Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова»

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Учебно-методический комплекс по дисциплине

Лабораторный практикум

Абакан

2010

УДК 621.37

ББК 32

Р154

Печатается по рекомендации Методического совета

и по решению Редакционно-издательского совета

ГОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова»

Рецензенты: Л. А. Авдеев, кф-мн, доцент кафедры информационных технологий и систем Хакасского государственного университета.

В. В. Тимченко, кпедн, доцент кафедры МиЕД Хакасского технического института – филиала Сибирского федерального университета.

Р154 Радиоэлектроника: учебно-методический комплекс по дисциплине: лабораторный практикум / сост. Л. М. Кушнир. – Абакан: Изд-во ГОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова», 2010. –72 с.

Пособие является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Радиотехника» для студентов специальностей 050203 – «Физика» и 050502 – «Технология и предпринимательство». Содержит описание 9 лабораторных работ практикума. Пособие составлено в соответствии с требованиями, предъявляемыми ГОС ВПО к обязательному минимуму содержания этой дисциплины по соответствующим образовательным программам. Пособие может быть полезным также и студентам других специальностей, изучающим радиоэлектронику.

УДК 621.37

ББК 32

© ГОУ ВПО «Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова», 2010. © Кушнир Л. М., составление, 2010.

Предисловие

Лабораторный практикум по радиоэлектронике предназначен для проведения лабораторных занятий по дисциплине «Радиотехника» со студентами специальностей 050203 – «Физика», 050502 – «Технология и предпринимательство» и составлен в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования для указанных специальностей. Практикум содержит описания девяти лабораторных работ.

Каждой лабораторной работе предшествуют пояснения, содержащие основные сведения по теории исследуемой схемы или устройства. Усвоение материала пояснений и соответствующих разделов учебников должно происходить при подготовке к работе.

Методические указания по выполнению каждой работы включают: цель работы, перечень используемых приборов и оборудования, ход работы, контрольные вопросы, содержание отчета, а также, в необходимых случаях, содержат рекомендации по выполнению сложных измерений и обработке полученных результатов.

Оборудование для выполнения каждой лабораторной работы должно быть полностью укомплектованным и автономным.

Лабораторные установки позволяют также выполнять работы по специально составленным программам, содержащим проблемные ситуации, разрешение которых возможно только экспериментальным путем.

Одна из лабораторных работ посвящена исследованию характеристик и параметров электронных ламп, которые в настоящее время практически полностью вытеснены из использования в электронных устройствах. Присутствие в лабораторном практикуме подобной работы обусловлено тем, что, во-первых, электронные лампы и поныне находят применение в высококачественных усилителях звуковой частоты и, во-вторых, их принцип действия основан на таких физических явлениях, как термоэлектронная эмиссия и протекание электрического тока в вакууме. Дополнительное изучение этих явлений еще и в лаборатории радиоэлектроники принесет несомненную пользу студенту-физику.

Методические указания к лабораторному практикуму могут быть также полезны студентам специальностей: 280201 – «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»; 230201 – «Информационные системы и технологии»; 230105 – «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»; направления 230100 – «Информатика и вычислительная техника» при изучении дисциплины «Электротехника и электроника».

Лабораторная работа 1 Исследование выпрямительных схем и сглаживающих фильтров

Цели работы:

1. Исследование двухполупериодного выпрямителя.

2. Исследование мостовой схемы полупроводникового выпрямителя.

3. Изучение сглаживающих фильтров LC- и RC-типов.

Оборудование:

1. Лабораторный макет.

2. Осциллограф CI-65А.

3. Цифровой вольтметр В7-16А.

Рекомендательный библиографический список: [1], Гл.3: §§ 3.1, 3.2; Гл.16: §§ 16.1, 16.2; [2], Гл.13: §§ 13.1, 13.2, 13.4,-13.5; Гл.10: §§ 10.3, 10.9.

Выпрямителем называется устройство, преобразующее напряжение промышленной частоты в постоянное напряжение. Основными узлами выпрямителя являются: трансформатор, электрический вентиль и сглаживающий фильтр. Трансформатор служит для преобразования стандартного напряжения сети в переменное напряжение такой величины, которая соответствует заданному выпрямленному напряжению. С помощью вентилей происходит преобразование переменного напряжения в постоянное пульсирующее напряжение. Сглаживающие фильтры служат для уменьшения амплитуды переменной составляющей выходного напряжения выпрямителя – для сглаживания пульсаций. Выпрямитель характеризуется такими основными параметрами, как постоянная составляющая (среднее значение) выпрямленного напряжения U₀ или тока I₀ и коэффициент пульсаций К_п. Кроме того, важными показателями, характеризующими работу выпрямителя, являются его выходное сопротивление и нагрузочная характеристика – зависимость постоянной составляющей выходного напряжения от постоянной составляющей тока нагрузки U₀=f(I₀). Коэффициентом пульсаций К_п называется отношение амплитуды максимальной переменной составляющей выходного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения К_п= U_m/U₀. Чем меньше К_п, тем ближе форма кривой выпрямленного напряжения к прямой линии.

Простейшей схемой выпрямителя является однополупериодная схема (рис. 1.1). В этой схеме вентиль открыт в течение половины периода, когда на его аноде имеется положительный относительно катода потенциал. В течение другой половины периода вентиль закрыт и напряжение на выходе выпрямителя равно нулю. В качестве вентилей могут использоваться либо полупроводниковые, либо вакуумные диоды.

Недостатком однополупериодных выпрямителей является высокий коэффициент пульсации К_п=1,57, ограничивающий их применение. Они используются, как правило, лишь в маломощных выпрямителях (ток нагрузки до 10 мА).

Более распространена двухполупериодная схема. Для такой схемы (рис.1.2) необхо­дим силовой трансформатор, имеющий вывод от средней точки вторичной обмотки. Вторичная обмотка трансформа­тора выполнена так, чтобы на ее крайних точках были одинако­вые, но противофазные относи­тельно средней точки напряже­ния. В этой схеме диоды поочередно в течение своего полупериода проводят ток в общую нагрузку.

Двухполупериодная схема имеет преимущества по сравнению с однополупериодной. Во-первых, ток проходит через вторичную обмотку трансформатора в течение каждого полупериода в разных направлениях.

Во-вторых, частота пульсаций вдвое больше и равна 100 Гц, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряже­ние на ней дважды достига­ют максимума. В-третьих, его выходное сопротивле­ние вдвое меньше. В-четвертых, коэффициент пульсаций К_п меньше и равен 0,67.

Широкое распространение получила мостовая схема выпрямителя (рис.1.3), которая дает точно такой же результат, как и двухполупериодная, но имеет более простой трансформатор с одной вторичной обмоткой. В ней к одной диагонали моста подводится переменное напряжение, а с другой – снимается выпрямленное.

Достоинство мостовой схемы по сравнению с двухполупериодной состоит в том, что диоды могут быть рассчитаны на вдвое меньшее обратное напряжение, так как оно равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Однако в цепи прямого тока в любой момент последовательно включены два диода, что снижает экономичность схемы из-за падения напряжения, на них при протекании прямого тока. В тех случаях, когда выпрямленное напряжение соизмеримо с прямым падением напряжения, применяют двухполупериодную схему.

В мостовой схеме частота пульсаций также равна удвоенной частоте сети, а коэффициент пульсаций, как и у двухполупериодного выпрямителя, равен 0,67.

В большинстве случаев для питания электронной аппаратуры допускаются весьма малые (порядка десятых долей процента) пульсации выпрямленного напряжения. В то же время на выходе выпрямительных схем пульсации во много раз превышают допустимую. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Основными требованиями к сглаживающему фильтру являются максимальное уменьшение переменной составляющей и минимальное уменьшение постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Элементами сглаживающего фильтра являются: дроссель Др или резистор R, включаемые последовательно в выходную цепь выпрямителя, и один-два конденсатора С, включаемые параллельно сопротивлению нагрузки (LC- и RC-фильтры). Обычно в качестве конденсатора используются оксидные конденсаторы, обладающие большой емкостью при малых размерах (десятки, сотни мкФ).

Особенностью LC-фильтров являются небольшие потери, позволяющие применять их в установках с относительно большим током нагрузки. В маломощных выпрямителях (ток до 10-15 мА) можно применять RC-фильтры. Их недостатком является низкий кпд. Обычно на резисторе теряется до 10% выпрямленного напряжения, что допустимо только в маломощных источниках питания. В зависимости от способа соединения входящих в фильтр элементов фильтры подразделяются на Г-образные: одно- и двухзвенные, П-образные и Т-образные (рис.1.4).

Важной характеристикой фильтров является коэффициент сглаживания q = К_п1/К_п2, где: К_п1 – коэффициент пульсаций на входе фильтра, К_п2 – коэффициент пульсаций на выходе фильтра.