4. Последовательность выполнения работы и обработка экспериментальных данных

Теоретическая часть

Выполняется при подготовке к работе

4.1. Изучить теорию генератора с внешним возбуждением на транзисторе по схеме с общим эмиттером (с. 3-34 данных методических указаний или по литературе [4, с.36-86].

37

4.2. Ознакомиться со схемой лабораторной установки (рис.20) органами управления, способами измерения токов и напряжений.

4.3. По формулам, приведенным на с. 31-32 данных методических указаний, рассчитать коллекторную цепь генератора в критическом режиме на заданную мощность Р₁ = 1 Вт при напряжении Е_к = 20 В и угле отсечки θ=90°, приняв эквивалентное сопротивление ненагруженного колебательного контура R_э0 = 2 кОм. Оценить возможность реализации рассчитанного режима по всем предельно допустимым величинам транзистора. При расчетах параметры транзистора П302 и коэффициенты разложения косинусоидального импульса берутся из прил. А и Б к данным методическим указаниям.

Выполняется при составлении отчета

4.4. По формулам, приведенным на с. 22 данных методических указаний (расчет входной цепи), рассчитать амплитуду тока базы I_б, максимальное напряжение на закрытом эмиттерном переходе U_{б.э max}, постоянную составляющую тока базы I_б0 и напряжение смещения E_б, необходимые для обеспечения заданной величины постоянной составляющей коллекторного тока I_к0 при угле отсечки θ = 90°. Расчет I_б выполнить на частотах 1,2,4, 8,20,50 и 100 кГц (что соответствует диапазону частот от  0,005 f_т, до 0,5 f_т ) при I_к0 = 20мА, Е'= - 0,4 В; R_д = 1 кОм.

При расчетах воспользоваться данными из прил. 1 и 2, а также результатами измерений параметров h_21э0 и f_т транзистора.

Экспериментальная часть¹⁾

4.5. Провести подготовку источника возбуждения – генератора Г3-109

к выполнению работы. Для этого регулятор уровня выходного сигнала установить в крайнее левое положение, переключатель "Выходное сопротивление" - в положение "600 Ом". Установить частоту 50 кГц.

Включить универсальный стенд и измерительные приборы.

4.6. Произвести измерение значений параметров h_21э0 и f_т экземпляра транзистора, установленного в данном лабораторном макете.

П ереключатель S1 установить в положение 1, S3 - в положение 1, установить Е_к = 15B. Изменяя регулятором "Е_б" напряжение смещения,

1) Конкретные пункты заданий экспериментальной части выполняются в соответствии с указаниями преподавателя или лаборанта.

38

открыть транзистор, установив I_к0 ~20 мА. Измерить постоянную составляющую тока базы I_б0 . Определить статический коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ по формуле

h_21э0= I_к0 /I_б0.

Регулируя уровень выходного напряжения генератора Г3-109, установить достаточно малую амплитуду тока базы I_б так, чтобы транзистор работал в режиме "класса А" (без отсечки тока). Формы токов i_к(ωt) и i_б(ωt) наблюдать на экране двухлучевого осциллографа. Определить модуль коэффициента усиления тока транзистора на частоте f =50 кГц по формуле

│h_21э│= I_к / I_б ,

где I_к и I_б - амплитуды токов коллектора и базы. Значения I_к и I_б удобно измерять с помощью двухлучевого осциллографа, подключив его входы к резисторам R_изм2 и R_изм3 на лабораторном макете. Поскольку эти резисторы имеют одинаковую величину, отношение I_к / I_б можно найти, отсчитав значения амплитуд токов по масштабной сетке на экране осциллографа при условии, что в обоих его каналах установлены одинаковые коэффициенты усиления. Граничную частоту транзистора в схеме с ОЭ определить по формуле

f_т=│h_21э│∙f_изм,

где f_изм =50кГц.

4.7. Исследовать входную цепь генератора при работе транзистора в диапазоне частот при короткозамкнутой нагрузке (R_н = 0) и неизменном значении постоянной составляющей коллекторного тока. Изучить формы импульсов тока i_к(ωt), i_б(ωt) и напряжения е_б(ωt) и установить их соответствие теоретическим.

Регулятор выходного напряжения генератора ГЗ-109 вывести в крайнее левое положение. Регулятором "Е_б " установить внешнее смещение на базу

приблизительно 0,4В так, чтобы при дальнейшем его увеличении начинали протекать токи I_к0 и I_б0. Регулируя уровень выходного напряжения генератора Г3-109, получить значение тока I_к0 =20 мА. Наблюдая осциллограмму тока i_к(ωt) , убедиться, что транзистор работает в режиме с отсечкой тока.

Нa частоте f = 50 кГц измерить значения токов I_б.эф, I_б0, напряжения смещения Е_б, угла отсечки θ и сравнить их с расчетными. Затем, устанавливая значения частоты f = 1,2,4,8,20 и 100 кГц и поддерживая постоянным I_к0 = 20 мА, снять зависимость I_{б эф} от f. Экспериментальную и расчетную зависимости I_б(f) построить на одном графике.

39

Ток I_б.эф рассчитывается по напряжению, измеренному на левой клемме _„i_б^”, учитывая, что R_изм = R_изм1 + R_изм2 =10 Ом. Угол отсечки коллекторного тока θ определяется по осциллограмме i_к(ωt) как половина части периода, в пределах которого протекает ток.

На трех частотах 1, 8 и 100 кГц, соответствующих ~ 0,1 f_т / h_21э0 , ~ f_т / h_21э0 и ~ 0,5f_т, зарисовать осциллограммы i_б(ωt) , i_к(ωt), e_б(ωt) . При снятии осциллограмм, используя возможности двухлучевого осциллографа С1-69, зарисовать осциллограммы токов и напряжений с учетом их фазовых соотношений. Измерить фазовый сдвиг между максимальными значениями токов i_б(ωt) и i_к(ωt). Отметим, что при одновременном наблюдении двухлучевым осциллографом осциллограмм тока и напряжения правильные фазовые соотношения между ними получатся, если подавать соответствующие сигналы на инвертированные входы осциллографа.

4.8. Изучить формы импульсов i_к(ωt) и e_к(ωt) в генераторе с резистивной нагрузкой в недонапряженном, критическом, перенапряженном и ключевом режимах.

Вывести регулятор выходного напряжения генератора Г3-109 в крайнее левое положение, установить частоту 20 кГц. Перевести переключатель S3 в положение 4, S1 - в положение 3. Установить сопротивление нагрузки R_н = 250 Ом.

Увеличивая амплитуду возбуждения, получить импульсы i_к(ωt) и е_к(ωt), как на рис.18. Зарисовать осциллограммы в четырех указанных режимах с учетом фазовых соотношений.

4.9. Изучить формы импульсов i_к(ωt) и е_к(ωt) при нагрузке в виде резонансного LС-контура, настроенного на частоту ~ 50 кГц в недонапряженном, критическом, слабо и сильно перенапряженном режимах. Для этого перевести переключатель S3 в положение 2, S1 – в положение 2, установить сопротивление нагрузки R_н= 350 Ом, увеличить Е_к до 20 В. На генераторе Г3-109 установить частоту 50 кГц. Увеличивая амплитуду возбуждения и регулируя частоту в пределах ± 5 кГц , добиться того, чтобы в осциллограмме импульса i_к(ωt) в слегка перенапряженном режиме появился небольшой симметричный "провал". При этом можно считать, что LС -контур настроен в резонанс на частоту возбуждения.

40

Изменяя амплитуду возбуждения, добиться недонапряженного, критического, слабо и сильно перенапряженного режимов. Признаком соответствующего режима может являться отсутствие или появление впадины (провала) в импульсе тока i_к(ωt) и уплощения в форме напряжения на коллекторе е_к(ωt). Зарисовать осциллограммы i_к(ωt) и е_к(ωt) для этих режимов с учетом фазовых соотношений.

4.10. Измерить экспериментально энергетические характеристики генератора и сопоставить с расчетными, полученными в п.5.3 задания.

Переключателем S5 установить R_н ≈ R_{н расч}. Установить такую амплитуду возбуждения, чтобы был критический режим при Е_к = 20 В. Настройку на критический режим можно осуществлять по форме импульса тока i_к(ωt), когда дальнейшее увеличение амплитуды возбуждения ведет к появлению симметричного провала. Измерить и сопоставить с расчетными значения I_к0, U_к, P₀, P₁, η и угла отсечки θ. При определении P₁ =I_к1U_к /2 первую гармонику коллекторного тока рассчитать по формуле I_к1 =[α₁(θ) /α₀(θ)]I_к0. Рассчитать мощность в нагрузке P_н=U²_н.эф /R_н, определить КПД цепи согласования η_ц.с. = P_н / P₁ и КПД генератора η_г = η η_ц.с.

4.11. Исследовать нагрузочные характеристики генератора, т.е. зависимости I_к0, U_н , P₀, P_н и η_г = P_н / P₀ от изменения сопротивления R_н при фиксированных значениях напряжения Е_к = 20 В, амплитуде возбуждения U_г и внешнем смещении Е_б.

При исследовании нагрузочных характеристик исходным является критический режим при R_н =R_н.расч, рассмотренный выше. Изменяя R_н от R_н.расч сначала вниз до 50 Ом, а затем вверх до 1000 Ом, произвести измерение I_к0 и U_н.эф. При снятии характеристик одновременно наблюдать осциллограммы i_к(ωt) и e_к(ωt) с тем, чтобы затем на графиках указать области, соответствующие различным режимам по напряженности.

На основании полученных экспериментальных данных построить графики зависимости I_к0, U_н, P₀ , P_н и η_г от R_н .

4.12. Установить регулятор уровня возбуждения генератора Г3-109 в крайне левое положение. Выключить питание стенда и всех измерительных приборов.