника питания в энергию выходного сигнала усилителя. Управление этим процессом осуществляется входным сигналом, воздействующим на усилительный элемент. Выходной сигнал является функцией входного, причем мощность выходного сигнала за счет энергии источника питания значительно больше

мощности входного (усиливаемого) сигнала. Более подробную информацию о физических основах работы биполярных транзисторах, а так же схем на их основе можно найти в [1, 3-5].

2.3. Программа работы

2.3.1. Исследование схем источников тока

Собрать схему источника тока на биполярных транзисторах (рис. 2.2). Изменяя значение сопротивления в цепи нагрузки от 0.5 до 15 кОм снять характеристику Iн=f(Rн). Значение сопротивления в цепи эмиттера Rэ и напряжения питания Е приведены в табл. 2.1. Напряжение, подаваемое на базу транзистора принять равным 5 В.

Рис. 2.2. Схема источника тока на биполярных транзисторах

Таблица 2.1

Параметры элементов схемы источника тока

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Е, В	12	13	14	15	16	17	18	11	10	13	14	15	16	17	18
Rэ, кОм	4.3	4	4	5	4.5	4.1	4.2	4.4	4.6	4.7	3.5	3.8	3.4	3.3	3.2

Собрать источник тока по схеме токового зеркала (рис. 2.3 а). Изменяя значение сопротивления в цепи нагрузки от 0.5 до 7 кОм снять характеристики Iн=f(Rн) и Iэ=f(Rн). Значение сопротивления в цепи эмиттера Rэ и напряжения питания Е взять из таблицы 2.1. Далее задать значение сопротивления нагрузки Rн=Rэ (табл. 2.1) и изменяя Rэ=0.5Rн; 1Rн; 1.5Rн; 2Rн ; 2.5Rн; 3Rн снять зависимости Iн=f(Rн) и Iэ=f(Rн) при Rн=const.

Собрать источник тока по схеме токового зеркала с отражением удвоенного тока (рис. 2.3 б). Повторить все опыты, которые проделывались над источником тока по схеме токового зеркала, с теми же значениями параметров

а) б)

Рис. 2.3. Источники тока по схеме токовое зеркало: а) источник тока по схеме токового зеркала; б) источник тока по схеме токового зеркала

с отражением удвоенного тока

2.3.2. Исследование схем усилителей мощности

Собрать схему эмиттерного повторителя напряжения и эмиттерного повторителя напряжения с разделительными конденсаторами (рис. 2.4). Подать на вход схем постоянное и переменное напряжение. Параметры входных сигналов и элементов схем приведены в табл. 2.2. Для схемы эммитерного повторителя с разделительными конденсаторами принять C1=C2=1 мкФ, Rэ=1 кОм, R1=100 кОм. Зарисовать осциллограммы напряжений на входе и выходе эммитерного повторителя. Для схемы эммитерного повторителя с разделительными конденсаторами осцилограммы снять при двух значениях сопротивления R2 - 100 кОм и 100 МОм. Измерив ток и напряжение во входной и выходной цепи подсчитать мощность на входе и выходе.

Таблица 2.2

Параметры входного сигнала и элементов схем эммитерных повторителей

№		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
E, В		14	15	16	17	18	19	20	21	22	13	12	25	24	23	26
Rн, КОм		1	2	5	10	8	6	15	18	12	1	4	3	14	8	6
=U, В		5	6	3	4	9	8	12	13	4	3	2	10	8	10	6
~	U, В	5	5	3	4	7	5	8	7	5	3	2	8	5	6	8
	f, Гц	60	50	40	50	60	50	40	50	70	30	50	40	60	30	30

+E

+E

R1

VT1

VT1

С1

Uвх

Uвх

С2

Rн

Rн

R2

Rэ

а) б)

Рис. 2.4. Схемы эммитерных повторителей: а) схема эммитерного повторителя; б) схема эммитерного повторителя

с разделительными конденсаторами

Собрать схемы усилителей мощности с биполярным питанием классов А, В, АВ (рис. 2.5). Подавая на вход усилителей переменное напряжение, с параметрами из табл. 2.2, снять осциллограммы напряжений на входе и выходе. Измеряя значение тока и напряжения во входной и выходной цепи вычислить значение мощности на входе и выходе. Сопротивление нагрузки Rн взять из таблицы 2.2. Сопротивление Rэ на рисунке 2.4 а) принять равным 1 кОм. Сопротивления R1 и R2 на рисунке 2.4 в) принять равным 100 кОм.

+E

+Е

VT1

R1

VT1

Uвх

VD1

Uвх

VT2

VT2

VD2

Rн

Rн

R2

-E

-E

а) б) в)

Рис. 2.5. Усилители мощности на биполярных транзисторах: а) усилитель мощности класса А; б) усилитель мощности класса В; в) усилитель мощности класса АВ

2.4. Содержание отчета

Титульный лист. Схемы испытаний. Данные, полученные путем моделирования работы схем. Графики полученных зависимостей. Выводы по каждому пункту работы.

Лабораторная работа №3

Исследование работы схем на операционных усилителях

3.1. Цель работы

Ознакомиться с линейными и нелинейными режимами работы операционных усилителей.

3.2. Теоретические сведения

При построение разнообразной электронной медицинской аппаратуры на аналоговых элементах широко используются операционные усилители (ОУ). При решении задач биотелеметрии ОУ обычно применяются в электронных блоках устройств первичной обработки информации. Применение ОУ в схемах с отрицательной обратной связью обеспечивает выполнение различных операций над аналоговыми величинами, представленными напряжением и током в полосе частот от нуля до десятков мегагерц. Широкий диапазон характеристик ОУ, реализованных на интегральных схемах, позволяет выполнить разнообразные высококачественные вычислительные и измерительные устройства, устройства для дифференцирования и интегрирования, функциональные преобразователи и фильтры различного рода в малогабаритном представлении. Многофункциональность и гибкость применения ОУ обеспечивают ему универсальность среди аналоговых устройств.

ОУ является усилителем постоянного тока с большим коэффициентом усиления и большим входным сопротивлением. Все ОУ имеют так называемый дифференциальный вход, выполненных как два независимых входа: инвертирующий (на условном обозначении ОУ обозначается кружком или знаком минус) и неинвертирующий. Усилению подвергается разность напряжений, приложенных ко входам. Условное обозначение типового ОУ, приведено на рис. 3.1.

fc

fc

+Vcc

nc -Vcc

nc GND

Неивертирующий вход Un

Инвертирующий вход Ui

Выход

Входы коррекции

Входы балансировки

Питание

Общий

Рис. 3.1. Условное обозначение типового ОУ

Входы коррекции, балансировки, общий вывод у некоторых типов интегральных ОУ отсутствуют. При, использовании ОУ необходимо применять схемы включения микросхем, рекомендованные изготовителем. На расчетных схемах некоторые неосновные входы ОУ могут быть опущены (рис. 3.2). Из-за большого коэффициента усиления ОУ их сложно использовать без добавочных стабилизирующих элементов, и поэтому схемы ОУ, как правило, охватывают цепочками обратных связей, т.е. электрическими цепями, связывающими выход усилителя с одним из входов. Связь выхода ОУ с инвертирующим входом считается отрицательной обратной связью, а связь выхода с неинвертирующим входом – положительной обратной связью. ОУ с положительной обратной связью выполняют функции нелинейных элементов: устройств сравнения, генераторов импульсов и т.д.

+

-

Рис. 3.2. Упрощенные условные обозначение ОУ

При расчете практических схем на ОУ с отрицательной обратной связью применяются следующие допущения:

1. входные токи ОУ пренебрежимо малы;

2. потенциалы входов ОУ равны Un=Ui (для схем с отрицательной обратной связью при условии, что выходное напряжения усилителя меньше напряжения насыщения);

Напряжением насыщения считается максимально возможное выходное напряжение ОУ. Величина напряжения насыщения Umax обычно приводится в справочных данных усилителя.

Для схем без обратной связи или с положительной обратной связью считается, что усилитель не может находиться в активном режиме; его выходное напряжение может принимать только два возможных значения, равных напряжению положительной или отрицательной полярности. При этом знак выходного напряжения соответствует знаку разности напряжения на входах:

Uвых=sign(Un-Ui)

Более подробную информацию о принципах работы ОУ и схемах на их основе можно найти в [1, 3-5].

3.3. Программа работы

3.3.1. Исследование схем инвертирующего и неинвертирующего

операционных усилителей.

Собрать схемы, изображенные на рисунке 3.3. Значения сопротивления R1 и напряжения Uвх, взять из табл. 3.1. Задавая значение сопротивление R2 равным 0.2R1; 0.4R1; 0.6R1; 0.8R1; 1.0R1; 2R1; 3R1; 4R1; 5R1снять зависимость выходного напряжения от сопротивления R2. Снять логарифмическую амплитудно-частотную характеристику (л.а.х.) и фазочастотную характеристику (ф.ч.х.) усилителей.

DA1

DA1

Uвх

Uвх

R1

R2

R2

R1

а) б)

Рис. 3.3. Схемы инвертирующего и неинвертирующего ОУ: а) схема инвертирующего усилителя; б) схема неинвертирующего усилителя

Таблица 3.1

Параметры схем усилителей на ОУ

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
Uвх, В	1	2	3	4	5	6	6	5	4	3	2	1	2	3	4
R1, кОм	1	4	12	10	14	9	8	6	10	15	20	22	25	20	30

3.3.2. Исследование схем суммирующего и вычитающего операционных

усилителей.

Собрать схемы, изображенные на рисунке 3.4.

Uвх1

R1

DA1

R2

Uвх1

R1

Uвх2

R3

R4

DA1

Uвх2

R2

R3

Uвх3

R4

а) б)

Рис. 3.4. Схемы суммирующего и вычитающего усилителей: а) схема суммирующего усилителя; б) схема вычитающего усилителя

Значения входных напряжений и сопротивлений R1, R2, R3 для схемы суммирующего усилителя приведены в таблице 3.2. Значение R4 для схемы суммирующего усилителя принять равным 1кОм. Для схемы вычитающего усилителя R1=R3, R2=R4. Значения R1 и R2, а также значение Uвх2 для этой схемы взять из табл. 3.2. Изменяя напряжение Uвх1 от 1 до 7 В с шагом 1 В снять зависимость выходного напряжения от напряжения Uвх1.

Таблица 3.2