Лабораторный практикум 31 32 33 34

Рисунок 3 – Вольт-амперная характеристика стабилитрона и графики напряжений в элементах схемы стабилитрона

Стабилитрон Д1 , включается параллельно нагрузочному сопротивлению RH , а в неразветвленную часть цепи для ограничения тока Д1 , включается ограничивающий резистор

1.4 Основные расчетные соотношения

Для определения требований к параметрам элементов параметрического стабилизатора можно воспользоваться вольтамперными характеристиками (рисунок 3) и записать:

Из этого следует, что для увеличения коэффициента Kc стабилизации необходимо увеличивать сопротивление Ro и использовать стабилитроны с малым дифференциальным сопротивлением. Однако увеличение Ro приводит к необходимости увеличения входного напряжения, при этом ухудшается стабилизатора.

2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

На рисунке 4 приведены принципиальные схемы параметрических стабилизаторов напряжения, реализованных в лабораторной установке. С помощью переключателя П1 осуществляется выбор одной из четырех схем параметрических стабилизаторов, а также обеспечивается подключение соответствующих измерительных приборов. Предельные значения контролируемых величин у измерительных приборов указаны на рисунке и на лицевой панели лабораторной установки. Имеется дополнительная сигнализация на лампочках Л2 о включении соответствующей схемы стабилизатора. Регулировка входного напряжения для всех схем осуществляется с помощью потенциометра «Регулировка U1 ». Схемы 2 и 4, соответствующие рисунку 2, являются самыми распространенными схемами параметрических стабилизаторов на полупроводниковых (Д1) и ламповых (Л1) стабилитронах. Схема 3 позволяет рассмотреть параметрический стабилизатор тока на нелинейном сопротивлении (лампа

23

накаливания). Схема 4 позволяет рассмотреть методы повышения коэффициента стабилизации параметрических стабилизаторов на примере мостовой схемы включения стабилитрона. Каждая схема имеет автономное переменное нагрузочное сопротивление RH .

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Ознакомиться с принципом действия и устройством параметрических стабилизаторов напряжения и тока по данному руководству или по работам [1-3]. Выполнить испытания параметрического стабилизатора (схема 2) на стенде, схема которого приведена на рис. 4.

2.Снять характеристику U2 f (U1)

3.Снять внешнюю характеристику U2 f (I2) стабилизатора при U1 const , изменяя ток нагрузки в пределах (0,2...0,8)IHOM , где номинальное значение тока IH нагрузки соответствует среднему значению нагрузочного сопротивления.

4.По результатам измерений вычислить Kcm , Kc , Rc , RB , , а также построить характеристики U2 f (U1) и U2 f (I2) .

4 ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1.Изложить принцип работы параметрического стабилизатора напряжения.

2.Определить основные электрические параметры стабилизаторов напряжения.

3.Обосновать выбор величины ограничивающего резистора.

4.Назвать методы повышения коэффициента стабилизации параметрических стабилизаторов.

5.Указать достоинства и недостатки различных схем параметрических стабилизаторов.

6.Обосновать методику экспериментального определения основных параметров стабилизаторов.

7.Перечислить основные дестабилизирующие факторы и особенности компенсации их влияния.

24

Лабораторная работа №34 ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Цель работы: ознакомление с принципом действия и основными характеристиками биполярного транзистора.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.1 Принцип работы транзистора

Для уяснения принципа действия транзистора как усилителя электрических сигналов необходимо предварительно ознакомиться со всеми подробностями физических явлений p– n– переходе.

Рисунок 1 – Структура и условные обозначение транзисторов n–p–n и p–n–p типов

Транзистор представляет собой совокупность двух переходов, имеющих одну общую область р или п типа, получившую название «базы» транзистора. При этом возможны два варианта реализации транзисторов, структурные схемы и условные обозначения которых представлены на рисунке 1. Не умаляя общности физических рассмотрений, а преследуя цель сокращения объема изложения, рассмотрим принцип действия транзистора на примере структуры п–р–п.

Приступая к рассмотрению, целесообразно обратить внимание на три момента, весьма важных для дальнейшего изложения:

1.Толщина базы транзистора чрезвычайно мала (0,5-1 мкм), а концентрация в ней ловушек электронов (т. е. дырок) невелика.

2.Рассматривая принцип действия р–п– перехода, мы оперировали понятием «открытое состояние диода». В то же время согласно рисунку 2 следует, что при потенциалах менее 0,5 В можно говорить о частном (неполном) открытии диода. Таким образом, можно варьировать величину прямого тока, в зависимости от величины разности потенциалов, подводимой к р–п– переходу.

26

Рисунок 2 – К объяснению принципа эффекта усиления

3. Сопротивление открытого р–п– перехода по порядку величины составляет 0,1 Ом, а закрытого – 100 кОм. Рассмотрим электрическую цепь, представленную на рисунке 2, а. Принимая во внимание полярность подключения источника напряжения EÊ Ý к транзистору можно заключить, что коллекторный переход будет закрыт (rÊ Á 100 êÎ ì ), а эмиттерный переход, казалось бы, открыт (rÝ Á 0,1Î ì ). Однако, принимая во внимание величину напряжения на «открытом» эмиттерном переходе, равное 10 5 B , и характер начального участка ВАХ прямого тока (рисунок 2, а), следует, что и эмиттерный переход также практически будет закрыт.

Подключим теперь к базовой и эмиттерной клеммам транзистора источник напряже-

определяться напряжением источника Е. Очевидно, что ток, протекающий через эмиттерный переход в базу, будет обусловлен свободными электронами, содержащимися в n- полупроводнике эмиттера. Проследим за дальнейшей судьбой этих электронов, проникающих в базовую область транзистора. Они могут устремиться к базовой клемме и тем самым создать круговой ток IÁ через источник напряжения EÁ Ý . Однако, есть и другой путь их дальнейшего перемещения. Поскольку толщина базы чрезвычайно мала, они могут успеть продиффундировать через нее к коллекторному переходу, не будучи захваченными ловушками (дырками) р-полупроводника базы. Электроны, достигшие границы коллекторного перехода со стороны базы, попадают в весьма благоприятные условия для дальнейшего перемещения к коллекторному выводу транзистора. Действительно, учитывая полярность включения источника EÊ Ý , следует, что только собственным электронам коллектора (n- полупроводник) «запрещено» двигаться к базовому электроду, а посторонним, оказавшимся вдруг в р-полупроводнике базового слоя, плюсовая клемма источника на коллекторе благоприятствует перемещению к коллектору. Таким образом, чем меньше толщина базы, тем больше вероятность того, что электроны, проникающие из эмиттера в базу достигнут границы коллекторного перехода и тем самым не примут участия и базовом токе – IÁ . В современных транзисторах 99% электронов, инжектированных эмиттером, достигают коллекторного перехода и участвуют и создании коллекторного тока IK через источник питания EÊ Ý .

27

Рисунок 3 – Статические вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Если принять за 100% величину тока, протекающего через эмиттер, то можно запи-

сать: IЭ IК IБ , 100% 99% 1%.

Из этого соотношения непосредственно следует, что малые изменения величины напряжения EÁ Ý приводят к значительному изменению тока IÝ , а, следовательно, и IK . В данном случае можно сказать и так: что весьма малый ток IÁ «управляет» большим током IK . В этом и состоит сущность эффекта усиления электрических сигналов транзистором.

Поскольку в транзисторе имеют место два замкнутых круговых тока (IÁ ,IK ), то его состояние однозначно определяется двумя семействами вольтамперных характеристик

(ВАХ):

1.Входная ВАХ: IÁ UÁ Ý при UК Э const ;

2.Выходная ВАХ: IÊ UÊ Ý при IБ const .

Типичный вид входной и выходной ВАХ представлен на рисунке 3.

Выходная ВАХ разделяется на две области. Первая область (малых напряжений на коллекторе) характеризуется сильной зависимостью IK от UÊ Ý . Эта область (насыщения транзистора) – нерабочая. Во второй области ток IК практически не зависит от напряжения коллектора и область – рабочая.

1.2 Схемы включения транзисторов

В зависимости от соединения трех электродов транзистора с элементами электрической цепи различают три схемы включения: 1 – с общей базой, 2 – с общим коллектором, 3 – с общим эмиттером. Последний вариант включения транзистора является наиболее распространенным. Схема включения транзистора с общим эмиттером изображена на рисунке 4. Если принять, что токи и напряжения в транзисторе не выходят за пределы линейных участков, то транзистор можно считать линейным элементом и описать его следующей системой уравнений (для приращения токов и напряжений):

28

1 – выходная дифференциальная проводимость транзистора (обычно мала и ею

Rвых

часто пренебрегают, считая 1 0).

Rвых

Значения дифференциальных параметров транзистора можно определить из вольтамперных характеристик, используя следующие выражения:

Рисунок 4 – Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

1.3 Эквивалентная схема замещения транзистора

В соответствии с уравнениями (2) можно рассмотреть эквивалентную схему замещения транзистора. Если пренебречь малым коэффициентом koc , то эквивалентная схема замещения будет иметь вид, показанный на рисунке 5. При подключении входной (базовой) цепи транзистора к источнику переменного напряжения Uвх с внутренним сопротивлением rвн , а выходной цепи (коллекторной) к нагрузке с сопротивлением RH можем с помощью схемы замещениям определить коэффициент усиления простейшего усилителя с общим эмиттером по следующей формуле:

Отсюда видим, что коэффициент усиления усилителя зависит не только от параметров транзистора, но и от параметров источника входного сигнала и нагрузки.

Рисунок 5 – Эквивалентная схема замещения биполярного транзистора

2 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

29

Лабораторная установка содержит: 1 – исследуемый транзистор типа Кт 315; 2 – источник постоянного напряжения смещения; 3 – источник питания коллекторной цепи; 4 – микроамперметр для измерения силы начального тока базы; 5 – миллиамперметр для измерения силы тока цепи коллектора.

Рисунок 6 – Схема экспериментальной установки

3 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Установить переключатель рода работ П1 в положение «вкл». Установить переключатель рода работ П2 в положение с общим эмиттером.

1

2

3

4

5

6

7

1

2

3

4

5

30

1.Графики статических входных и выходных характеристик транзистора с указание масштаба;

2.Результаты определения входного и выходного сопротивления транзистора.

5 ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ

1.Что такое транзистор и для чего он используется?

2.Чем отличается транзисторы типа p-n-p от транзисторов типа n-p-n?

3.Какие схемы включения транзисторов используют?

4.Каково соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы биполярного транзистора?

5.Что такое дифференциальные параметры транзистора?

6.Как измерить входное сопротивление транзистора?

7.Как определить по вольтамперной характеристике статиче6ский коэффициент усиления транзистора по току?

8.Объясните (упрощенно), каков принцип действия транзистора?

9.Чем отличается эквивалентная схема замещения транзистора от реального транзистора?

31

Лабораторная работа №35 ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ

Цель работы: изучение принципа работы усилителя низкой частоты с реостатноемкостной связью между каскадами (усилитель «RC»), исследование характеристик и влияния обратных связей на работу усилителя.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Одно из наиболее важных назначений полупроводниковых приборов – усиление электрических сигналов.

Устройства, предназначенные для выполнения этой задачи, называются усилителями. Усилители классифицируются по диапазону частот электрических колебаний, по назначению (усилители напряжения, тока, мощности), по роду применяемых усилительных

элементов.

Среди большого разнообразия усилительных устройств широкой распространение получили усилители напряжения низкой частоты (УНЧ), частотный спектр которых ограничен диапазоном звуковых частот от 20 до 20000 Гц.

Помимо использования в качестве элементов автоматики и информационноизмерительной техники УНЧ применяются в аппаратуре радиовещания, радиосвязи, телефонии, записи и воспроизведения звука.

Усилители различаются также способом включения усилительного элемента в схему и особенностями межкаскадных связей. В данной лабораторной работе исследуется полупроводниковый усилитель напряжения с реостатно-емкостной связью между каскадами (усилитель «RC»).

Усилители напряжений, или предварительные усилители, служат для усиления входного напряжения до величины, необходимой, для подачи на вход усилителя мощности. Поэтому основным требованием, предъявляемым к каждому каскаду предварительного усилителя, является возможно большее усиление по напряжению при минимальных искажениях входного сигнала. Отсюда важнейшими качественными показателями усилителя напряжений низкой частоты являются: коэффициент усиления по напряжению, амплитудная, частотная и фазовая характеристики.

32