Опис схеми дослідження підсилювача потужності

 

Досліджуваний підсилювач потужності є двотактним безтрансформаторним підсилювачем потужності на комплементарній парі транзисторів VT1 i VT2.

 

 

Рис.5.5.Схема дослідження підсилювача потужності.

 

(Конденсатори C1- 1 мкФ х 16 V; C2-220 мкФ х16 V; резистори R1, R2, R3- 27 Ом; R4, R5- 3.3 кОм; R6, R7- 27 Ом; R8- 27 Ом; транзистори VT1- KT 361 A; VT2-KT 315 A; PS- Мультиметр Ф4374.)

 

Резисторами R2, R3, R4, R5 задають початкове зміщення на бази транзисторів. Конденсатори С1 і С2 розділяючі. Резистори R6 i R7 стабілізують роботу підсилювача. Резистор R8 служить навантаженням. Вхідний сигнал до підсилювача прикладається через резистор з невеликим опором R1. За величиною спаду напруги на резисторі R1 визначають значення вхідного струму підсилювача

 

Порядок виконання роботи.

 

1. Зберіть схему підсилювача потужності згідно з рис.5.5. Вхід схеми підсилювача приєднайте до виходу генератора сигналів ГС. З блока живлення подайте напругу живлення -12 V. Приєднайте входи осцилографа і мультиметра паралельно до навантаження R8.

2.Для визначення коефіцієнтів підсилення підсилювача за напругою, струмом і потужністю з генератора сигналів подайте гармонічний сигнал частотою 1000 Гц. Плавно змінюючи амплітуду вхідного сигналу, добийтеся найбільшого неспотвореного сигналу на екрані осцилографа. Зарисуйте осцилограму і визначіть амплітуду вихідної напруги U_m.вих. За амплiтудним значенням U_m.вих розрахуйте діюче значення вихідної напруги U_вих та проконтролюйте її величину за допомогою мультиметра з цифровою індикацією.

Не змінюючи установок генератора, приєднайте входи осцилографа і мультиметра до входу підсилювача. Добийтеся стійкого зображення вхідного сигналу, зарисуйте осцилограму та визначіть амплітуду вхідного сигналу U_m.вх. Розрахуйте діюче значення вхідної напруги U_вх та порівняйте з результатами вимірювання мультиметром.

За допомогою мультиметра визначте діюче значення спаду напруги на додатковому резисторі R1 - U_r1.

Розрахуйте вихідну потужність підсилювача за формулою

.

 

Розрахуйте вхідну потужність підсилювача за формулою

.

Розрахуйте підсилення за струмом, напругою і потужністю, користуючись формулами

3.Для знімання навантажувальної характеристики P_вих f (Rн) дискретно змінюйте опір резисторів навантаження. Для кожного значення опору резистора вимірюйте вихідну напругу мультиметром. Дані занесіть у табл.5.1.

 

Tаблиця 5.1

Rн, Ом	16.5
Uвих , V
Pвих , Вт

 

За даними табл.5.1 побудуйте навантажувальну характеристику.

4. Для знімання частотної характеристики K_u(f) змінюйте частоту генератора сигналів від 20 до 20000 Гц з кроком 200 Гц, підтримуючи величину вхідного сигналу постійною. Для кожного значення частоти вимірюйте величину вихідної напруги. Дані занесіть у табл.5.2.

Таблиця 5.2

U_вх = V

f, Гц
Uвих , V
Ku

За даними табл.5.2 побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача.

 

5.5. Контрольні запитання

 

1.Які відмінності підсилювачів потужності від підсилювачів напруги?

2.Які особливості режимів роботи підсилювачів потужності?

3.Який вигляд має схема однотактного підсилювача потужності?

4.Поясніть роботу двотактного підсилювача потужності з трансформаторним виходом за схемою рис 5.2.

5.Які переваги та недоліки трансформаторних вихідних каскадів?

6.Який вигляд має найпростіша схема двотактного безтрансформаторного підсилювача потужності?

7.Які переваги та недоліки безтрансформаторних вихідних підсилювачів?

8.Які фактори визначають номінальну потужність кінцевого підсилювача?

9.В яких межах лежить к.к.д. підсилювачів потужності?

Робота 6 Дослідження підсилювачів постійного струму

Мета роботи

Ознайомитися з особливостями електричних схем і роботою підсилювачів постійного струму. Освоїти методику визначення основних характеристик підсилювачів постійного струму.

Теоретичні відомості

 

Підсилювачами постійного струму називають підсилювачі, які мають рівномірну частотну характеристику на самих нижніх частотах, аж до постійного струму. Вони призначені для підсилення повільно змінних сигналів, частота яких складає одиниці і десяті долі герца. Типова частотна характеристика підсилювача постійного струму приведена на рис.6.1.

Рис.6.1. Частотна характеристика підсилювача постійного струму.

 

Підсилювачі постійного струму знаходять широке застосування в електронних пристроях автоматики для підсилення сигналів давачів та виконання математичних операцій з аналоговими сигналами.

Підсилювачі постійного струму, як і інші типи підсилювачів, повинні забезпечувати:

- відсутність вихідного сигналу при відсутності вхідного;

- зміну знаку вихідного сигналу при зміні вхідного;

- пропорційність вихідної напруги до вхідної.

В підсилювачах постійного струму допускаються лише безпосередні та резистивні зв'язки між каскадами підсилення і з навантаженням. У зв'язку з цим виникає проблема відокремлення змінних корисних сигналів від! постійних складових струмів і напруг транзисторів. Одним із способів ІІІ розв'язання є компенсація постійної складової сигналів за допомогою додаткового подільника напруги (рис. 6.2).

Призначення більшості деталей схеми, приведеної на рис.6.2, традиційне для підсилювачів. Резистори К1 і К2 задають початкове положення робочої точки транзистора VТ. Резистор R3 служить колекторним навантаженням транзистора, а резистор R4 забезпечує температурну стабілізацію роботи підсилювача. Оскільки сигнали змінюються повільно, то до резистора R4 конденсатор не приєднують.

Схема відрізняється наявністю додаткових резисторів R5, R6, R7, які утворюють подільник компенсаційної напруги.

Рис.6.2. Схема підсилювача постійного струму на біполярному транзисторі

При відсутності вхідного сигналу потенціал колектора транзистора складає приблизно половину Е_k. Цей же потенціал має і та сторона навантаження Rн що з'єднана з колектором транзистора. Щоб напруга на навантаженні була рівною нулю, створюють такий же потенціал на іншій стороні резистора Кн за допомогою подільника напруги R5, R6, R7. Резистор R6 змінний. Переміщуючи повзунок резистора R6, добиваються точної компенсації напруги на R_н при відсутності вхідного сигналу.

При подачі вхідної напруги змінюються базовий і колекторний струми транзистора VТ. Це визиває зміну напруги на колекторі транзистора, а отже, і на навантаженні. Очевидно, що при зміні знаку вхідної напруги, буде змінюватися знак напруги вихідного сигналу.

Така схема підсилювача має той недолік, що навантаження не зв'язане з загальним провідником. Це ускладнює узгодження між каскадами підсилювача. Недолік легко усувається, якщо використати два джерела напруги живлення (рис.6.3). Джерела живлення з'єднують між собою послідовно, а точку їх з'єднання сполучають зі спільним провідником. Таке утвореного резисторами R3 і R4. Величини резисторів R3 і R4 підбирають таким чином, щоб при вхідній напрузі, рівній нулю, була рівною нулю також і напруга на навантаженні.

Рис.6.3. Схема підсилювача постійного струму з двополярним джерелом живлення.

 

В підсилювачах постійного струму існує ще одна проблема, зв'язана з підсиленням слабких сигналів. Це так званий дрейф нуля. Він полягає у тому, що в процесі роботи підсилювача через зміну температури, напруги живлення, старіння транзисторів і тощо з'являється чи неконтрольовано змінюється вихідна напруга підсилювача, навіть при відсутності вхідного сигналу. Величину вихідної напруги дрейфу, розділену на коефіцієнт підсилення підсилювача за напругою, називають дрейфом нуля зведеним до входу

U_др=U_др.вих / К

Підсилювачі постійного струму можуть підсилювати сигнали, напруга яких Перевищує Напругу Дрейфу нуля, тобто при Uвих >>Uдр

Для боротьби з дрейфом нуля підсилювачів застосовують ряд мір: стабілізацію напруги живлення та температурну стабілізацію режиму; використання місткових (балансних) схем підсилювачів; модуляцію -демодуляцію підсилюваної напруги.

На рис.6.4 приведено спрощену схему симетричного балансного підсилювача (на схемі не показано елементи початкового зміщення). Схема побудована за принципом електричного моста. Двома плечами моста служать опори колекторного навантаження R_к1і R_к2, а двома другими -ділянки колектор-емітер транзисторів. В одну з діагоналей моста подається напруга живлення, а в іншу - ввімкнуто навантаження.

Рис.6.4. Спрощена схема симетричного балансного

підсилювача.

 

Якщо міст збалансований (добуток опорів протилежних плеч рівний), то напруга на навантаженні рівна нулю і мало залежить від зміни температури чи напруги живлення. Для роботи у балансному підсилювачі підбирають транзистори зі строго ідентичними характеристиками.

Вхідна напруга може прикладатися симетрично (парафазно) - між базами транзисторів, або несиметрично (синфазно) - між базою одного з транзисторів і спільним провідником. При цьому база іншого транзистора повинна бути з'єднана з спільним провідником. Аналогічно, вихідна напруга може зніматися симетрично, між колекторами транзисторів, або несиметрично, між колектором одного з транзисторів і спільним провідником.

Балансний підсилювач називають диференціальним, якщо вихідна напруга підсилювача пропорційна різниці вхідних напруг

U_вих=k(U_вх1-U_вх2)

Перший вхід (до якогоприкладена напруга U_вх1) підсилювача, називають неінвертуючим або прямим; другий - інвертуючим, непрямим. Вихідна напруга диференціального підсилювача знаходиться у фазі з напругою на прямому вході і - у протифазі з напругою на інвертуючому вході.

При роботі підсилювача струми емітерів транзисторів VТ1 і VТ2 змінюються у протифазі так, що їх сума, яка протікає через резистор Яс, залишається постійною

І_е=І_е1+І_е2=const.

Резистор Rе в колах емітерів транзисторів виконує важливу стабілізуючу функцію, але на ньому тратиться частина напруги живлення. Тому в якості резистора Rе часто застосовують стабілізатори струму, виконані на одному чи кількох додаткових транзисторах. Такі стабілізатори чинять невеликий опір для постійної складової струму і великий опір для змінної складової струму емітерів транзисторів VТ1 і VТ2. Нерідко для збільшення коефіцієнта підсилення каскаду використовують динамічне навантаження, при якому резистори R_к1 і R_к2 замінюють транзисторами, включеними відповідним чином.

В схемах диференціальних підсилювачів постійного струму широко використовують і польові транзистори. Найкращі характеристики мають диференціальні підсилювачі з живленням від двополярних джерел напруги.

Підсилювачі постійного струму, як правило, мають два або три каскади підсилення. Загальний коефіцієнт підсилення підсилювача дорівнює добутку коефіцієнтів підсилення окремих каскадів.

Програма роботи

 

1. Зібрати схему дослідження підсилювача постійного струму.

2. Провести його балансування.

3. Зняти амплітудну характеристику підсилювача постійного струму.

4. Зняти амплітудно-частотну характеристику підсилювача.

5. Визначити напругу дрейфу нуля підсилювача при зміні напруги живлення.

Опис схеми дослідження

 

Досліджуваний підсилювач постійного струму є каскадом диференціального підсилювача. Резистори R5 і R9 служать колекторним навантаженням транзисторів VТ1 і VТ2. В колах емітерів транзисторів включено резистори R7 і R8, які стабілізують роботу каскаду. Змінний резистор R7 служить для точного балансування підсилювача. Навантаженням підсилювача є резистор R6. Напруга зміщення створюється резисторами R11 і R12,а на бази транзисторів вона поступає через резистори R4 і R10. Вхідна напруга знімається з потенціометра R1 і при допомозі резисторів R2 і RЗ прикладається симетрично між базами транзисторів VТ1 і VТ2. Конденсатори СІ і С2 запобігають збудженню автоколивань на високих частотах.

Рис.6.5. Схема дослідження підсилювача постійного струму.

Порядок виконання роботи

1. На монтажній панелі зберіть схему дослідження підсилювача
постійного струму згідно з рис.6.5. Приєднайте підсилювач до джерела живлення +15 V. Вхід підсилювача з'єднайте з виходом генератора сигналів Гc. Входи осцилографа і мультиметра Ф4372 підключіть паралельно до резистора навантаження R6. Мультиметр переведіть у режим для вимірювання постійної напруги.

Після перевірки схеми викладачем підключіть прилади до мережі 220 В. З блока живлення +15 V подайте напругу живлення, рівну 10 V.

2. Збалансуйте підсилювач при відсутності вхідного сигналу. Для цього повільно обертайте ручку змінного резистора R7 і слідкуйте за величиною вихідної напруги, користуючись мультиметром. Добийтеся повної її компенсації при найменшій границі вимірювання. Якщо збалансувати підсилювач не вдається, слід вимкнути живлення, ще раз перевірити правильність монтажу схеми і номінальні значення встановлених елементів.Необхідно також перевірити режими роботи транзисторів по постійному струму за допомогою тестера, вимірюючи напругу на виводах транзисторів.

3. Для зняття амплітудної характеристики Uвих=f(Uвх) з генератора сигналів подайте гармонічний сигнал частотою 1000 Н_z, напруга 1V. Змінюючи положення повзунка резистора R1, визначте діапазон зміни вхідної напруги до появи помітних спотворень форми вихідного сигналу. Зніміть залежність величини вихідної напруги U _вик від величини вхідної напруги Uвих. Дані занесіть у табл.6.1.

 

Таблиця 6.1.

За даними табл.6.1 визначте коефіцієнт підсилення К і побудуйте амплітудну характеристику підсилювача.

4. Для зняття амплітудно-частотної характеристики підсилювача К(f) підтримуйте величину вхідної напруги постійною і рівною 1 V. Змінюючи частоту вхідного сигналу органами керування генератора в межах 20...20000 Гц, вимірюйте діюче значення вихідної напруги мультиметром. Дані занесіть у табл.6.2.

 

Таблиця 6.2.

За даними табл.6.2 визначте коефіцієнт підсилення К і побудуйте амплітудно-частотну характеристику підсилювача постійного струму.

5. Відключіть генератор сигналів ГС від входу підсилювача. Закоротіть вхід підсилювача за допомогою провідника з штекерами. Перевірте напругу живлення та повторно збалансуйте підсилювач, як це вказано у пункті 2. Зменшіть напругу живлення до 9В і за допомогою мультиметра виміряйте вихідну напругу Uдр.вих.Приведіть значення напруги дрейфу нуля до входу підсилювача. Для цього розділіть напругу дрейфу _Uдр.вихна значення коефіцієнта підсилення, визначене у пункті 3, і яке відповідає найбільшому неспотвореному підсиленню вхідного сигналу.

6.6. Контрольні запитання

 

1. Які підсилювачі називаються підсилювачами постійного струму?

2. З якою метою підсилювачі постійного струму живлять від двох джерел напруги?

3. У чому полягає суть явища дрейфу нуля?

4.Якіметоди зниження шкідливого впливу дрейфу нуля в підсилювачах постійного струму?

5. Які підсилювачі постійного струму називають диференціальними?

6. Які можливі способи ввімкнення навантаження в диференціальних підсилювачах?

7. Яку функцію виконує резистор в колі емітерів диференціального підсилювача?

8. Як збалансувати диференціальний підсилювач постійного струму.

9. Як визначити дрейф нуля підсилювача?