Лабораторная работа - Казанский государственный
advertisement
ЭЛЕКТРОНИКА Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей всех форм обучения Казань 2011 УДК 621.3 ББК 31.2 Э 45 Э 45 Электроника. Методические указания к лабораторным работам для студентов всех специальностей (направлений) всех форм обучения / Сост.: Г. И. Захватов, Ю. В. Никитин, Л. Я. Егоров. – Казань: КГАСУ, 2011.- 24 с. Печатается по решению Редакционно-издательского совета Казанского государственного архитектурно-строительного университета В работе даны методические указания по выполнению лабораторных работ по электронике. Работа предназначена для студентов всех специальностей и направлений подготовки. Ил. 16 Табл. 7 Рецензент: Рецензент: к.ф-м.н. профессор кафедры физики КазГАСУ Алексеев В.В. УДК 621.3 ББК 31.2 Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2011 Лабораторная работа ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ Цель работы 1. Ознакомиться со схемами и принципами действия однофазных однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей. 2. Снять характеристики мостового двухполупериодного выпрямителя без фильтра и с использованием фильтров различного типа. Общие сведения Электрическая энергия подается к потребителям в виде трехфазного или однофазного переменного тока. Однако для питания различных электронных приборов, автоматических устройств, а также для электрифицированного транспорта используется постоянный ток, который получают выпрямлением переменного тока. С этой целью чаще всего используются полупроводниковые выпрямители. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное напряжение (одной полярности). Их основу составляют полупроводниковые диоды (вентили) (обозначение на схемах рис.1а), пропускающие ток только в одном направлении – когда потенциал анода А положительнее потенциала катода К. а) б) Рис.1 Блок-схема и осциллограммы напряжения на входе/выходе отдельных блоков двухполупериодного полупроводникового выпрямителя 3 В состав выпрямителя рис.1б обычно входит трансформатор Тр, обеспечивающий заданную величину напряжения, вентильная группа ВГ, состоящая из одного или нескольких диодов, сглаживающий фильтр СФ и стабилизатор напряжения СН. Выпрямители могут применяться и без фильтра и без стабилизатора напряжения. Вентильная группа ВГ осуществляет непосредственное выпрямление переменного тока, сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения, а стабилизатор напряжения СН поддерживает величину этого напряжения неизменной, независимо от тока нагрузки. В простейшем случае вентильная группа состоит из одного диода, при этом достигается однополупериодное выпрямление (см., например, верхняя ветвь выпрямителя на рис.3, осциллограмма – рис.4б). Достоинством этого выпрямителя является его простота (используется один диод), однако существенный недостаток такого выпрямителя ограничивающий его применение – большой коэффициент пульсации р = 1, 57. Um p Коэффициент пульсации определяется как: U í .ñð. , где Um – максимальное (амплитудное) значение переменной составляющей выпрямленного напряжения; UН.СР. - среднее значение выпрямленного напряжения за один период (для однополупериодного выпрямления равно 0,45). Большое применение нашли двухполупериодные выпрямители на базе двух схем: мостовой (рис.2) и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.3). Рис. 2 Схема мостового выпрямителя Мостовой выпрямитель состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме, где нагрузка RН включена в диагональ моста. Каждая пара диодов VD1,VD3 и VD2, VD4 работает попеременно в зависимости от знака напряжения на вторичной обмотке U2 в тот или иной полупериод переменного напряжения. 4 Например, при положительном полупериоде сетевого напряжения (на верхнем выводе трансформатора «+») ток проходит по цепи: верхний вывод вторичной обмотки трансформатора а – диод VD1 – нагрузка – диод VD3 – нижний вывод вторичной обмотки b – обмотка (на схеме стрелками указано направление в данный полупериод). При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения (на нижнем выводе трансформатора «+») ток проходит через нагрузку в том же направлении, но через диоды VD4, VD2. В выпрямителе со средней точкой (рис.3), в отличие от мостовой схемы, выпрямление в каждый из полупериодов осуществляется одним из диодов – VD1 или VD2. Каждый из диодов работает совместно с частью вторичной обмотки трансформатора (VD1 – c верхней, VD2 – c нижней), например, когда точка а имеет положительный потенциал ток потечет по цепи: точка а – диод VD1 – сопротивление нагрузки RН – средний вывод обмотки – обмотка, когда направление тока изменится – по цепи: точка b – диод VD2 – сопротивление нагрузки RН – средний вывод обмотки – обмотка. Каждую из ветвей можно рассматривать как однополупериодный выпрямитель. Напряжение и ток сохраняют свое направление на нагрузке в течение всего периода. Закрашенными стрелками на схеме указано направление тока для положительного полупериода, незакрашенными – для отрицательного. Осциллограммы в различных точках показаны на рис. 4. Как видно из диаграмм, в двухполупериодных выпрямителях достигается выпрямление в обе половины периода, тогда как в однополупериодном работа выпрямителя осуществляется только в течение одного полупериода. а) Ток первичной ωt обмотки б) Выпрямление тока в ветви VD1 ωt в) ωt Выпрямление тока в ветви VD2 Осциллограмма ωt двухполупериодного г) выпрямленного тока на нагрузке Рис.4 Осциллограммы выпрямителя Рис. 3 Схема выпрямителя с выводом средней точки трансформатора 5 Коэффициент пульсации у двухполупериодного выпрямителя заметно ниже, чем у однополупериодном (р = 0,67). По характеристикам двухполупериодные мостовые выпрямители и выпрямители со средней точкой близки. Достоинством мостового выпрямителя является максимальное использование вторичного напряжения. Выпрямленное напряжение выпрямителя со средней точкой (с тем же общим количеством витков вторичной обмотки) в два раза ниже, чем у мостового выпрямителя, т.к. в каждый полупериод на нагрузку действует напряжение, снимаемое с половины вторичной обмотки (верхней или нижней на схеме рис.3). Преимуществом здесь является меньшее (в два раза) количество используемых диодов, недостатком – нерациональное использование провода и железа трансформатора. Для выпрямления трехфазного тока используются в основном две схемы: с нейтральным выводом В. Миткевича и мостовая, разработанная А.Ларионовым. Мостовой выпрямитель по всем показателям превосходит первый, хотя в нем используются большее количество диодов – 6, а не 3 как в первом. Схемы и вид ЭДС трехфазных выпрямителей приведены на рис.5. ωt а) б) Рис. 5 Схема и вид ЭДС трехфазных выпрямителей а) выпрямитель с «нулевым выводом» В. Миткевича б) мостовой выпрямитель А. Ларионова (жирными линиями показана форма сигнала на выходе выпрямителя) 6 Выпрямитель с «нулевым выводом» представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три диода имеют общую нагрузку. Недостатки: так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления – низкий КПД, нерациональное использование трансформатора. Мостовой трехфазный выпрямитель можно представить как мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку. Диоды VD1,VD3, VD5 мостового выпрямителя образуют одну группу, а диоды VD2, VD4 и VD6 другую. Общие точки диодов первой группы образуют положительный полюс на нагрузке RH, а общая точка второй группы – отрицательный полюс. Достоинством мостового трехфазного выпрямителя является то, что он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью. Коэффициент пульсации в таком выпрямителе всего 0,057. Недостаток – увеличенное количество диодов. Слаживающие фильтры Для сглаживания пульсаций используется сглаживающие фильтры, без них работа электронных устройств резко ухудшается. Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности, иногда транзисторы. Основными параметрами сглаживающего фильтра являются коэффициент пульсации р и коэффициент сглаживания q. Коэффициент пульсации – отношение амплитуды напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра рвх и коэффициент пульсаций на выходе фильтра рвых . Коэффициент сглаживания равен отношению коэффициента пульсации на входе рвх и выходе рвых фильтра: q pВХ pВЫХ . Наиболее эффективно использование комбинаций из индуктивного и емкостного элементов (L , С – фильтры), а лучшей эффективностью, с точки зрения сглаживания пульсации, обладают многозвенные фильтры: Гобразные, П-образные и мостовые, а также электронные. Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров лежит в пределах 100-1000. Некоторые типы сглаживающих фильтров приведены на рис.6. 7 Чем меньше коэффициент пульсации, тем выше действующее значение выпрямленного напряжения (в идеальном случае – равное амплитудному). а) б) в Рис.6. Типы сглаживающих фильтров: а) Г-образные, б) П-образные, в) электронные Краткое описание лабораторного стенда В изучаемой схеме используется двухполупериодный выпрямитель, собранный по мостовой схеме. Электрическая схема изображена на рис.2 (без подключения фильтров). План работы 1. Ознакомиться с электрической схемой стенда (до начала работы тумблеры SA1, SA3, SA6 установить в среднее положение). 2. Снять внешнюю характеристику U=f (IH) без фильтра. 2.1. Установить тумблер SA1 в верхнее положение. 2.2. Изменяя нагрузку потенциометром RН, снять зависимость напряжения U (по показаниям цифрового вольтметра PV1) от тока нагрузки (по показаниям встроенного миллиамперметра PA). 2.3. При помощи осциллографа проследить форму выходного напряжения на нагрузке (контрольные гнезда 14 и 16). Данные занести в таблицу 1. Таблица 1(2,3) U, B I, mA 3. Снять такую же характеристику с использованием простейшего емкостного фильтра: – тумблер SA1 - установить в нижнее положение, тумблер SA3 – в верхнее положение (тумблер SA6 – в среднем положении); 8 – потенциометр RФ вывести в крайнее против часовой стрелки положение; – повторить п.п. 2.2, 2.3. Данные занести в таблицу 2. 5. Снять такую же характеристику с использованием П-образного фильтра: – тумблер SA6 перевести в верхнее положение (тумблер SA1 в нижнем положении, тумблер SA3 в верхнем положении); – потенциометр Rф перевести в среднее положение; – остальные действия аналогично п.п. 2.2, 2.3. Данные занести в таблицу 3. 6. Построить три внешних характеристики по данным табл. 1,2,3. Контрольные вопросы 1. Объясните блок-схему выпрямителя. Что такое одно и двухполупериодное выпрямление? 2. Объясните работу мостового выпрямителя и выпрямителя со средней точкой? 3. Объясните работу мостового 3х-фазного выпрямителя? 4. Сглаживающие фильтры: назначение, типы? 5. Что такое внешняя характеристика выпрямителя? Как влияет фильтр на внешнюю характеристику? Лабораторная работа ЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ТРАНЗИСТОРАХ Цель работы 1. Освоить основные понятия о структуре, характеристиках, режимах работы электронных усилителей. 2. Снять амплитудную и амплитудно-частотную характеристику двухкаскадного усилителя. Общие сведения Электронным усилителем называется электроламповое или полупроводниковое устройство, предназначенное для усиления по величине слабых электрических сигналов с сохранением их формы и частоты. В ряде случаев допускается определенное изменение формы сигнала для достижения максимального к.п.д. усилителя или мощности усиливаемых сигналов. Простейшим усилителем является каскад, рис.1, содержащий нелинейный управляемый элемент (УЭ), как правило, биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник питания Е. 9 Усилительный каскад содержит входную цепь, к которой подводится входное напряжение UВХ (усиливаемый сигнал), и выходную цепь для получения выходного напряжения UВЫХ (усиленный сигнал). Рис. 1 Структурная схема усилительного каскада Увеличение мощности сигнала достигается за счет электрической энергии источника питания Е. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента УЭ, а, следовательно, и тока выходной цепи под воздействием входного напряжения или тока. Выходное напряжение Uвых снимается с управляемого элемента УЭ или резистора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электрической энергии источника питания ИП в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления УЭ по закону, задаваемому входным сигналом. Основными параметрами усилительного каскада являются коэффициент усиления по напряжению КU = Uвых / Uвх, коэффициент усиления по току – КI = Iвых / Iвх и коэффициент усиления по мощности Кр = Рвых / Рвх = КU · КI. Для получения больших коэффициентов усиления используются многокаскадные усилители. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя определяется произведением коэффициентов усиления отдельных каскадов, К = К1· К2·…Кn. В зависимости от диапазона частот входных сигналов усилители подразделяются на усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ) – для усиления сигналов в диапазоне частот от нескольких десятков Гц до 100 кГц и усилители высокой частоты (УВЧ) – для усиления в диапазоне частот от нескольких сотен кГц до нескольких сотен МГц. Для усиления сигналов в расширенном спектре частот применяются широкополосные усилители, в низком диапазоне частот – узкополосные или избирательные. 10 По способу включения усилительного элемента различают схемы усилительных каскадов с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой. В таких схемах один из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепи. Наиболее распространенной является схема с общим эмиттером, так как она обеспечивает одновременное усиление по току, напряжению и мощности. На рис. 2 представлена схема двухкаскадного усилителя низкой частоты (усилительные каскады с общим эмиттером). Рис. 2 Схема двухкаскадного усилителя низкой частоты Для работы транзистора в режиме усиления необходимо создать начальные условия. На его базу относительно эмиттера должно подаваться напряжение, открывающее транзистор – напряжение смещения (для германиевых транзисторов 0,1-0,2 В, для кремниевых – 0,5-0,7 В). Без начального напряжения смещения эмиттерный переход транзистора будет закрыт и как диод будет «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, искажая выходной сигнал. На схеме рис. 2 это смещение задается с помощью делителя на резисторах R1, R2 для транзистора VT1 и R5, R6 – для VT2. На коллектор напряжение питания подается через резистор R3 (R7), на эмиттер через R4 (R8). Конденсаторы С1 и С2 пропускают колебания звуковой частоты и не пропускают напряжение питания из цепи базы на выход предыдущего каскада и замыкания на «+» источника питания, конденсатор С3 не пропускает (отсекает) постоянную составляющую на выходе. Без разделительного конденсатора режим усиления нарушается. Процесс усиления можно представить следующим образом. При отсутствии входного сигнала в цепях базы и коллектора текут небольшие токи, определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения и усилительными свойствами транзистора. Небольшой сигнал определенной частоты, появляясь в цепи эмиттер-база управляет значительно большим током коллектора – при отрицательных полупериодах на базе 11 коллекторный ток увеличивается, при положительных – уменьшается (с той же частотой), т.е. входное напряжение (UБ-Э) открывая и закрывая коллекторный переход управляет током коллектора. Ток коллектора изменяется пропорционально току базы и зависит от напряжения источника питания и коэффициента усиления транзистора. Режим работы усилительных каскадов В зависимости от положения рабочей точки на переходной характеристике транзисторов, являющихся управляемым элементом усилительного каскада, существует три режима работы каскада: А, В и С. Переходной характеристикой транзистора является функция IK=f (Iб)зависимость тока коллектора от тока базы, рис. 3. Линейный участок на этой характеристике (участок ab) характеризуется минимальными искажениями усиливаемого сигнала. При выборе рабочей точки n в начале линейного участка (точка b) усиливается только положительная составляющая усиливаемого сигнала. IK а ik n b Iб Рис.3 Переходная характеристика транзистора Точка n на этой характеристике определяет величину тока коллектора IК и тока базы Iб в отсутствие входного сигнала (состояние покоя). Режим А. Режим А характеризуется тем, что рабочую точку n выбирают на линейном участке переходной характеристики транзистора, обычно посередине (как на рис.3). При этом значение входного напряжения должно быть таким, чтобы работа усилительного каскада происходила на линейном участке характеристики. В этом случае нелинейные искажения усиливаемого напряжения будут минимальными, т.е. при подаче на вход усилительного каскада гармонического напряжения форма выходного напряжения будет практически полностью повторять форму входного. К.п.д. усилителя η определяется отношением выходной мощности Рвых к мощности, потребляемой усилителем от источника питания Рвх: η = Рвых/Рвх . 12 В режиме А к.п.д. самый низкий (меньше 0,5) и редко превышает 0,35. Это объясняется большим током покоя в отсутствие входного сигнала (постоянная составляющая потерь). Это основной недостаток режима А. Достоинство же – отсутствие искажений усиливаемого сигнала. Режим В. Режим В характеризуется тем, что рабочая точка выбирается в начале переходной характеристики – точка b на рис.3. Эта точка называется точкой отсечки. В режиме В усиливается только та часть сигнала, которая способствует отпиранию транзистора и появлению коллекторного тока. Другая часть сигнала, условно назовем ее отрицательной, способствует еще большему запиранию транзистора, т.е. коллекторный ток будет близок к нулю. В случае синусоидального сигнала усиленный сигнал будет иметь форму полусинусоиды, что характеризует очень большое искажение усиливаемого сигнала. Достоинством этого режима является высокий к.п.д., достигающий в некоторых случаях 80%. Этот режим используется, как правило, в двухтактных усилителях мощности. Режим С. Режим С характеризуется тем, что рабочую точку выбирают за точкой отсечки, при этом время отпирания транзистора меньше величины полупериода. Этот режим характеризуется наибольшими искажениями усиливаемого сигнала, зато к.п.д. усилительного каскада приближается к 100%. Режим С используется в автогенераторах и избирательных усилителях. Для оценки диапазона входных напряжений, в котором усиливаемые сигналы усиливаются пропорционально, используют амплитудную характеристику, представляющую собой зависимость амплитудного значения выходного напряжения Uвых от амплитудного значения входного напряжения Uвх (рис.4). Линейный участок этой характеристики, характеризуется постоянным коэффициентом усиления по напряжению Кn = Uвых/Uвх Как правило, этот участок характеризуется наименьшим уровнем нелинейных искажений. Рис.4 Амплитудная характеристика усилительного каскада 13 При очень больших амплитудных значениях усиливаемого сигнала Uвх рост выходного напряжения замедляется, и коэффициент усиления падает, что сопровождается ростом нелинейных искажений. Соответственно различают зоны: нечувствительности, линейности и насыщения. В зоне нечувствительности, при малых входных сигналах коэффициент усиления мал и неустойчив. Другой важной характеристикой является амплитудно-частотная. Это зависимость коэффициента усиления К от частоты ω. Зависимость КU=f(ω) представленная на рис.5, характеризует области нижней ωн.гр и верхней ωв.гр граничных частот, а также область с относительно устойчивым коэффициентом усиления КU. Снижение коэффициента усиления КU в области верхней ωв.гр и нижней ωн.гр граничных частот называют частотными искажениями. KU 0,7 KU KH ωн.гр. KU ωO KB ωв.гр. ω Рис.5 Амплитудно-частотная характеристика усилительного каскада Это название обусловлено тем, что при усилении переменного сигнала отдельные составляющие его усиливаются по-разному из-за неравномерности частотной характеристики, вследствие чего форма кривой усиленного сигнала искажается. Диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя достаточно равномерна и коэффициенты частотных искажений не превышают допустимых значений, называют полосой пропускания усилителя. Полоса пропускания усилителя – это область между нижней и верхней граничными частотами ωн.гр.- ωв.гр. Из практических соображений допустимое значение частотных искажений принимают равным 1/ 2 КU (~0,7 КU), в связи с этим ωн.гр. и ωв.гр. сдвинуты за пределы линейного участка амплитудно - частотной характеристики. 14 План работы: 1. Ознакомиться со схемой полупроводникового двухкаскадного усилителя. 2. Определить вход усилителя и выходы с первого и второго каскадов. 3. Ознакомиться с устройством генератора синусоидальных сигналов. Нажатие соответствующих кнопок генератора означает частоты: 100 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 5000 Гц (Полностью отжатые кнопки соответствуют частоте 15000 Гц). 4. Снять амплитудную характеристику усилителя: – установить частоту генератора 1000 Гц; – включить стенд (тумблером Сеть); – подать напряжение от генератора на вход усилителя равное, 0,05 В; – переключить вольтметр на выход и записать в таблицу выходное (усиленное) напряжение; – последовательно увеличивая величину входного напряжения Uвх через 0,05В до 0,4 В измерять напряжение Uвых на выходе 1-го каскада при каждом опыте; – одновременно при помощи осциллографа, подключенного к выходу первого каскада, проследить форму усиленных сигналов, отметив при каком входном напряжении начинает искажаться форма выходного сигнала. Данные измерений занести в таблицу 1. Uвх, B 0,05 0,1 0,15 0,20 0,25 0,30 Таблица 1. 0,35 0,40 Uвых, B 3. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя при входном напряжении Uвх = 0,2 В (при таком сигнале линейные искажения еще не заметны): – изменяя частоту генератора, замерить выходное напряжение на всех частотах генератора при неизменном входном напряжении; – при помощи осциллографа проследить форму выходных сигналов, отметив область частот, где наблюдаются искажения формы синусоидальных сигналов. Данные свести в таблицу 2. В эту же таблицу записать значения коэффициента усиления КU на разных частотах, вычислив их по формуле К = Uвых/Uвх: 15 f, Гц Uвх, B Uвых, B 100 0,2 500 0,2 1000 0,2 5000 0,2 Таблица 2. 15000 0,2 KU 4. На основании данных табл. 1 и 2 построить амплитудную и амплитудночастотную характеристики. Контрольные вопросы: 1. Определение и классификация усилителей? 2. Начертить и объяснить блок-схему усилительного каскада? 3. Режимы А, В, и С, их достоинства и недостатки. В каких случаях они применяются? 4. Что такое коэффициент усиления, как определить коэффициент усиления многокаскадного усилителя? Что такое многокаскадные усилители? 5. Объяснить схему и работу двухкаскадного усилителя. 5. Что такое нелинейные искажения? 6. Начертить и объяснить амплитудную характеристику. 7. Начертить и объяснить амплитудно-частотную характеристику. Лабораторная работа УПРАВЛЯЕМЫЕ ТИРИСТОРНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ Цель работы 1. Ознакомиться со схемой и принципом действия однофазного регулируемого тиристорного выпрямителя. 2. Снять характеристики выпрямителя для различных режимов работы. Общие сведения От выпрямителей часто требуется не только преобразовать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного. Наиболее экономичный и удобный способ, который получил широкое распространение, является способ управления выпрямленным напряжением в процессе выпрямления. 16 Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения с управлением выпрямленным напряжением, называются управляемыми выпрямителями. Основным элементом таких выпрямителей является тиристор или симистор. Тиристор это трехэлектронный прибор (рис. 1) с тремя или более p-n-переходами, работающий в ключевом режиме: закрыт – открыт. Переход из закрытого состояния в открытое происходит под действием сигнала управления, подаваемого на управляющий электрод УЭ (когда на его аноде А положительный потенциал относительно катода К), а из открытого в закрытое – при смене полярности напряжения на аноде и катоде, например, в точке перехода положительного полупериода в отрицательный или при отключении питания. а) б) в) Рис 1. а) – обозначение тиристора на схемах, б) обозначение симистора на схемах, в) структурная схема тиристора (прямое включение) – А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод Недостатком тиристора является то, что он может использоваться только в однополупериодном режиме. Этот недостаток устраняется в симметричных тиристорах – симисторах. Симистор в отличие от тиристора может проводить ток в обоих направлениях Симистор можно представить как два тиристора, включенные встречно-параллельно (рис. 1б), что позволяет использовать обе полуволны переменного напряжения, поэтому понятие анода и катода здесь условное. Включение тиристора. Основным условием включения тиристора является то, что отпирающие сигналы должны подаваться только тогда, когда напряжение на аноде положительное относительно катода. Для управления выходным напряжением управляющий сигнал может подаваться на управляющий электрод с некоторым фазовым сдвигом по отношению к анодному напряжению. Чем больше фазовый сдвиг, тем позднее открывается тиристор и тем меньше действующее значение напряжения на выходе выпрямителя. Такое управление называется фазовым, 17 а угол сдвига – углом фазового сдвига или углом управления α. Для четкого отпирания тиристора управляющий сигнал должен быть с крутым фронтом, например, прямоугольный импульс. Для получения управляющего импульса применяют специальные схемы – формирователи импульсов. Если сигнал управления формируется питающим напряжением, то такой способ управления называется амплитудно-фазовым. При необходимости иметь лучшую стабильность выходного сигнала применяются схемы, где специальным генератором формируется прямоугольный управляющий импульс. Такое управление называется импульсно-фазовым. На рисунке 2а показана схема подключения тиристора для однополупериодного выпрямления, на рис. 2б показаны осциллограммы напряжений – 1) входного напряжения, 2) – форма импульсного сигнала управления, 3) – напряжения на нагрузке. Для двухполупериодного выпрямления напряжения используются тиристорные схемы, аналогичные схемам выпрямителей, рассмотренных в работе «Выпрямители переменного тока». ωt 1) ωt 2) α ωt 3) а) б) Рис. 2 а) схема однополупериодного тиристорного выпрямителя, б) осциллограммы сигналов – 1) входное напряжение; 2) импульсный сигнал управления; 3) напряжение на нагрузке Для регулирования действующего напряжения и тока на нагрузке угол фазового сдвига (угол управления) может устанавливаться в пределах от 0º до 180º (от 0 до π) и задается с помощью переменного резистора RУПР. Например, при α = 0º напряжение и ток на нагрузке максимальны, а при α = 180º – равны 0. 18 В данной работе снимаются две характеристики тиристорного выпрямителя. 1. Характеристика управления. Зависимость U=f(α) называется характеристикой управления выпрямителя, где U – выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя, а α – угол управления. Эта зависимость представлена на рис. 3. 2. Внешняя характеристика Uн = f (IН), (IН – ток нагрузки), представлена на рис.4. Внешние характеристики представляют собой семейство, каждая кривая которого снимается при определенном, фиксированном значении угла α. Эти кривые близки к внешним характеристикам обычного неуправляемого выпрямителя. α1 < α2 < α3 < α4 1= 0 0 2 = 200 3 = 400 4= 600 ωt IН Рис.3 Характеристика управления Рис.4 Семейство внешних характеристик Как следует из характера кривой управления, рис.3, изменяя угол управления от 0 до 180º, можно плавно регулировать выходное напряжение от максимального UНО до нуля (при угле =180º). Основным достоинством тиристорных выпрямителей, наряду с возможностью плавного регулирования выходного напряжения, является высокий к.п.д. Это объясняется тем, что тиристор, фактически работает в ключевом режиме, открыт - закрыт, при этом меняется только соотношение времени отпирания и запирания тиристора, и почти отсутствуют тепловые потери. 19 План работы 1. Снять характеристику управления тиристорного выпрямителя: – установить переключатель S1 в положение RН ; – подключить осциллограф к точкам 12 и 14; – изменяя угол α переключателем RФ, по показаниям приборов PV и РА снять регулировочную характеристику, при различных значениях активной нагрузки RН; – по осциллографу проследить форму выходного сигнала в зависимости от изменения угла α; – полученные данные занести в таблицу 1. № α 0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 100 120 140 RН = 25 Ом U, B I, A α Таблица 1 RН = 100 Ом U, B I, A 0 20 40 60 80 100 120 140 По полученным данным построить регулировочные характеристики. 2. Снять внешнюю характеристику, зависимость выходного напряжения от тока нагрузки при постоянном угле α (α = 60º) . Полученные данные записать в таблицу и построить график. RH, Ом 20 40 60 80 100 120 UH, B 20 Таблица 2 IH, A Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Что такое управляемые выпрямители? Что такое тиристор? Объяснить принцип работы тиристорного выпрямителя? Характер управляющих импульсов и способы их формирования? Что такое угол управления? Объяснить характеристику управления выпрямителя? Объяснить внешнюю характеристику выпрямителя? За счет чего обеспечивается высокий кпд тиристорного выпрямителя? Лабораторная работа ОПЕРАЦИОННЫЙ ИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ Цель работы 1. Освоить основные понятия об операционных усилителях, характеристиках, режимах работы усилителей. 2. Снять амплитудную и амплитудно-частотную характеристику усилителя. Общие сведения Операционный усилитель широко применяется для усиления как аналоговых (непрерывных), так и импульсных сигналов. Операционный усилитель это многокаскадный усилитель с большим коэффициентом усиления (400 - 50 000 и выше). Усилитель такого типа собирается на интегральной микросхеме и имеет два входа: инвертирующий и неинвертирующий. Соответственно операционные усилители подразделяются на 2 типа – инвертирующий усилитель, выходной сигнал которого находиться в противофазе с входным сигналом и неинвертирующий усилитель, у которого оба сигнала совпадают по фазе. Обратная связь в усилителях подразделяется на отрицательную и положительную. Обратную связь в усилителях определяют как подачу части или всего выходного сигнала усилителя на его вход. Если, при наличии обратной связи, входное напряжение складывается с напряжением обратной связи, и на вход усилителя подается увеличенное напряжении, то такую связь называют положительной обратной связью. Если сигнал с выхода усилителя подается в противофазе с входным, то происходит ослабление входного сигнала, и такая обратная связь называется отрицательной. Выходной сигнал подается на вход усилителя при помощи звена обратной связи. При этом 21 сигнал может подаваться на вход параллельно ему (обратная связь по напряжению), либо последовательно (обратная связь по току). В обратной связи по напряжению U OC U ВЫХ , где UOC – напряжение обратной связи, UВЫХ – выходное напряжение, – коэффициент обратной связи. Хотя отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя, однако в тоже время она существенно снижает уровень нелинейных искажений сигнала и стабилизирует коэффициент усиления. Эти положительные свойства отрицательной обратной связи приводят к тому, что она применяется в усилителях самого различного типа. Хотя положительная обратная связь увеличивает входное напряжение, но в то же время это приводит к возрастанию уровня нелинейных искажений выходного сигнала. Поэтому положительная обратная применяется довольно редко, главным образом в автогенераторах и некоторых избирательных усилителях. В данной работе исследуется операционный инвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению. На рис. 1 приведена схема инвертирующего усилителя . Рис. 1 Операционный инвертирующий усилитель. В данной схеме отрицательная обратная связь осуществляется с помощью потенциометра R3, соединяющего вход и выход усилителя. Входное сопротивление усилителя определяется в основном, резистором R1, при этом вследствие этого входной и выходной токи усилителя практически равны (входной ток через усилитель (микросхему) пренебрежимо мал. Вследствие этого усиление сигнала по току отсутствует коэффициент усиления сигнала по напряжению КU определяется как: 22 К U R3 ; R1 Входной сигнал подается на инвертирующий вход 2. К неинвертирующему входу 3 подключается согласующий резистор R3, стабилизирующий коэффициент усиления усилителя. В работе исследуются две характеристики усилителя – амплитудная и амплитудно-частотная. План работы. 1. Снять амплитудную характеристику усилителя для двух значений сопротивления обратной связи R3. Усиливаемый сигнал подается от генератора на вход усилителя с постепенным увеличением. Для каждого значения измерить величину входного и выходного напряжения при помощи цифрового вольтметра и записать данные в табл. 1. С этой целью используется переключатель UВХ / UВЫХ. На основании полученных данных определить коэффициент усиления по напряжению КU, одновременно при помощи осциллографа исследовать форму сигнала. Таблица 1. UВХ , В UВЫХ , В KU По полученным данным построить амплитудную характеристику UВЫХ =f (UВХ). 2. Снять амплитудно-частотную характеристику. При снятии характеристики на вход подается постоянное по величине напряжение UВХ при максимальном значении сопротивления обратной связью R3. Измерить входное и выходное напряжение для каждой из заданных частот и записать показания в табл. 2. f, кГц UВХ , В UВЫХ , В KU 0,1 0,5 2,0 23 6,0 Таблица 2 15,0 40,0 По этим данным рассчитать коэффициент усиления KU и построить амплитудно-частотную характеристику KU = f (f), где f - частота, кГц. При снятии характеристики при помощи осциллографа оценить форму сигнала и возможные искажения. Контрольные вопросы 1. Какое назначение и особенности операционного усилителя? 2. Что такое положительная и отрицательная обратная связь? Определение и свойства. 3. Как осуществляется обратная связь? 4. Особенности инвертирующего и неинвертирующего усилителей. 5. Начертить и объяснить амплитудную характеристику. 6. Начертить и объяснить амплитудно-частотную характеристику. Электроника Методические указания к лабораторным работам для студентов строительных специальностей всех форм обучения. Составители: Г. И. Захватов, Ю. В. Никитин, Л. Я. Егоров. Редактор Г. А. Рябенкова Редакционно – издательский отдел Казанского государственного архитектурно – строительного университета Подписано в печать………… Формат 60х80/16 Бумага тип № 1 Печать ризографическая Усл.печ.л., 1,5 Тираж 200 экз. Заказ Усл.изд.л., __________________________________________________________________ Печатно – множительный отдел Казанского государственного архитектурно-строительного университета 420043, Казань, ул. Зеленая, 1 24
