Оборудование для проведения лабораторных работ

Инструкция по охране труда

Обучающиеся допускаются к выполнению лабораторных занятий после проведения преподавателем инструктажа по охране труда.

Так как все выполняемые лабораторные занятия проводятся в компьютерном классе с помощью электронных программ, то и требования охраны труда соответствуют правилам поведения в компьютерном классе.

Соблюдать правила охраны труда в компьютерном классе при проведении занятий.

   

 

 

Оборудование для проведения лабораторных работ

 

Персональный компьютер с операционной системой Windows.

Онлайн сервис «Falstad» - Circuit Simulator, для работы с ним на персональном компьютере должен быть доступ к данному сервису через интернет. Circuit Simulator - это симулятор электронных схем. Программа позволяет визуализировать электрические явления в электронных цепях, давая ощущение игры с реальными компонентами. Программа предлагается к использованию в исключительно образовательных целях для изучения работы электрических цепей и их элементов. Не рекомендуется использовать программу для моделирования реальных схем, так как в программе идеализированы многие компоненты.

Лицензия: GNU General Public License version 2
Платформы: Windows (x32, x64), Linux (x32, x64) и MacOS (x64)

 

Лабораторное занятие №1

Ход работы

4.1. Собрать схему, изображенную на рисунке 1.3 в программе Circuit Simulator. R=1К.

 

R

A

VD

V

+

 

Рис. 1.3 Схема для измерения ВАХ выпрямительного диода.

 

Для набора схемы в программе необходимо выполнить следующую операцию. После старта программы, в меню выбираем пункт Пустая схема. После чего производим набор заданной схемы.

 

Рис. 1.4. Меню программы симулятора

 

Рис. 1.5. Вид лабораторной схемы в программе симулятор.

 

4.2.  В свойстве диода выбираем тип 1N4004. Напряжение меняем в свойстве источника питания. Значения соответствуют таблице. После каждого изменения нажимаем кнопку Start и записываем показания измерительных приборов.

4.3. Рассчитать дифференциальное сопротивление диода. Результаты занести в таблицу 1.

 

Входное напряжение, UВХ, В	Падение напряжения на диоде, UVD, В	Падение напряжения на нагрузке, UR, В	Сила тока в цепи, I, А	Дифференциальное сопротивление диода, RД, Ом
-2
-1
0	0	0	0	0
1
1,5
2
3
4
5
8
10

 

4.4. По данным таблицы 1 построить вольтамперную характеристику диода.

5 Сделать выводы.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему измерения ВАХ.

3. Таблицу экспериментальных и расчетных данных.

4. График вольтамперной характеристики, полученной в результате эксперимента.

5. Выводы по результатам расчета и эксперимента

 

Лабораторное занятие №2

Исследование стабилитронов

 

Цель работы: Построение обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона и определение напряжения стабилизации.

 

1. Оборудование:

1.1. Персональный компьютер компьютерного класса АТМ                        

1.2  Программа онлайн - Circuit Simulator  

 

2. Требование при выполнении данной лабораторной работы:

2.1. Собрать схему в программе симулятор Circuit Simulator согласно рисунка 1.3 (https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html)

2.2. Преподаватель указывает на выполняемые операции (какие измерения будут производиться).

2.3. После фиксации измерения необходимо заполнить таблицу 1.

 

3. Теоретический материал:

Iст.мин

Iст.норм

Iст.макс

Iстаб

Uобр

Uст.макс

Uст.норм

Uст.мин

∆Uст

∆Iст

Стабилитроном называют кремниевый полупроводниковый диод, ВАХ которого имеет участки малой зависимости напряжения от тока (рис. 2.1).

 

Рисунок 2.1.  Вольтамперная характеристика стабилитрона

На обратной ветви таким участком является участок D-F. При значительных изменениях напряжения U_обр напряжение на стабилитроне изменяется незначительно от Uст.мин до Uст.макс. При этом обратный ток через стабилитрон изменяется от Iст.мин до Iст.макс. На участке D-F стабилитрон работает в режиме неразрушающего электрического пробоя; при этом электрический пробой в тепловой не переходит. Он наступает на участке F-H.

Основными параметрами стабилитронов являются: Uст.ном ‑ номинальное напряжение стабилизации, соответствующее номинальному току стабилизации Iст.ном; ∆Uст ‑ разброс напряжения стабилизации – это интервал напряжения стабилизации Uст, в пределах которого оно находится

∆Uст = Uст.макс - Uст.мин    

.

∆Iст ‑ интервал тока стабилизации

∆Iст = Iст.макс - Iст.мин 

 

Где Iст.макс ‑ максимально допустимый ток стабилизации, при превышении которого наступает разрушающий тепловой пробой (точка F на рис. 2.1);

Iст.мин ‑ минимально допустимый ток стабилизации, ниже которого сопротивление стабилитрона Rст резко возрастает и уменьшается Uст (точка D на рис. 2.1);

Rдиф ‑ дифференциальное сопротивление, определяющее стабилизирующие свойства стабилитрона и показывающее, в какой степени Uст зависит от Iст

.

Определение дифференциального сопротивления стабилитрона производится путём построения треугольника в районе точки E с Uст.ном. Чем меньше размеры треугольника DFG (рис.2.1), тем точнее определяется Rдиф. Треугольник, с помощью которого вычисляются нужные параметры на вольтамперных характеристиках, называется характеристическим.

В первом квадранте ВАХ на рис 2.1 приведена прямая ветвь стабилитрона. Видно, что при значительных изменениях прямого напряжения Uпр ‑ прямое напряжение на диоде изменяется незначительно от Uпр.мин до Uпр.мкс, при этом прямой ток через диод изменяется от Iпр.мин до Iпр.макс. Дифференциальное сопротивление диода при прямом включении вычисляется с помощью характеристического треугольника ACI (рис. 2.1)

.

Диоды, обладающие малой зависимостью Uпр от Iпр, применяются для стабилизации малых сопротивлений и называются стабисторами.

Стабилитроны применяются для стабилизации напряжения в широких приделах. Стабилизаторы напряжения на основе стабилитронов называются параметрическими стабилизаторами (рис. 2.2).

Рисунок 2.2.  Схема параметрического стабилизатора напряжения

Основным параметром параметрического стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации Kст, представляющий отношение относительного изменения входного напряжения Uвхк относительному изменению выходного напряжения Uн

.

При подключении стабилитрона к источнику постоянного напряжения через резистор получается простейшая схема параметрического стабилизатора (рис. 2.3). Ток Iст  стабилитрона может быть определен вычислением падения напряжения на резисторе R

І_ст = (Е – U_ст)/R,

где Е ‑ напряжение источника питания.

Напряжение стабилизации Uст стабилитрона определяется точкой на вольтамперной характеристике, в которой ток стабилитрона резко увеличивается. Мощность рассеивания стабилитрона Р_ст вычисляется как произведение тока Iст на напряжение Uст

Pст = Iст * Uст.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона вычисляется так же, как для диода, по наклону вольтамперной характеристики.

 

 

Ход работы

4.1. Собрать схему, изображенную на рисунке 2.3. Марка стабилитрона по умолчанию (диод Зендера), R_огр = 100 Ом, R_нагр=1К.

 

A

VD

V2

+

Rогр

Rнагр

V1

 

 

Рис. 2.3. Схема для измерения ВАХ стабилитрона (параметрический стабилизатор).

Рис. 2.4. Вид схемы в программе Circuit Simulator

 

4.2. По заданным значениям входного напряжения зафиксировать показания измерительных приборов в таблице 1.

4.3. Определить напряжение стабилизации выбранного стабилизатора. Результат занести в таблицу 1

 

Входное напряжение, UВХ, В	Падение напряжения на стаб-не, UVD, В	Сила тока в стабил-е, I, А	Напряжение стабилизации
0	0	0
1
3
5
6
7
8
9
10

 

4.4. По данным таблицы 1 построить вольтамперную характеристику диода.

 

4.5. Сделать выводы.

 

 

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему параметрического стабилизатора.

3. Таблицу экспериментальных и расчетных данных.

4. График вольтамперной характеристики, полученной в результате эксперимента.

5. Выводы по результатам расчета и эксперимента

Лабораторное занятие № 3

Теоретическая часть.

Выпрямители.

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.

Лабораторное занятие № 4

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

6. Цель работы.

7. Принципиальные схемы лабораторной работы.

8. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

9. Графики входных и выходных характеристик, полученные в результате эксперимента.

10. Выводы по результатам эксперимента.

11. Ответы на контрольные вопросы

 

Ответить на контрольные вопросы:

1 Чему равен (или в каких пределах изменяется) коэффициент усиления данной схемы по току?

2 Как зависит положение входной характеристики от напряжения между коллектором и эмиттером?

3 Что нужно изменить в схеме измерения выходных характеристик для исследования p-n-p транзистора?

 

Пример построения ВАХ биполярного транзистора:

 

 

 

Лабораторное занятие № 5

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

1. Цель работы.

2. Принципиальную схему лабораторного задания с указанием параметров электронных компонентов.

3. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

4. Графики амплитудной, частотной и фазовой характеристик, полученные в результате эксперимента.

5. Выводы по результатам эксперимента.

 

Лабораторное занятие № 6

"Исследование параметров инвертирующего и не инвертирующего операционных усилителей"

Цель: построение зависимости выходного напряжения от частоты входного сигнала, амплитудной и фазовой характеристик операционного усилителя в режимах инверсии и прямого усиления. Сравнить эти режимы усиления.

 

1. Оборудование:

1.1. Персональный компьютер компьютерного класса АТМ                        

1.2  Программа онлайн - Circuit Simulator  

 

2. Требование при выполнении данной лабораторной работы:

2.1. Собрать схему в программе симулятор Circuit Simulator согласно рисунка 1.3 (https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html)

2.2. Ознакомиться с требованиями по выполнению данной лабораторной работы, знать теорию подключения операционных усилителей как в режиме инверсии, так и прямого усиления сигнала.

2.3. После фиксации измерения необходимо заполнить таблицу 1. По данным таблицы построить график.

3. Теоретические сведения

Рис. 6.1. Режим инверсии и режим прямого усиления

 

По отношению сопротивлений R3/R1 (R2/R1 +1) определяется теоретический коэффициент усиления операционного усилителя.

Для построения амплитудной и фазовой характеристик необходимо в меню программы выбрать Analisis далее AC Frequency. Нажимаем для продолжения верхнюю правую кнопку Simulate. Откроется окно с графиками как показано на рисунке 6.2

Рис. 6.2. АЧХ и ФЧХ операционного усилителя

 

На верхнем графике АЧХ, на нижнем ФЧХ, по данным графикам можем определить границу появления искажений выходного сигнала операционного усилителя.

 

Практическая часть

4.1  Запускаем на компьютере программу.

4.2  Собираем схему согласно рисунку 2. Инвертирующий усилитель.

Рис. 6.3. Схема инвертирующего усилителя

 

4.3  Параметры элементов:

	Параметр
R1	18 кОм
R3	36 кОм
R4	100 кОм

В параметрах функционального генератора выбрать синусоидальный вид сигнала, установить напряжение амплитудой 1 В и частотой f =1 кГц.

4.4 Сопротивление R2 определяем самостоятельно и вносим параметр в схему.

4.5 Производим теоретический расчёт коэффициента усиления по имеющимся данным.

4.6 Собранную схему включаем. По полученным параметрам вольтметров определяем практический коэффициент усиления. Осциллограмму осциллографа сохраняем в файл.

4.7 Подайте на вход схемы синусоидальное напряжение амплитудой 5 мВ. Затем заполните таблицу1 меняя значение в параметре функционального генератора по первой строке. Делаем расчёты с помощью инженерного калькулятора на компьютере и заполняем таблицу.

 

Таблица 1.

f	1 Гц	100 Гц	1 кГц	100 кГц	200 кГц	400 кГц	600 кГц	1 МГц	2 МГц
Lgf
Uвых
К

 

К = U_вых / U_вх

 

По полученным данным начертить график как показан на рисунке 6.4.

Рис. 6.4. Зависимость выходного напряжения от частоты

 

Данный график можно построить с помощью программы Microsoft Office – Exel. Пример выполнения на рисунке 6.5.

4.8 Определить разность фаз между входным и выходным напряжениями

Δφ=___º

Рис. 6.5. График зависимости выходного напряжения.

 

4.9  Далее строим амплитудную и фазовую характеристики усилителя. Для этого необходимо закрыть окно осциллографа. Полученный результат копируем в файл.

 

5 Собираем схему согласно рисунку 6.6. Схема не инвертирующего усилителя.

 

Рис. 5.6.  Не инвертирующий усилитель.

 

5.1 Повторяем пункты 4.3÷4.9 для данной схемы при условии, что R1=18кОм, R2=36кОм.

 

 

Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

1. Цель работы.

2. Принципиальные схемы лабораторного задания с указанием параметров электронных компонентов.

3. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

4. Графики амплитудной, частотной и фазовой характеристик, полученные в результате эксперимента.

5. Выводы по результатам эксперимента:

- Принцип работы данного ОУ

- В каких диапазонах происходит искажение выходного сигнала

- Сравните работу ОУ в этих режимах.

 

Инструкция по охране труда

Обучающиеся допускаются к выполнению лабораторных занятий после проведения преподавателем инструктажа по охране труда.

Так как все выполняемые лабораторные занятия проводятся в компьютерном классе с помощью электронных программ, то и требования охраны труда соответствуют правилам поведения в компьютерном классе.

Соблюдать правила охраны труда в компьютерном классе при проведении занятий.

   

 

 

Оборудование для проведения лабораторных работ

 

Персональный компьютер с операционной системой Windows.

Онлайн сервис «Falstad» - Circuit Simulator, для работы с ним на персональном компьютере должен быть доступ к данному сервису через интернет. Circuit Simulator - это симулятор электронных схем. Программа позволяет визуализировать электрические явления в электронных цепях, давая ощущение игры с реальными компонентами. Программа предлагается к использованию в исключительно образовательных целях для изучения работы электрических цепей и их элементов. Не рекомендуется использовать программу для моделирования реальных схем, так как в программе идеализированы многие компоненты.

Лицензия: GNU General Public License version 2
Платформы: Windows (x32, x64), Linux (x32, x64) и MacOS (x64)