- •Сборник методических указаний к лабораторным работам
- •Содержание
- •Введение
- •Лабораторная работа №1. Изучение стенда
- •1. Назначение и состав стенда
- •1.1. Компоновка оборудования
- •1.2. Блок генераторов напряжений
- •1.3. Наборная панель
- •1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам электроники
- •1.5. Набор трансформаторов
- •1.6. Блок мультиметров
- •1.7. Ваттметр
- •1.8. Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №2. Изучение электронных измерительных приборов
- •Лабораторная работа №3. Исследование работы полупроводниковых диодов и стабилитронов
- •Лабораторная работа №4. Нелинейные преобразователи электрических сигналов. Исследование последовательных диодных ограничителей.
- •Лабораторная работа №5. Нелинейные преобразователи электрических сигналов.Иисследование параллельных диодных ограничителей.
- •Лабораторная работа №6. Исследование параметрического стабилизатора напряжения
- •Лабораторная работа №7. Исследование однофазного однополупериодного выпрямителя
- •Лабораторная работа №8. Исследование однофазного
- •Лабораторная работа №9. Исследование неуправляемого выпрямителя трехфазного тока
- •Лабораторная работа №10. Исследование работы биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (оэ)
- •Лабораторная работа №11. Выпрямительные диоды. Эффект p-n перехода в диодах
- •1.1.1. Общие сведения
- •1.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №12. Полупроводниковый однополупериодный выпрямитель
- •1.2.1. Общие сведения
- •1.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №13. Полупроводниковый мостовой выпрямитель
- •1.3.1. Общие сведения
- •1.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №14. Неуправляемый выпрямитель трехфазного тока
- •1.4.1. Общие сведения
- •1.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №15. Стабилитроны (диоды Зенера). Характеристики стабилитрона
- •2.1.1. Общие сведения
- •2.1.1. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №16. Исследование параметрического стабилизатора напряжения
- •2.2.1. Общие сведения
- •2.2.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: При каких условиях выходное напряжение параметрического стабилизаора остается постоянным?
- •Вопрос 2: Когда возникает ток стабилизации iст ?
- •Лабораторная работа №17. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения
- •2.3.1. Общие сведения
- •2.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №18. Диоды с особыми свойствами. Светодиоды
- •3.1.1. Общие сведения
- •3.1.2. Экспериментальная часть
- •Вопрос 1: Какой минимальный ток необходим светодиоду для слабого светоизлучения?
- •Вопрос 2: Как ведет себя светоизлучение при изменении полярности прикладываемого напряжения?
- •Вопрос 3: Напряжение питания светодиода 5 в. Какой добавочный резистор необходим при токе 15 мА? лабораторная работа №19. Диоды с переменной емкостью (варикапы)
- •3.2.1. Общие сведения
- •3.2.2. Экспериментальная часть
- •Вопрос 1: Какова величина порогового напряжения варикапа?
- •4.1.1. Общие сведения
- •4.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Каковы общие свойства обоих p-n переходов транзисторов двух типов?
- •Вопрос 2: Каковы отличия p-n переходов в двух типах транзисторов? лабораторная работа №21. Распределение тока в транзисторе и управляющий эффект тока базы
- •4.2.1. Общие сведения
- •4.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №22. Характеристики транзистора
- •4.3.1. Общие сведения
- •4.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения экспериментов
- •Лабораторная работа №24. Установка рабочей точки транзистора и исследование влияния резистора в цепи коллектора на коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общим эмиттером
- •4.4.1. Общие сведения
- •4.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на коэффициент усиления?
- •Вопрос 2: Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на форму выходного напряжения? лабораторная работа №25. Усилители на биполярных транзисторах
- •4.5.1. Общие сведения
- •4.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?
- •Вопрос 2: в каких задачах свойства усилителя с общим коллектором имеют особое применение?
- •Вопрос 3: в каких отношениях усилитель с общей базой отличается от усилителя с общим эмиттером? лабораторная работа №26. Регулятор напряжения (линейный)
- •4.6.1. Общие сведения
- •4.6.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой элемент цепи (рис. 4.6.1) можно использовать для задания максимального выходного напряжения?
- •Вопрос 2: Из каких компонентов состоит линейный регулятор напряжения? лабораторная работа №27. Регулятор тока
- •4.7. Общие сведения
- •4.7.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №28. Униполярные (полевые) транзисторы. Испытание слоев и выпрямительного действия униполярных транзисторов
- •5.1.1. Общие сведения
- •5.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Когда p-n переходы полевого транзистора с каналом n-типа заперты?
- •Вопрос 2: Когда p-n переходы полевого транзистора с каналом p-типа заперты? Характеристика включения затвора полевого транзистора
- •5.2.1. Общие сведения
- •5.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Лабораторная работа №29. Управляющий эффект затвора полевого транзистора n-типа
- •5.3.1. Общие сведения
- •5.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Каков наклон характеристики s полевого транзистора, когда изменение напряжения затвор ¤ исток составляет 1,5 в, а соответствующее изменение тока стока равно 4,5 мА?
- •Вопрос 2: Когда полевой транзистор управляется без потерь мощности? лабораторная работа №30. Выходные характеристики полевого транзистора
- •5.4.1. Общие сведения
- •5.4.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как ведет себя коэффициент усиления n при увеличении сопротивления нагрузки rн? лабораторная работа №31. Усилители на полевых транзисторах
- •5.5.1. Общие сведения
- •5.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?
- •Вопрос 2: Почему усилитель с общим стоком не имеет такой же значимости, что и усилитель с общим коллектором на биполярном транзисторе?
- •Вопрос 3: в каких отношениях усилитель с общим затвором отличается от усилителя с общим истоком? лабораторная работа №32. Тиристоры. Диодный тиристор (симистор)
- •6.1.1. Общие сведения
- •6.1.2. Экспериментальная часть Задание 1
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Задание 2
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова величина напряжения отпирания симистора (по рис. 6.1.5)?
- •Вопрос 2: Каковы величины дифференциального сопротивления симистора в запертом состоянии и отпертом состояниях при токе 2…3 мА?
- •Вопрос 3: Какие причины «заставляют» симистор вернуться к запертому состоянию?
- •Лабораторная работа №33. Триодный тиристор
- •6.2.1. Общие сведения
- •6.2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Запирается ли отпертый тиристор, когда отключается напряжение цепи управляющий электрод ¤ катод?
- •Вопрос 5: Какие свойства проявляет тиристор, работая при измененной на противоположную полярности напряжений? лабораторная работа №34. Фазовое управление тиристора
- •6.3.1. Общие сведения
- •Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как изменяется ток нагрузки при увеличении угла отпирания тиристора? лабораторная работа №35. Операционные усилители. Инвертирующий усилитель
- •8.1.1. Общие сведения
- •8.1.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова полярность входного напряжения uвх инвертирующего усилителя по сравнению с выходным напряжением uвых?
- •Вопрос 2: Какие компоненты определяют коэффициент усиления инвертирующего усилителя?
- •Вопрос 4: Какое утверждение можно сделать относительно характеристики на рис. 8.1.4? лабораторная работа №36. Неинвертирующий усилитель
- •8.2.1. Общие сведения
- •8 Рис. 8.2.1. .2.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какие компоненты усилителя определяют величину коэффициента усиления?
- •Вопрос 3: Какова полярность входного напряжения uвх в сравнении с выходным напряжением uвых? лабораторная работа №37. Операционный суммирующий усилитель
- •8.3.1. Общие сведения
- •8.3.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Как изменяется выходное напряжение при увеличении входных сопротивлений rвх1 и rвх2 от 1 кОм до 4,7 кОм и почему?
- •Вопрос 2: Какой тип цепи получается, когда использован только один вход усилителя?
- •Вопрос 3: Каково результирующее выходное напряжение, когда одно входное напряжение положительно, а другое отрицательно? лабораторная работа №38. Операционный дифференциальный усилитель
- •8.4.1. Общие сведения
- •8.4.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Когда получается удовлетворительное значение ослабления синфазного сигнала?
- •Вопрос 2: Какому типу цепи соответствует дифференциальный усилитель?
- •Вопрос 3: Какое значение выходного напряжения имеет место при равных сигналах на входах? лабораторная работа №39. Поведение операционного усилителя в динамике
- •8.5.1. Общие сведения
- •8.5.2. Экспериментальная часть Задание
- •Порядок выполнения эксперимента
- •Вопрос 1: Какова величина фазового сдвига между входным и выходным напряжениями в каждом из четырех усилителей и как зависит она от частоты?
- •Вопрос 2: Как и почему изменяется коэффициент усиления каждого из рассмотренных усилителей при изменении частоты?
Лабораторная работа №4. Нелинейные преобразователи электрических сигналов. Исследование последовательных диодных ограничителей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
Целью работы является изучение методов построения и принципов работы схем последовательных диодных ограничителей. Исследование влияния элементов последовательных диодных ограничителей на форму и параметры выходного сигнала.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Ограничителем называют нелинейный четырехполюсник, выходное напряжение которого остается на постоянном уровне, если входное напряжение выходит за переделы ограничения. Если входное напряжение не выходит за пределы ограничения, то выходное напряжение повторяет форму входного. Диодные ограничители применяют для формирования импульсов из сигналов произвольной формы, в том числе и из синусоидального сигнала.
Диодные ограничители последовательного типа характеризуются тем, что диод включают последовательно с нагрузкой. Простейшим диодным ограничителем последовательного типа является схема однополупериодного выпрямителя. Если входной сигнал является переменным, то в такой схеме на выходе получим полусинусоидальные импульсы. Амплитуда их будет определяться амплитудой входного сигнала, а длительность будет близка к половине периода. Для регулирования амплитуды и длительности выходных импульсов в последовательную цепь включают источник управляющего напряжения (рис. 1). При той полярности, которая указана на рис 1, этот источник препятствует открыванию диода в положительный полупериод входного сигнала. Поскольку Ey препятствует открыванию диода, то открывание его произойдет в момент времени, когда напряжение сигнала положительной полуволны начнет превышать величину управляющего напряжения.
Рис 1. Диодный ограничитель снизу.
Рис 2. Графики напряжений входного источника e и выходного
напряжения Uн при различных значениях источника управляющего
напряжения Ey.
При этом к нагрузке будет приложена разность потенциалов e-Ey. Закрывание диода произойдет, когда e станет меньше Ey. В результате на нагрузке будем иметь импульс меньшей амплитуды и меньшей длительности (рис 2). Чем больше Ey, тем меньше амплитуда и длительность выходного напряжения.
При изменении полярности Ey, источник управляющего напряжения будет способствовать открыванию диода. При нулевом значении e диод будет уже открыт, а момент его открывания будет соответствовать еще отрицательному входному сигналу, превышающему напряжение источника управления. При этом к нагрузке будет приложена сумма напряжений е+ Ey. Закрывание диода произойдет в тот момент, когда е будет более отрицательно, чем Ey. На нагрузке будут импульсы большей амплитуды и длительности. Длительность будет больше полупериода. Чем больше величина отрицательного управляющего напряжения, тем больше амплитуда и длительность.
Таким образом, работа последовательных диодных ограничителей основана на нелинейности вольтамперных характеристик диодов. В открытом состоянии диод подключает нагрузку к источнику входного сигнала, в закрытом - отключает ее. Открытое или закрытое состояния диода определяется отношением амплитуд напряжений входного сигнала Uвх и источника управления Еу. При открытом состоянии диода выходное напряжение определяется коэффициентом перехода kпр, который для схемы одностороннего ограничителя (рис 1) при Еу:
, (1)
где Rн, Rпр, Rс - соответственно сопротивления нагрузки, прямосмещенного диода и источника входного сигнала.
Запишем приведенное соотношение (1) в виде:
, (2)
Учитывая, что Rн>>Rпр и Rн>>Rc, получим kпр 1, что характеризуется наклоном передаточной характеристики диодного ограничителя при открытом диоде под углом 45° (рис 3).
Рис 3. Передаточная характеристика
последовательного диодного ограничителя.
В закрытом состоянии при Ен = 0 коэффициент передачи:
. (3)
Здесь Rобр - обратное сопротивление диода.
При Rобр>> Rн, kогр =0. Уравнения (2) и (3) показывают, что сопротивления нагрузки в последовательных диодных ограничителях должно находиться в пределах:
Rобр>>Rн>>Rпр.
Расчет kпр и kогр с учетом величины Еу принципиально ничем не отличаются и выполняются обычными методами теории электрических цепей.
Рассмотренный последовательный ограничитель производит ограничение снизу. При изменении полярности включения полупроводникового диода можно получить ограничитель, производящий ограничение сверху. При последовательном соединении двух ограничителей: "снизу” и “сверху”, получим двухсторонний ограничитель (рис 4).
a) б)
Рис 3. Диодные ограничители: а) ограничение сверху; б) двухстороннее ограничение.
Разновидностью последовательных диодных ограничителей являются схемы, в которых выходное напряжение снимается с последовательного соединения сопротивления нагрузки Rн и источника постоянного смещения Еу. Иногда выходным напряжением требуется напряжение на полупроводниковом диоде VD или на последовательно соединенных полупроводниковом диоде VD и сопротивлении нагрузки Rн. Включение стабилитрона вместо диода приводит к двухстороннему ограничению с разными уровнями для положительных и отрицательных входных сигналов.
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ.
1. Начертите схемы для исследования последовательных ограничителей сверху и снизу при использовании стабилитрона.
2. Рассчитать коэффициенты передачи этих схем с учетом источника управляющего напряжения Еу.
3. Построить передаточные характеристики диодных ограничителей.
4. Построить графики входного и выходного напряжений для трех значений управляющего напряжения Еу<0, Еу=0, Еу>0. Определить моменты времени включения и отключения диода (стабилитрона).
ПРОГРАММА РАБОТЫ.
1. Собрать электрическую цепь последовательного диодного ограничителя снизу.
Указание. Элементы диодного ограничителя взять из панели нелинейных элементов лабораторного универсального стенда. Источником входного сигнала служит генератор, расположенный на стенде, источником постоянного напряжения управления является регулируемый стабилизатор, расположенный на плате источников питания.
2. Снять осциллограммы входного напряжения, напряжения на диоде и выходных импульсов на сопротивлении нагрузки при различных напряжениях управляющего сигнала Еу=0, Еу<0, Еу>0.
Указание. Частоту звукового генератора установить в диапазоне (1-10) кГц, амплитуду - (1020) В. Масштаб напряжений mU при данном (фиксированном) усилении по оси у осциллографа определить по выбранному и измеренному при помощи вольтметра напряжению источника Еу. Масштаб времени mt по оси x осциллографа определить по частоте звукового генератора.
3. Определить по осциллограммам моменты времени включения и отключения диода (стабилитрона) и сравнить их с расчетными.
4. Повторить пункты 2 и 3, если входной сигнал снимается с последовательно соединенных сопротивлений нагрузки и источника Еу.
5. Повторить пункты 1-4 для последовательного диодного ограничителя сверху.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Отчет должен содержать цель работы, схемы экспериментов, расчет коэффициентов передачи и моменты времени включения и отключения диодов, осциллограммы, выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
Для чего предназначены последовательные диодные ограничители?
Перечислите виды диодных ограничителей последовательного типа.
Что такое коэффициент диодного ограничителя и как он определяется?
Как определить моменты времени включения и отключения диодного ограничителя?
Расскажите принцип работы двухстороннего диодного ограничителя.
Определите форму выходного напряжения двухстороннего ограничителя при постоянных управляющих напряжениях, равных нулю.
Начертите передаточную характеристику двухстороннего диодного ограничителя.
Как определить напряжения ограничения для двухстороннего ограничителя? [1, пар. 6.7; 2, пар. 9.1; 3, пар. 3.4]
Какова форма выходного напряжения в последовательном диодном ограничителе, содержащем последовательно и встречно соединенные диод и стабилитрон?
Начертите схему фиксатора уровня.