практикум по Электронике и МПТ 2 курс
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Уфимский государственный авиационный технический университет
ИЗУЧЕНИЕ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ И ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ И УСИЛИТЕЛЕЙ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ по дисциплинам
«Электроника и микропроцессорная техника», «ИИТ и электроника»
Уфа 2011
1
Составители: Т.В. Мирина, Н.В. Мирин
УДК
ББК
Изучение стабилизирующих и выпрямительных устройств и усилителей на биполярных транзисторах: Лабораторный практикум по дисциплинам «Электроника и МПТ», «ИИТ и электроника» / Уфимс. гос. авиац. техн. ун-т; Сост.: Т.В. Мирина, Н.В. Мирин. Уфа,
2011. – 73 с.
Предназначен для студентов 2 курса, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов 653700 (200100) - «Приборостроение», специальности 190900 (20010665) - «Информационно-измерительная техника и технологии»; по направлению подготовки бакалавров 551500 (20010062) – «Приборостроение»; по направлению подготовки дипломированных специалистов 653900 (200400) – «Биомедицинская техника», специальностей 190500 (20040165) – «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» и 190600 (20040265) – «Инженерное дело в медико-биологической практике», по направлению подготовки дипломированных специалистов 650900 (140200) - «Электроэнергетика» специальности 100200 (140205) «Электроэнергетические системы и сети» очному и заочному обучению
Ил.: 36. Библиогр.: 5 назв.
Рецензенты:
к.т.н., доцент каф. ЭМ Пашали Д.Ю. д.т.н, проф. каф. ИИТ Гусев В.Г.
©Уфимский государственный авиационный технический университет, 2011
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………………….5
Лабораторная работа № 1. ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ И СГЛАЖИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
1.Цель работы……………………………………………………….. 7
2.Теоретическая часть…………………….………………………... 7
2.1.Обобщенная структура источников вторичного электропитания………….…………………………………………… 7
2.2.Однополупериодное выпрямление сигнала……………….. 12
2.3.Двухполупериодное выпрямление сигнала.………………. 19
3.Лабораторное оборудование и детали, используемые при выполнении лабораторной работы…………………………………. 22
4.Техника безопасности при выполнении лабораторной работы.. 23
5.Задание на лабораторную работу и методические рекомендации к выполнению работы……………………………… 24
6.Требования к оформлению отчета………………………………. 32
7.Контрольные вопросы……………………………………………. 32
Список литературы………………………………………………….. 32
Лабораторная работа № 2. ИЗУЧЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
1. Цель работы……………………………………………………….. 33
2. Теоретическая часть…………………….………………………... 33 2.1. Структуры стабилизаторов напряжения ………….….…… 33
2.2.Параметрический стабилизатор напряжения …………….. 37
2.3.Электронный стабилизатор напряжения.………………….. 38
3.Лабораторное оборудование и детали, используемые при выполнении лабораторной работы…………………………………. 40
4.Техника безопасности при выполнении лабораторной работы.. 41
5.Задание на лабораторную работу и методические рекомендации к выполнению работы……………………………… 42
6.Требования к оформлению отчета………………………………. 51
7.Контрольные вопросы……………………………………………. 52
Список литературы………………………………………………….. 53
3
Лабораторная |
работа № 3. |
ИЗУЧЕНИЕ |
РАБОТЫ |
УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА НА ТРАНЗИСТОРЕ |
|
||
1.Цель работы……………………………………………………….. 54
2.Теоретическая часть…………………….………………………... 54
3.Лабораторное оборудование и детали, используемые при выполнении лабораторной работы…………………………………. 62
4.Техника безопасности при выполнении лабораторной работы.. 63
5.Задание на лабораторную работу и методические рекомендации к выполнению работы……………………………… 63
6.Требования к оформлению отчета………………………………. 72
7.Контрольные вопросы……………………………………………. 72
Список литературы………………………………………………….. 73
4
ВВЕДЕНИЕ
Проведение лабораторного практикума по дисциплинам «Электроника и МПТ», «ИИТ и электроника» призвано помочь студентам разобраться в многообразии современных электронных компонентах, из которых состоят простейшие схемы электронных устройств, а также приобрести навыки и умения в использовании измерительных приборов для измерения характеристик собранных электронных устройств.
Лабораторный практикум состоит из трех лабораторных работ:
1.Изучение выпрямительных и сглаживающих устройств.
2.Изучение параметрических и электронных стабилизаторов напряжения.
3.Изучение работы усилительного каскада на транзисторе.
В первой лабораторной работе рассмотрены обобщенная структура источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, и используемые схемы для однополупериодного и двухполупериодного выпрямления с различными типами сглаживающих фильтров.
Во второй лабораторной работе рассмотрена теория построения непрерывных и компенсационных стабилизаторов напряжения, приведены структуры параметрических и электронных стабилизаторов и рассмотрены простейшие схемы их реализации.
Втретьей лабораторной работе рассмотрены режимы работы усилительных каскадов, схемы включения транзисторов (с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором), приведен графоаналитический способ расчета усилительного каскада и схемы построения усилителей электрических сигналов на транзисторах.
Входе лабораторного практикума студенты обсуждают теоретические вопросы и выполняют экспериментальные задания. При подготовке к выполнению работы необходимо изучить краткие теоретические сведения, приведенные перед каждой лабораторной
5
работой, соблюдать указанный порядок выполнения расчетной и экспериментальной частей работы. При проведении экспериментов необходимо строго выполнять все установленные в лаборатории правила техники безопасности.
Отчет о работе должен содержать название, цель работы, краткие теоретические сведения расчетную часть, анализируемые схемы, результаты измерений, включающие таблицы, графики, и расчет требуемых параметров, выводы. Более подробно требования к отчетам изложены в конце каждой лабораторной работы.
Контрольные вопросы, приведенные в конце каждой работы, облегчают подготовку к защите работы. В конце указаний приведен список литературы, рекомендуемый для самостоятельной подготовки к выполнению лабораторных работ.
Лабораторные работы защищаются после сдачи отчета, защита может проходить как в устной форме, так и в форме тестов с использованием специализированной программы «Tester».
6
Лабораторная работа № 1
ИЗУЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ И СГЛАЖИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Ознакомление с назначением и принципом работы выпрямительных и сглаживающих устройств, используемых в источниках питания электронных цепей, получение навыков пайки простейших схем и измерение их основных параметров и характеристик.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Для любого электронного устройства необходим источник питания, который должен выдавать в общем случае одно или несколько значений постоянного напряжения. Его получают путем трансформирования и последующего выпрямления напряжения электрической сети. Полученное таким образом напряжение питания, как правило, имеет заметные пульсации и изменяется в зависимости от нагрузки и колебаний напряжений электрической сети. Поэтому в цепь питания обычно включают стабилизатор напряжения, который компенсирует эти изменения напряжения.
В общем случае стабилизированные источники вторичного электропитания состоят из функциональных узлов, показанных на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Структура схема источника вторичного электропитания с трансформаторным входом: ИП - источник питания;
Т – трансформатор; В – схема выпрямителей; Ф – фильтр; СН – стабилизатор напряжения
7
В этой лабораторной работе ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ ИП является генератор переменного напряжения (генератор звуковых частот). Далее сигнал с генератора поступает на вход трансформатора Т, который предназначен для преобразования электрического напряжения по амплитуде и получения из напряжения одного значения группы напряжений пропорциональных друг другу.
ТРАНСФОРМАТОР Т это устройство, состоящее из двух (или более) связанных катушек индуктивности (одна из которых называется первичной, а другие вторичными обмотками). Напряжение, снимаемое с вторичной обмотки, пропорционально напряжению переменного тока, поданному на первичную обмотку, причем коэффициент изменения (трансформации) напряжения прямо пропорционален отношению числа витков обмоток трансформатора, а коэффициент изменения тока обратно пропорционален. Таким образом мощность сохраняется неизменной.
Трансформатор обладает весьма высоким коэффициентом полезного действия (мощность его на выходе почти равна мощности на входе); в связи с этим повышающий трансформатор обеспечивает рост напряжения при уменьшении тока, а понижающий трансформатор обеспечивает уменьшение напряжения при повышении тока.
В электронных приборах трансформатор выполняет две важные функции: во-первых, он преобразует напряжение переменного тока электрической сети к необходимому, обычно к более низкому по амплитуде значению, которое можно использовать в схеме, и, вовторых, он «изолирует» электронную схему от непосредственного контакта с силовой сетью, так как обмотки трансформатора электрически изолированы одна от другой.
Трансформаторами называются статические устройства, обеспечивающие преобразования параметров переменных напряжений и токов. Трансформаторы позволяют: изменять амплитуду и фазу напряжений (токов); согласовывать сопротивления источника сигнала и нагрузки; разделять цепи по постоянному току; изменять форму переменного напряжения (тока).
Различают трансформаторы питания электронной аппаратуры и сигнальные трансформаторы.
Трансформаторы питания электронной аппаратуры – это
8
трансформаторы малой мощности, предназначенные для преобразования напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания электронных устройств.
Сигнальные трансформаторы – это трансформаторы малой мощности, предназначенные для точной передачи, преобразования, а иногда и запоминания электрических сигналов. Их подразделяют на входные (обеспечивающие согласование входных сопротивлений электронных узлов и источников сигнала), выходные (обеспечивающие согласование выходных сопротивлений электронных устройств с сопротивлениями нагрузок) и импульсные (обеспечивающие преобразование и формирование импульсных сигналов).
Коэффициент передачи трансформатора изменяется в зависимости от частоты входного сигнала. Рассмотрим это на примере эквивалентной схемы трансформатора и ее изменении в области низких, средних и высоких частот рис. 1.2.
Рис. 1.2. Эквивалентные схемы:
а – трансформатора; б – приведенного трансформатора; в – для областей низких частот; г – средних; д – высоких частот;
R1 , R2 – активные сопротивления провода обмоток;
Ls1, Ls2 – индуктивности рассеяния обмоток; M – взаимоиндуктивность; Rпот – сопротивление, отражающее наличие потерь в магнитопроводе;
C 
– приведенная собственная емкость трансформатора
Частотные искажения сигнала наблюдаются как в области низких, так и в области высоких частот. В области низких частот они обусловлены малым значением сопротивления взаимоиндуктивности
9
M (рис. 1.2, а), в результате чего определенная часть электрического тока, созданного входным сигналом, проходит через нее. В области высоких частот частотные искажения обусловлены наличием у обмоток индуктивностей рассеивания Ls , электромагнитными
потерями в магнитопроводе Rпот а также наличием у обмоток и
между обмотками паразитных емкостей С . Учесть емкости достаточно сложно из-за того, что они имеют распределенный характер и существенно меняются в зависимости от технологии изготовления обмоток. Но с их наличием приходится считаться. На эквивалентной схеме приведенного трансформатора для области высоких частот (рис. 1.2, д) часто вводят приведенную собственную емкость С
(иногда емкость подключают параллельно взаимоиндуктивности или подключают к входным и выходным зажимам).
Для упрощения часто используют эквивалентные схемы трансформатора для областей низких (рис. 1.2, в), средних (рис. 1.2, г), высоких (рис. 1.2, д) частот и приведенную к первичной обмотке эквивалентную схему (рис. 1.2, б).
Нелинейные искажения обусловлены тем, что взаимоиндуктивность M и сопротивление потерь Rпот зависят от значения магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора: M 
f B , Rпот 
f B . В результате этого соотношение между
сопротивлениями эквивалентной схемы меняется в зависимости от уровня входного сигнала, а соответственно и изменяется коэффициент трансформации трансформатора. Это приводит к искажениям формы выходного сигнала, которые называются
нелинейными искажениями.
Поэтому рабочую частоту выбирают в той полосе частот, где коэффициент трансформации имеет стабильное значение.
ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА В преобразуют переменное напряжение любой формы в однополярное пульсирующее напряжение состоящее из двух составляющих – постоянной и переменной. В состав выпрямительных устройств входят один или несколько нелинейных элементов, соединенных по одной из известных схем выпрямления электрического сигнала.
Выпрямительными называются устройства, предназначенные преобразования переменного тока в постоянный ток с