Вольтметры цифровые универсальные В7-16 и В7-16А.

Предназначены для измерения напряжений постоянного и переменного тока (до 20 Кгц), а также величины активных сопротивлений. В данном лабораторном практикуме вольтметр используется для измерений только постоянных напряжений.

При включении тумблера «Сеть» должны загореться: один из знаков «+», «-» или «~», одна из размерностей «mV», «V», «W», «KW», «MW», несколько ламп цифрового табло.

Подготовка к работе и установка нуля.

а) Вольтметр типа В7-16:

- подключить кабель к разъему «~ 1-100V,R»;

- включить тумблер «сеть»;

- установить тумблер «/,» в положение «»;

- установить ручку «ВР.ИНД.» в крайнее левое положение;

- установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «0»;

- ручкой «0» установить показания прибора «0000»;

- установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «» и ручкой «» установить на табло показание, равное значению, указанному на шильдике прибора;

- установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «U_0.1s» или «U_-1s». Ручкой «0» установить показания «0000».

- Установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в режим измерений постоянного напряжения.

б) Вольтметр типа В7-16А.

- подключить провода (или кабель) к клеммам входа «~ 100V,R»-«земля», соединить свободные концы (закоротить),

- ручкой «0» установить показания прибора «0000»;

- установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в положение «» и ручкой «» установить на табло показание, равное значению, указанному на шильдике прибора;

- Установить переключатель «РОД РАБОТЫ» в режим измерений постоянного напряжения.

По окончании знакомства со стендом бригадой должен быть сдан зачет для получения допуска к дальнейшей работе

 

Работа №1

Исследование свойств полупроводникового
выпрямительного диода

Цель работы – получение статической вольтамперной характеристики полупроводникового выпрямительного диода, изучение влияния величины и типа нагрузки при работе диода в режиме выпрямителя.

 

Краткие теоретические сведения.

Основой полупроводникового диода является электрический р-n -переход.

ВАХ идеального р-n -перехода определяется соотношением:

, (1.1)
где - обратный (тепловой) ток, - температурный потенциал, пропорциональный температуре перехода, при комнатной температуре Величина m зависит от материала перехода. Для германиевых диодов m =1…1,5, для кремниевых m =2…2,5.

Обычно напряжение на реальном диоде на доли вольта больше, чем в идеальном из-за так называемого объемного сопротивления базы r _Б, с учетом которого ВАХ диода можно записать в виде

. (1.2)

В любой точке А нелинейной ВАХ можно найти величину статического сопротивления как , а также производную, которая характеризует дифференциальное сопротивление. Дифференцируя соотношение (1) для некоторой точки А на ВАХ имеем

(1.3)

Здесь I _А – величина постоянного тока в рассматриваемой точке.

Дифференциальное сопротивление описывает модель диода при заданном постоянном напряжении и малом сигнале как

,
где U _А – напряжение в заданной точке ВАХ (смещение). Для выпрямительного диода в режиме большого сигнала используют для всей прямой ветви модель в виде источника напряжения с внутренним сопротивлением , а для обратной ветви в виде источника тока с внутренним сопротивлением (кусочно-линейная модель).

Кусочно-линейная модель диода основана на конечных значениях дифференциальных сопротивлений прямой и обратной ветвей ВАХ диода. На рис.1.1 показано графическое определение параметров кусочно-линейной модели для заданных точек (А₁, А₂) на прямой и обратной ветвях и соответствующие им модели диода. При этом для прямой ветви , а для обратной .

 

	Рис.1.1.

 

Простейшая схема с полупроводниковым диодом приведена на рис.1.2. Здесь е источник ЭДС с внутренним сопротивлением R _е. С помощью этой схемы можно экспериментально ВАХ диода, подключив в качестве е источник постоянной ЭДС Е.

 

Рис.1.2.

 

Изменяя величину и полярность Е при заданной величине резистора, можно измерить напряжение на резисторе, а ток и напряжение на диоде рассчитываются по формулам: .

При исследовании работы диода в простейшей схеме выпрямителя на вход подается гармоническое напряжение , где Е_m – амплитуда. При положительной полуволне этого напряжения диод открыт, на нем и на резисторе возникает положительная полуволна напряжения. При отрицательной полуволне входного напряжения диод закрыт, ток равен нулю, и напряжение на резисторе также равно нулю. Таким образом, на нагрузке напряжение имеет характер усеченных косинусоидальных импульсов, среднее значение которых за период определяет величину выпрямленного напряжения . Для кусочнолинейной модели при соблюдении неравенств

(1.4)

выпрямленная величина напряжения примерно равна .

При подключении параллельно резистору R емкости С в схеме имеют место процессы заряда емкости через открытый диод с малым сопротивлением и ее разряда через резистор R при закрытом диоде. Диод открыт, когда . Если дифференциальное сопротивление диода в открытом состоянии много меньше сопротивления резистора, что в выпрямительных схемах обычно выполняется, время заряда емкости значительно меньше времени ее разряда. На рис.1.3 показаны осциллограммы, соответствующие работе диода в выпрямителе с резистивно-емкостной нагрузкой в установившемся режиме.

Рис.1.3

 

Величина выпрямленного напряжения при выполнении неравенств (1.4) близка к амплитуде входного напряжения и амплитуда пульсаций определяется здесь величинами емкости и резистора R. Чем больше постоянная времени RC, тем меньше амплитуда пульсаций.

Предварительная подготовка.

1. Построить графики ВАХ идеального р-n -перехода на кремниевой основе, приняв Т =293^оК, , I _S=50 мкА, m=2,5, а также ВАХ диода Д20 (см. Приложение 1). Определить сопротивление r _б диода.

2. Определить параметры линейной модели диода для U _пр=1В, U _обр=10В.

3. Выбрать величину сопротивления нагрузки R, подключаемой последовательно с диодом из условия . Построить внешнюю ВАХ схемы I(U_вх).

4. Построить осциллограммы тока через диод и сопротивление R, а также напряжений на них, при подаче гармонического сигнала с амплитудой 5 В и нулевом постоянном смещении. Определить амплитуды импульсов тока и напряжений в схеме рис.1.2 при положительной и отрицательной полярностях сигнала. Определить уровень выпрямленного напряжения.

5. Определить постоянные времени цепей заряда и разряда. Построить примерные осциллограммы тока и напряжений в схеме, если частота гармонического воздействия составляет 500 Гц, а емкость С принимает значения 1, 10 и 50 мкФ.

Задание на эксперимент.

1. Собрать схему рис.1.2. В качестве источника Е подключить источник напряжения (-6…+6) В на блоке источников СЛАУ. В качестве нагрузки подключить резистор R =20 Ом.

2. Изменяя величину положительного напряжения источника Е, измерять напряжения U _вх и U _R и записывать их в таблицу. Заполнить расчетные столбцы таблицы и построить график прямой ветви ВАХ.

 

U вх, В	U R, В	U Д= U вх– U R, В	I Д= U R/ R, мА	I Д, мА (теорет)

3. Вместо резистора с номиналом 20 Ом включить резистор с номиналом 1 Мом. В качестве ЭДС Е подключить источник -6,3 В. Измерить напряжение на входе схемы и на резисторе. Заполнить строку таблицы. Повторить эксперимент для источника -12 В. Построить график обратной ветви ВАХ диода. Определить параметры линейной модели прямого и обратного участков ВАХ диода.

4. Исследовать работу полупроводникового диода при переменном напряжении на входе. R =20 Ом.

Подключить ко входу схемы генератор Г6-46, установив гармонический сигнал с амплитудой 5 В и частотой 500 Гц. Входное напряжение схемы подать на 1-й вход осциллографа, а выходное – на второй. Подключить также к выходу вольтметр постоянного напряжения. Зарисовать осциллограммы напряжений, измерить и записать их амплитуды. Измерить и записать постоянное напряжение .

5. Параллельно резистору R подключить одну из емкостей С 3, С 4, С 5 из блока 01: С3=1мкФ, С4=10мкФ, С5=50 мкФ.

В каждом опыте вольтметром измерить и записать постоянное напряжение на выходе схемы . Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений с учетом измеренного постоянного напряжения. Определить амплитуду пульсаций выходного напряжения.

Повторить эксперимент для R =100 Ом.

6. Оформить отчет по работе.

 

Контрольные вопросы.

1. В чем заключается сходство и различие ВАХ диода и идеального р-n -перехода?

2. Как с помощью ВАХ р-n -перехода и ВАХ диода определить r _б?

3. Как определяется статическое и дифференциальное сопротивление диода?

4. Показать зависимость статического сопротивления диода от протекающего через него тока.

5. Показать зависимость динамического сопротивления диода от протекающего через него тока.

6. Кусочно-линейные модели диода. Параметры.

7. Понятие «идеального диода».

8. Назначение емкости в простейшей схеме выпрямителя.

9. Выбор сопротивления и емкости нагрузки в простейшем выпрямителе.

Работа №2

Усилительный каскад на биполярном транзисторе c
общим эмиттером (ОЭ)

 

Цель работы: построение динамических проходных характеристик (ДПХ) биполярного транзистора с общим эмиттером. Определение режима работы транзистора для линейно усиления, определение основных внутренних и внешних параметров транзистора с ОЭ и усилительного каскада.

 

Краткие теоретические сведения.

Простейшая схема усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ представлена на рис.2.1

 

Рис.2.1

 

Для задания правильного режима работы транзистора в усилителе служат так называемые динамические проходные характеристики (ДПХ), связывающие выходной ток с входным напряжением транзистора i_к(u_бэ). Если нагрузкой транзистора является активное сопротивление, то в качестве ДПХ можно использовать и зависимость выходного напряжения от входного u_кэ(u_бэ).

Если для данного транзистора имеются справочные данные о входных и выходных ВАХ (см. рис.2.2), то ДПХ можно построить графически, используя уравнение, составленное для выходного контура схемы по 2-му закону Кирхгофа:

. (2.1)

Это линейное уравнение может быть графически отражено на выходных характеристиках транзистора с ОЭ (утолщенная линия на рис.2.2,б).

Точки пересечения семейства выходных ВАХ транзистора с линией нагрузки дают совокупность мгновенных значений выходных тока и напряжения в данном каскаде. Для построения ДПХ удобно составить таблицу, в которой записываются координаты точек пересечения линии нагрузки и выходных ВАХ транзистора, по которым легко построить графики ДПХ. Примерный вид этих графиков показан на рис.2.3,а и 2.3,б.

 

 

Рис.2.2

Рис.2.3

Для определения режима работы транзистора на участке ДПХ с наибольшей крутизной отмечается линейный участок (точки a, b), определяющий рабочую точку А и диапазон изменения входных и выходных переменных: Рис.2.3

 

и . Рабочая точка характеризуется значениями I_к,0, U_бэ,0 и соответствующими им U_кэ,0 и I_б,0. Величина U_бэ,0 обычно называется напряжением смещения и обозначается Е_см. Приусилении знакопеременных сигналов, например гармонических колебаний, рабочая точка выбирается на середине линейного участка, а амплитуда входного сигнала не должна быть больше, чем . Величина _А называется крутизной ДПХ в рабочей точке.

При гармоническом сигнале на входе амплитуда коллекторного тока I_m,к пропорциональна наклону (крутизне S) линейного участка ДПХ и амплитуде входного сигнала U_m,бэ, то есть I_m,к=SU_m,бэ, а амплитуда изменения напряжения на резисторе R_к равна I_m,к R_к. Действительно, мгновенное напряжение на коллекторе определяется как

u_кэ=Е_к - I_m,кR_к Сos (wt),

при этом выходное переменное напряжение будет равно

u_вых(t)= - I_m,кR_к Сos (w t),

откуда амплитуда выходного напряжения определяется как

U_m,вых =U_m,вхSR_к ,

фаза же выходного напряжения отличается от фазы входного напряжения на 180⁰ .

Таким образом, коэффициент передачи по напряжению каскада, определенный из графического анализа, равен

K= - SR_к . (2.3)

Для определения его основных параметров и характеристик в режиме линейного усиления проводится анализ схемы по переменному току, при этом транзистор представляется активным линейным четырехполюсником с внутренними h -параметрами, математическая модель которого имеет вид:

(2.4)

Параметры системы определяются из соотношений:

h _11,э= u_бэ / i_б при u_кэ =0,

h _12,э = u_бэ/ u_кэ при i_б =0,

h _21,э= i_к/ i_б при u_кэ =0,

h _22,э= i_к/ u_кэ при i_б =0.

Транзисторы с ОЭ характеризуются сравнительно слабой зависимостью входных характеристик от напряжения коллектор-эмиттер, поэтому часто принимают h _12,э ≈ 0.

В соответствии с уравнениями (2.4) транзистор, работающий в линейном режиме, заменяется эквивалентной схемой для амплитуд токов и напряжений (выделенный пунктиром участок на рис.2.4), где приняты обозначения: r_бэ = h _11,э - входное сопротивление транзистора с ОЭ, β = h _21,э- коэффициент передачи базового тока в коллекторную цепь, r_кэ =1/ h _22,э - выходное сопротивление транзистора с ОЭ.

 

Рис.2.4

 

Полная эквивалентная схема на рис.2.4 включает в себя внешние элементы схемы, а также входную и выходную емкости транзистора, отражающие инерционные свойства транзистора. Источники питания здесь не показаны, так как из-за малых их внутренних сопротивлений, они не влияют на протекание переменных токов.

В области средних частот (полоса частот усилителя) влиянием емкостей транзистора и емкостей внешней схемы пренебрегают. Коэффициент усиления по напряжению в этой полосе частот определится как

Учитывая часто выполняющиеся неравенства , получаем

,
что соответствует выражению для коэффициента усиления, полученному из графического анализа.

Собственные входное и выходное сопротивления каскада в области средних частот будут равны соответственно

.

В области нижних частот коэффициент усиления будет уменьшаться из-за наличия разделительной емкости, сопротивление которой на низких частотах увеличивается (вплоть до бесконечности на постоянном токе), что влечет за собой уменьшение напряжения на базе транзистора. Частота, на которой коэффициент передачи уменьшается в раз, называется граничной частотой. Нижняя граничная частота определяется как , R_ист – выходное сопротивление источника входного сигнала.

Граничная частота в области верхних частот определяется постоянными времени цепочек из параллельно соединенных емкостей и сопротивлений: и причем , , - емкость база-коллектор, обычно приводимая в справочниках. Сама же верхняя граничная частота определяется минимальным значением из и .

Предварительная подготовка к работе.

 

1. Построить ДПХ каскада на транзисторе КТ315 для Е_к = 6,3 В, R_к =470 Ом. (Характеристики транзистора даны в приложении).

2. Выбрать рабочую точку транзистора и определить максимальную амплитуду входного сигнала для обеспечения линейного режима усиления.

3. В выбранной рабочей точке рассчитать h -параметры транзистора. Построить эквивалентную схему усилителя. Определить коэффициенты усиления по напряжению и току.

4. Графически, а затем по эквивалентной схеме, определить коэффициенты передачи усилителя по напряжению и току. Сравнить полученные результаты.

5. По эквивалентной схеме определить собственные входное и выходное сопротивления усилителя в области средних частот, граничные частоты, если С _р=0,1 мкФ, С _к=7 пФ, входная емкость осциллографа составляет 50 пФ.

Задание на эксперимент..

 

1.Собрать схему усилителя (рис.2.1), используя блоки 01,05 СЛАУ. Питание цепи коллектора осуществляется от источника постоянного напряжения +6,3 В, питание цепи базы - от источника регулируемого напряжения (-6V... +6V).

Параметры элементов схемы: транзистор КТ315, R_б = R₂ 1) =6.2 Ком, R_к=R₄ =470 Ом, С_р=С₂ =0.1 мкФ. (Цифровые индексы соответствуют индексам элементов соответствующего блока СЛАУ).

2. Изменяя постоянное напряжение смещения на базе U_бэ с помощью регулируемого источника напряжения Е_б , снять зависимость U_кэ(U_бэ). Постоянные напряжения U_кэ и U_бэ измерять цифровым вольтметром, который следует попеременно подключать к базе и коллектору транзистора. Примерный диапазон изменения напряжения на базе составляет (+0,4....+ 1,0) вольт. Соответствующий диапазон изменения напряжения на коллекторе составляет (Е_к...0) вольт. Отметить напряжение на базе, соответствующее моменту отпирания транзистора. Результаты измерений свести в таблицу 1:

 

Таблица 1

U бэ, В	Uк э, В	I к=(E к- U кэ)/ R к, мА

 

3. Построить графики динамических проходных характеристик (ДПХ) каскада: U_кэ(U_бэ) и I_к(U_бэ). На графиках отметить рабочую точку, соответствующую линейному режиму усиления. Записать данные статического режима (параметры рабочей точки). Определить по ДПХ максимально возможную амплитуду входного сигнала U_{m,вх,макс} и коэффициент усиления по напряжению. Сравнить с результатами предварительного расчета.

4. Установить выбранную рабочую точку, убедиться в том, что значение постоянного напряжения на коллекторе соответствует выбранной рабочей точке. К входным зажимам каскада подключить генератор колебаний звукового диапазона и один из каналов осциллографа. Второй канал осциллографа подключить к выходным зажимам каскада. Установить на входе гармонический сигнал с частотой 20 ¸ 50 Кгц и амплитудой, несколько меньшей U_{m,вх,макс}. Измерить амплитуду выходного сигнала. Убедиться в инвертирующем свойстве каскада с ОЭ и линейности его работы. Зарисовать осциллограммы входного и выходного напряжений, отметив на них амплитуды. Рассчитать коэффициент усиления по напряжению. Сравнить с расчетным.

6. Подключить генератор к схеме усилителя. Поддерживая постоянным напряжение на входе усилителя, соответствующее линейному режиму), изменять частоту входного сигнала вниз и вверх до тех пор, пока напряжение на выходе усилителя не упадет в раз по сравнению с максимальным, полученном в п. 4. Записать значение нижней и верхней граничных частот. Рассчитать выходную емкость транзистора по формуле Пф, где f_гр,в - граничная частота, полученная в эксперименте. Если не удается экспериментально определить верхнюю граничную частоту, подключить к коллектору конденсатор с емкостью 1000 пФ. Определить верхнюю граничную частоту. Емкость С_кэ определится как пФ, где .

7. Изменяя амплитуду входного сигнала от 5 мВ до ~2…3 U _{m,вх,макс} , снять и построить график амплитудной характеристики каскада U_m,вых(U_m,вх). Рассчитать коэффициент передачи на линейном участке амплитудной характеристики. Сравнить со значением, полученным в пп. 3 и 4.

8. Установить U _m,вх> U _{m,вх,макс} .Зарисовать осциллограммы выходного напряжения.

9. Сместить рабочую точку в область нижнего нелинейного участка ДПХ I_к(U_бэ). Изменить амплитуду входного напряжения так, чтобы был использован весь линейный участок ДПХ. Зарисовать осциллограммы. Объяснить полученный результат.

Повторить п.9, сместив рабочую точку в область верхнего нелинейного участка ДПХ.

10. Оформить отчет.

 

Контрольные вопросы:

1. Объяснить назначение всех элементов каскада.

2. Что называется динамической проходной характеристикой, как ее получить графически и экспериментально?

3. Как определяется рабочая точка? Какова связь режима работы каскада с положением рабочей точки?

4. Как по ДПХ определить коэффициент усиления каскада?

5. Как экспериментально и по ДПХ построить амплитудную характеристику каскада? Какие параметры каскада она определяет?

6. Что такое нелинейные искажения усилителя? Объяснить связь положения рабочей точки и амплитуды входного сигнала с нелинейными искажениями.

7. Объяснить поведение АЧХ в области нижних частот. Какие параметры транзистора могут быть определены с помощью АЧХ в области нижних частот?

8. Объяснить поведение АЧХ каскада в области верхних частот. Какие параметры транзистора могут быть определены с помощью этой характеристики?

9. Что такое частотные искажения сигнала, как они проявляются?

 

Работа №3