Исследование каскадов полупроводникового усилителя низкой частоты

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомить с принципом работы и схемой транзисторного усилителя низкой частоты и снять опытным путем амплитудную и частотную характеристики усилителя.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В современных судовых автоматических системах в качестве оконечных каскадов усилителей широкое применение находят транзисторные усилители.

Развитие полупроводниковой техники позволяет в настоящее время разработать мощные (до нескольких киловатт) транзисторные усилители.

На рисунке 8 приведена схема простейшего однокаскадного усилителя низкой частоты. На входе и выходе каскада включены разделительные конденсаторы С1 и С2 для предотвращения протекания постоянного тока от помех внешних цепей Шунтирующий конденсатор C_э, включенный параллельно эмиттерному резистору R_э, обеспечивает температурную стабильность каскада по постоянному току и одновременно позволяет увеличить усиление. Входной сигнал подается на вход усилителя относительно земли и выделяется на резисторе R2. Смещение в эмиттерной цепи обеспечивается делителями напряжения R1 и R2.

Приращение тока базы создает пропорциональное приращение тока коллектора. Выходным сигналом каскада является потенциал коллектора относительно земли.

Если необходимо обеспечить коэффициент усиления по напряжению больше 20, то можно включить два или три каскада последовательно (подключая выход предыдущего в к входу последующего)

Судить о качестве усилителя и пригодности его для тех или иных целей можно по следующим основным параметрам:

 

– номинальная выходная мощность (P_ном) – это мощность, выраженная в ваттах или милливаттах, отдаваемая усилителем с нагрузку, при которой нелинейные искажения соответствуют заданным;

– чувствительность, под которой принято принимать то напряжение сигнала в милливольтах, которое необходимо подавать на вход усилителя, чтобы получить на нагрузке номинальную выходную мощность, она равна приблизительно 10–200 мВ;

– частотная характеристика усилителя – это зависимость напряжения выходного сигнала от частоты при неизменном входном напряжении (U_вх);

– амплитудная характеристика усилителя – это зависимость выходного напряжения усиливаемого сигнала от входного напряжения, измеренная на частоте 1000 Гц (1кГц)при постоянной нагрузке R_H.

ОПИСАНИЕ СХЕМЫ

Принципиальная схема двухкаскадного усилителя низкой частоты приведена на рисунке 9, а расположение элементов на передней панели – на рисунке 10.

Первый каскад выполнен на транзисторе VТІ (КТЗ15Г), второй – на транзисторе VT2 (КТЗ15В). На вход усилителя сигнал от генератора низкой частоты подается через один из двух разделительных конденсаторов Ср1 и Ср2, переключаемых тумблером S1. Цепь базы питается через делитель, состоящий из резисторов R_б1, R_б2 и R_б3. Подстроечный резистор R _б З необходим дня выбора рабочей точки при смене транзистора VT1, а также для получения максимального влияния положительной обратной связи с эмиттерного сопротивления в базу транзистора VT1 через конденсатор С_ос2 и тумблер S2. С коллектора VT1 часть напряжения подается через цепь отрицательной обратной связи С_ос1, R_ос1 на базу VT1. Переменный резистор R_осl позволяет изменить коэффициент передачи звена обратной связи при исследовании амплитудной и амплитудно–частотной характеристик.

В цепь эмиттера VT1 через переключатель S4 могут подключаться блокировочные конденсаторы С1 и С2, которые устраняют влияние отрицательной обратной связи, возникающее на эмиттерных сопротивлениях, их величины позволяют изменить коэффициент усиления, a также влиять на частотные свойства усилителя. Коллекторное питание подается на первый каскад через фильтр, состоящий из резистора R_ф и конденсатора С_ф. Напряжение питания первого каскада составляет 12 В. С коллекторной нагрузки VT1 сигнал снимается через один из разделительных конденсаторов С_р3 и С_р4, величины которых выбраны так, чтобы показать их влияние на частотные характеристики усилителя при их исследовании.

Далее сигнал через тумблер S3 поступает на переменный резистор R_н1, являющийся нагрузкой каскада и регулятором усиления. С резистора R_н1 сигнал через разделительный конденсатор поступает на вход второго каскада усиления. Базовая цепь VT1 питается через делитель, состоящий из резисторов R_б4, R_б5. Подстроечный резистор R_б5 служит для выбора рабочей точки транзистора. В эмиттерную цепь через переключатель S6 подключается один из двух шунтирующих конденсаторов С_э3, С_э4, назначение которых аналогично С_э1 и С_э2. Между эмиттером VT1 и VT2 может быть включена цепь положительной обратной связи, состоящая из резисторовR_ос2 и конденсатора С_ос4. Влияние цепи обратной связи на характеристики усилителя будет проявляться при отсутствии блокировочных конденсаторов в цепях эмиттеров VT1 и VT2. Между коллектором и базой VT2 может бытьвключена цепь отрицательной обратной связи, состоящая из, конденсатора С_ос3 и переменного резистора R_ос3. Назначение ее аналогично цепи С_ос1 и R_ос1. Переменный резистор R_ос3 предназначен для изменения коэффициента передачи звена обратной связи. С коллекторной нагрузки VT1 сигнал подается через один из разделительных конденсаторов С_р6 и С_р7 посредством тумблера S5, назначение которых аналогично С_р3 и С_р4 переключатель S7 подключает емкостную (С_н) или активную (R_н) нагрузку усилителя.

ПРОГРАММА РАБОТЫ И ПОРЯДОК

ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЯ

 

1 Ознакомиться с устройством и принципом работы каскадов транзисторного усилителя низкой частоты. Изучить схему установки для исследования усилителя.

2 Подготовить стенд к работе для чего:

2.1 Выключатели, переключатели и ручки управления установить в исходное положение:

– выключатели вертикального действия – вниз;

выключатели горизонтального действия – в левое крайнее положение;

– переключатели и ручки регулировки – в среднее положение.

2.2 Клемму заземления, расположенную на кронштейне под крышкой на задней стенке, соединить с контуром общего заземления.

2.3 Используя соединительные провода, обеспечить:

– соединение генератора низкой частоты (гнезда ”1:1” и ”земля” с входом первого усилительного каскада (гнезда X1 и ”земля”);

– соединение входного милливольтметра к входу первого каскада усилителя (гнезда XI и ”земля”);

– соединение выходного милливольтметра к выходу первого каскада (гнезда ”Х3 ” и ”земля”);

– подключить частотомер к выходным гнездам (”1:1” и ”земля”) генератора низкой частоты.

2.4 Включить тумблер "Сеть" установки и измерительных приборов.

2.5 Включатель E_к установить в положение E_к1 и ручкой E_к* установить по вольтметру pV напряжение 24 В.

3 Снять амплитудную характеристику первого каскада усилителя без обратной связи, для чего:

3.1 Установить частоту генератора низких частот, равную 1000Гц, используя переключение грубой регулировки частоты на предел 0,2 ÷ 2 кГц и доводку потенциометром точной регулировки.

3.2 На частоте 1000 Гц приизменении входного сигнала с помощью потенциометра U_вых генератора фиксировать значение напряжения по выходному милливольтметру и данные занести в

таблицу 11.

3.3 Повторить пункт 3 для E_к = 18 В, и E_к = 12 В и данные занести в таблицу 11.

Таблица 11 (f =1000 Гц)

Uвх, мВ
Uвых, В при Eк = 24 В
Uвых, В при Eк = 18 В
Uвых, В при Eк = 12 В

 

3.4 Повторить пукт 3 при включенном потенциометре R_oc1 (включить S1) и данные занести в таблицу 12.

3.5 Установить R_oc1 в крайнее левое положение, включить тумблер S2 и повторить пункт 3, данные занести в таблицу

3.6 Включить R_oc1 и S2 и повторить п. 3, а данные занести в таблицу 12.

 

Таблица 12 (Ек = 24 В, f = І000 Гц)

Uвх, мВ
Uвых, В при S1 вкл., Roc1 вкл.
Uвых, В при S2 вкл., Roc1 = 0
Uвых, В при S2 вкл., Roc1 ≠ 0

 

4 Снять частотную характеристику усилителя, для чего:

4.1 Выполнять пункт 2.

4.2 Потенциометром U_вых генератора устанавливается предельное значение напряжения U_вх усилителя, которое в дальнейшем поддерживается постоянным на всех частотах.

4.3 Переключателем грубой регулировки частоты и потенциометром точной регулировки изменять частоту в пределах,

указанных на панели, при этом, фиксируя значение выходного напряжения каскада усилителя и данные занести в таблицу 13.

4.4 Повторить пункт 4.3 при включении потенциометра Rос1 и данные занести в таблицу 13.

4.5 Установить R_ос1 в крайнее левое положение, включить тумблер S2, повторить пункт 4.3 и данные занести в таблицу 13.

4.6 Включить R_ос1 и переключатель S2 и повторить пункт 4.3, а данные занести в таблицу 13.

 

Таблица 13 (U_вх = const)

f, Гц
Uвых, при Roc1 = 0, S2 = 0
Uвых, при Roc1 ≠ 0, S2 = 0
Uвых, при Roc1 = 0, S2 ≠ 0
Uвых, при Roc1 ≠ 0, S2 ≠ 0

 

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать следующие разделы.

1 Цель работы.

2 Краткое описание принципа работы каскада усилителя низкой частоты.

3 Принципиальную схему установки с перечнем оборудования и приборов, использованных в работе.

4 Таблицы с экспериментальными данными и графики амплитудных Uвых = f(Uвх) при f = const и частотных Uвых = f(f) при Uвх = const характеристик каскада усилителя.

5 Разработать методику исследования второго каскада усилителя по указанию преподавателя.

 

Рисунок 8

 

 

Рисунок 9

Рисунок 10

6 Выводы по работе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Основные схемы включения транзистора в усилителях.

2 Принцип действия простейшего усилителя низкой частота.

3 Принцип действия многокаскадного усилителя низкой частоты.

4 Реализация и принцип действия обратных связей.

5 Назначение различных элементов усилителя.

 

БИБЛИОГРАФИЯ

1 Бочаров Л.Н. Расчет электронных устройств на транзисторах/ Л.H. Бочаров, С.К. Жердяков, И Ф. Колесников – М.: Энергия, 1978. –257 с.

2 Пахомов Ю. Основные параметры усилителя низких частот и их изменения. – Радио, 1974,№4.–C. 18–23.

3 Леше Д.Т. Справочник по современным твердотельным усилителям. Пер. с англ. –M.: Мир, 1977. – 500 с.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

СНЯТИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с принципом работы и конструкцией различных типов реле систем судовой характеристики и снять опытным путем их характеристики.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В судовых системах контроля и регулирования широко применяются электромагнитные реле, состоящие из электромагнитной и контактной систем. Электрозащитные реле предназначены для замыкания и размыкания контактов в исполнительной электрической цепи при подаче на обмотку реле сигнала управления определенного значения.

Реле с поворотным якорем (рисунок 11) состоит из неподвижного сердечника 1, катушки 7, стального якоря 2, подвижного контракта 4, укрепленного на якоре с помощью изоляционной пленки, неподвижных контактов 3, упора 6 и противодействующей пружины 3. При отсутствии тока в реле якорь под влиянием пружины находится в верхнем положении, на упоре. При подаче, тока в катушку реле возникает магнитный поток, который намагничивает сердечник 1 и якорь 2. В результате этого якорь притягивается к сердечнику и укрепленный на нем контакт 4 замыкает контакты 3.

Реле характеризуется следующими параметрами:

– параметрами срабатывания, т.е. минимальное значение входного параметра, необходимого для надежного срабатывания реле;

– параметром управления, т.е. максимальное значение входного параметра, при котором контакты реле работают надежно;

– коэффициентом управления, равным отношению мощности управления к мощности срабатывания;

– параметром отпускания, т.е. значение входного параметра, при котором реле отпускает якорь;

– временем срабатывания и отпускания.

Электромагнитные реле делятся на нейтральные электромагнитные реле постоянного тока, поляризованные реле и нейтральные реле переменного тока.

Реле переменного тока обычно имеют расщепленный полюс с короткозамкнутым витком.

Поляризованные электромагнитные реле, в отличие от нейтральных, являются реверсивными элементами.

 

ОПИСАНИЕ СХЕМЫ

Электрическая схема установки показана на рисунке 12, расположение элементов на передней панели установки показано на рисунке 13, а схемы включения реле на рисунке 14. Для выполнения работы включить на распределительном щите +115 В пост.; +24 В пост.; +6,3 В пост.; 220 В, 400 Гц. Стенд позволяет исследовать работу семи реле, причем напряжение питания для реле К1 равно 115 В, а дня остальных реле 24 В. На передней панели установки находится:

– амперметр (рА) для снятия тока срабатывания (I_ср) и тока отпускания (I_отп);

– вольтметр (pV) для снятия напряжения срабатывания (U_ср) и напряжения отпускания (U_отп);

– панель с исследуемыми электромагнитными реле К1, К2, КЗ, К4, K5, К6, К7;

– коммутационная панель (гнезда 1 – 64);

– тумблер S1 для подачи питания на реле;

– переключатель S2 для изменения предела измерения вольтметра, причем положение 1 – 40 В, положение 2 – 200 В, положение 3 – 400 В;

– переключатель S3 для изменения предела измерения амперметра, причем положения 1 – 125 мА; положение 2 – 250 мА;

– потенциометры R1 и R2 для регулировки величины напряжения, подаваемого на реле;

– сигнальная лампа EL1, для визуального наблюдения процесса срабатывания и отпускания реле;

– предохранитель F1.

 

ПРОГРАММА РАБОТЫ И ПОРЯДОК

ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЯ

1 Ознакомиться с устройством и принципом работы электромагнитных реле. Изучить схему установки для снятия характеристик реле.

2 Снять параметры статической характеристики реле К1, для чего необходимо:

2.1 Собрать схему (рисунок 14,6), начиная с гнезда 57.

2.2 Установить переключатель S2 в положение 2.

2.3 Установить переключатель S3 в положение 1.

2.4 Потенциометр R2 вывести в крайнее левое положение.

2.5 После проверки схем преподавателем тумблер S1 устанавливается в положение 2.

2.6 Плавно поворачивая движок потенциометра R2 вправо, добиваться срабатывания реле, о чем свидетельствует загорание сигнальной лампы EL1.

2.7 Снять значение напряжения и тока срабатывания по вольтметру и занести данные в таблицу 14.

2.8 Плавно поворачивая движок потенциометра влево, добиваться отпускания реле, о чем свидетельствует потухание сигнальной лампы EL1.

2.9 Снять значения напряжения и тока отпускания по вольтметру и амперметру и занести в таблицу 14.

3. Снять параметры статических характеристик реле К2, K3, К4, К5, К6, К7, для чего необходимо:

3.1 Тумблер S1 установить в положение 2.

3.2 Собрать схему №1, начиная с гнезда 8, перемычку 47 установить в последнюю очередь.

3.3 Выполняется пункт 2 с учетом того, что вместо R2 непользуется потенциометр R1, а положения S1, S2, S3 указаны в таблице 15.

3.4 Полученные данные занести в таблицу 14.

Таблица 14

№ п/п	Iср	Iопт	Uср	Uотп
К1
К2
К3
К4
К5
К6
К7

 

 

ПРИМЕЧАНИЯ:

1 Для К2 перемычку 8 коммутировать на гнездо 9, для К3 – 17; для К4 – на 25; для К5 – на 33; для К6 – на 41; для К7 – на 49.

 

ТАБЛИЦА 15

		К1	К2	К3	К4	К5	К6	К7
S1
S2
S3

 

2 Для выключателя S3 положение 1 соответствует 125 мА, положение 2 – 250 мА Для выключателя S2 положение 1 соответствует 40 В, положение 2 – 200 В. Положение выключателей S1, S2, S3 указано в таблице 15.

 

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать следующие разделы.

1 Цель работы

2 Краткое описание принципа работы реле.

3 Принципиальные электрические схемы установки с перечнем оборудования и приборов, использованных в работе

4 Таблицы с экспериментальными данными и графики статических характеристик реле.

5 Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Принцип действия, характеристики и параметры реле.

2 Электромагнитные реле постоянного тока.

3 Основные элементы схемы установки

4 Электромагнитные реле переменного тока.

 

БИБЛИОГРАФИЯ

1 Хайкин А.Б. Элементы судовой автоматам: Учеб. пособие/ А.Б. Хайкин, Н.Е. Жадобин – Л.: Судостроение, 1982. – 376с.

 

Рисунок 11

 

 

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Исследование параметров реле времени, изучение принципа действия.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

При автоматизации многих судовых электроприводов требуются аппараты, переключающие электрические цепи через заданный промежуток времени после подачи в схему электрического сигнала. Такие аппараты – реле времени – применяются самых разнообразных типов: электромагнитные, механические, двигательные, пневматические, электронные и др. В данной лабораторной работе исследуются, электромагнитное реле времени с часовым механизмом, реле времени на тиратроне и транзисторах.

Электромагнитные реле времени с часовым механизмом состоит из электромагнитного реле переменного тока и часового механизма. Завод часового механизма производится якорем электромагнитного реле. Неподвижный контакт реле времени закреплен неподвижно на корпусе реле, а подвижный контакт устанавливается на стрелке часового механизма. Регулирование выдержки времени осуществляется путем перемещения неподвижного контакта по периметру корпуса, тем самым изменяем расстояние между подвижным и неподвижным контактами.

Тиратронные реле времени. Тиратроны как ионные приборы, нашли широкое применение в различных схемах электромагнитных устройств.

По своей конструкции тиратрон является электровакуумным прибором, состоящим их колбы, внутри которой в разреженной среде газа (аргон, водород и т.д.) помещен анод, катод и управляющая сетка.

По характеру работы тиратрон представляет собой релейный элемент с самоблокировкой от цепи питания. При определенном уровне управляемого сигнала тиратрон срабатывает и далее перестает реагировать на сигнал управления и может быть выключен только снижением анодного напряжения, т.е. за счет дополнительного управления в цепи самоблокировки.

Ценным качеством тиратрона в данном устройстве является малая мощность управления, и регулировка выдержки времени в широких пределах.

Реле состоит из следующих основных элементов (рисунок 15):

– тиратрона VL с отрицательной сеточной характеристикой;

– сеточного контура времени, состоящего из постоянной емкости С и переменного сопротивления R;

– исполнительного реле К в анодной цепи тиратрона, осуществляющею своими контактами 1К и 2К управление внешними цепями реле;

– делителя напряжения R3 и R4, являющегося источником анодного напряжения Е_а и отрицательного сеточного смещения U_с;

– управляемого контакта S2 цепи питания сеточного контура;

– тумблера включения анодного питания S1.

 

В исходном положении в первую очередь должен быть замкнут контакт К2, а затем K1. Таким образом, в исходном положении подано анодное питание, но тиратрон не горит, поэтому его сетка находится под отрицательным запирающем напряжением (С заряжен до U₀). Начало работы реле времени определяется с момента размыкания S2, т. е. началом разряда С на сопротивление R1. По мере разряда С напряжение на нем достигает величины напряжения запирания U_з, тиратрон открывается, срабатывает реле К и переключаются исполнительные контакты 1K и 2К.

После срабатывания реле схема будет заблокирована в этом состоянии самим тиратроном. Выключение реле осуществляется тумблером S1. Прежде чем подать вновь анодное питание, необходимо включить S2 при постоянстве U₀ и U_з, выдержка времени зависит от R и С.

Плавную регулировку выдержки времени удобнее производить изменением R1, a ступенчатую регулировку – за счет переключения емкости конденсатора С.

Полупроводниковые реле времени со звуковой сигнализацией (рисунок 16).

На полевом транзисторе VT1 собрано устройство отсчета заданного времени, а на транзисторе VT2 – звуковой сигнализатор. В показанном на схеме положении секций переключателя SA1 реле времени выключено.

Чтобы включить устройство необходимо ручку переключателя ставить в положение, при котором контакты SA1.2 замыкаются, a SA1.1 размыкаются. Начинается отсчет выдержки, установленной переменным резистором R3. Она зависит от С1 и R2, R3 (через эти резисторы заряжается С1).

Если сразу же после включения питания напряжение на конденсаторе близко к нулю и полевой транзистор открыт (U_нс мало), то по мере зарядки конденсатора напряжение на затворе возрастает. Вместе с ним растет и напряжение на истоке транзистора, когда оно достигает определенного значения, откроется транзистор VT2 и включится собранный на нем генератор звуковой частоты. Из динамической головки ВА1 раздается звук при минимальном сопротивлении R3, это произойдет через 1 – 1.5 минут после включения питания, а при максимальном – через 10 – 15 минут.

 

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема лабораторной установки представлена на рисунке 17. На лицевой стороне панели установлены реле времени с индивидуальными выключателями и сигнальными лампами, назначение которых приводится ниже.

 

ПРОГРАММА РАБОТЫ И ПОРЯДОК

ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЯ

1 По методическому указанию ознакомиться с устройством и принципом действия: электромагнитного реле времени с часовым механизмом, тиратронного реле времени и полупроводникового реле времени со звуковой сигнализацией,

2 Исследование работы электромагнитного реле времени с часовым механизмом, для чего:

2.1 Установить левый неподвижный контакт в положение 3 с.

2.2 Включить выключатель SA3.

2.3 Выключить SA3 и одновременно включить секундомер, определить выдержку времени по загоранию индикаторной лампы EL2.

2.4 Выполнить пункт 2.3 для других выдержек времени (по заданию преподавателя).

3. Исследовать работу тиратронного реле времени, для чего:

3.1 Установить выключатель SA4 в положение 1.

3.2 Ручкой потенциометра R1 установить выдержку времени 20секунд. "

3.3 Включить SA2 и секундомер, определить выдержку времени по сигнальной лампе EL1.

3.4 Исследовать работу для других выдержек времени (по заданию преподавателя).

4. Исследовать полупроводниковое реле времени со звуковой сигнализацией, для чего:

4.1 Ручку потенциометра R3 установить в положение 1,

4.2 Включить SA1 и секундомер, определить выдержку времени по звуковому сигналу.

4.3 Повторить пункт 4.2 для положений 2 и 3 ручки потенциометра RЗ.

 

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать следующие разделы:

1 Цель работы.

2 Краткое описание принципа действия реле времени.

3 Принципиальные схемы исследуемых реле времени.

4 Таблицы с экспериментальными и установочными выдержками времени с расчетом погрешности для каждого типа реле.

5 Выводы по работе.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Принцип действия электромагнитного реле времени с часовым механизмом.

2 Принцип действия тиратронного реле времени.

3 Принцип действия полупроводникового реле времени со звуковым сигналом.

4 Методика изменения выдержки времени для исследуемого реле времени.

 

БИБЛИОГРАФИЯ

1 Руководство по проектированию элементов систем автоматики/ Под ред. акад. Б.Н. Петрова. – М.: Высшая школа, 1968. – 348 с.

2 Пасс А.Г. Судовая электроника и радиотехника. – М.: Транспорт, 1964. – 287 с.

 

Рисунок 15

Рисунок 16

 

Рисунок 17

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7