Инженерно-производственный центр Учебная техника

Руководство по выполнению базовых экспериментов

ЭПУ.001 РБЭ (903)

Содержание

Введение. 6

1. Описание комплекта типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники». 9

1.1. Общие сведения. 9

1.1.1. Компоновка оборудования. 9

1.1.2. Блок генераторов напряжений. 10

1.1.3. Наборная панель. 11

1.1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам электроники. 12

1.1.5. Набор трансформаторов. 13

1.1.6. Блок мультиметров. 13

1.1.7. Ваттметр. 15

1.1.8. Набор миниблоков по теории электромагнитного поля. 15

1.1.9. Набор планшетов для моделирования электрических и магнитных полей. 19

1.1.10. Набор устройств для моделирования поверхностного эффекта и эффекта близости. 20

1.1.11. Коннектор. 21

1.1.12. Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами. 22

1.1.13. Измерение сопротивлений, мощностей и углов сдвига фаз
с помощью виртуальных приборов. 23

1.1.14. Виртуальный осциллограф.. 25

1.1.15. Виртуальный псевдоаналоговый прибор. 27

1.1.16. Виртуальный прибор «Ключ». 28

1.2. Экспериментальная часть. 29

1. Выпрямительные диоды.. 31

1.1. Эффект p-n перехода в диодах. 31

1.1.1. Общие сведения. 31

1.1.2. Экспериментальная часть. 31

1.2. Полупроводниковый однополупериодный выпрямитель. 33

1.2.1. Общие сведения. 33

1.2.2. Экспериментальная часть. 33

1.3. Полупроводниковый мостовой выпрямитель. 36

1.3.1. Общие сведения. 36

1.3.2. Экспериментальная часть. 36

1.4. Неуправляемый выпрямитель трехфазного тока. 39

1.4. Неуправляемый выпрямитель трехфазного тока. 39

1.4.1. Общие сведения. 39

1.4.2. Экспериментальная часть. 39

2. Стабилитроны (диоды Зенера) 42

2.1. Характеристики стабилитрона. 42

2.1.1. Общие сведения. 42

2.1.1. Экспериментальная часть. 42

2.2. Исследование параметрического стабилизатора напряжения. 44

2.2.1. Общие сведения. 44

2.2.2. Экспериментальная часть. 44

2.3. Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения. 47

2.3.1. Общие сведения. 47

2.3.2. Экспериментальная часть. 47

3. Диоды с особыми свойствами.. 49

3.1. Светодиоды.. 49

3.1.1. Общие сведения. 49

3.1.2. Экспериментальная часть. 49

3.2. Диоды с переменной емкостью (варикапы) 52

3.2.1. Общие сведения. 52

3.2.2. Экспериментальная часть. 52

4. Биполярные транзисторы.. 55

4.1. Испытание слоев и выпрямительного действия биполярных транзисторов. 55

4.1.1. Общие сведения. 55

4.1.2. Экспериментальная часть. 55

4.2. Распределение тока в транзисторе и управляющий эффект тока базы.. 58

4.2.1. Общие сведения. 58

4.2.2. Экспериментальная часть. 59

4.3. Характеристики транзистора. 61

4.3.1. Общие сведения. 61

4.3.2. Экспериментальная часть. 61

4.4. Установка рабочей точки транзистора и исследование влияния резистора в цепи коллектора на коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общим эмиттером.. 64

4.4.1. Общие сведения. 64

4.4.2. Экспериментальная часть. 64

4.5. Усилители на биполярных транзисторах. 66

4.5.1. Общие сведения. 66

4.5.2. Экспериментальная часть. 66

4.6. Регулятор напряжения (линейный) 70

4.6.1. Общие сведения. 70

4.6.2. Экспериментальная часть. 70

4.7. Регулятор тока. 72

4.7. Общие сведения. 72

4.7.2. Экспериментальная часть. 72

5. Униполярные (полевые) транзисторы.. 74

5.1. Испытание слоев и выпрямительного действия униполярных транзисторов. 74

5.1.1. Общие сведения. 74

5.1.2. Экспериментальная часть. 74

5.2. Характеристика включения затвора полевого транзистора. 76

5.2.1. Общие сведения. 76

5.2.2. Экспериментальная часть. 76

5.3. Управляющий эффект затвора полевого транзистора n-типа. 78

5.3.1. Общие сведения. 78

5.3.2. Экспериментальная часть. 78

5.4. Выходные характеристики полевого транзистора. 81

5.4.1. Общие сведения. 81

5.4.2. Экспериментальная часть. 81

5.5. Усилители на полевых транзисторах. 85

5.5.1. Общие сведения. 85

5.5.2. Экспериментальная часть. 85

6. Тиристоры.. 89

6.1. Диодный тиристор (симистор) 89

6.1.1. Общие сведения. 89

7.1.2. Экспериментальная часть. 89

6.2. Триодный тиристор. 92

6.2.1. Общие сведения. 92

6.2.2. Экспериментальная часть. 92

6.3. Фазовое управление тиристора. 96

6.3.1. Общие сведения. 96

7. Логические элементы.. 99

7.1. Логический элемент AND (И) 99

7.1.1. Общие сведения. 99

7.1.2. Экспериментальная часть. 99

7.2. Логический элемент OR (ИЛИ) 101

7.2.1. Общие сведения. 101

7.2.2. Экспериментальная часть. 101

7.3. Логический элемент NOT (НЕ) 103

7.3.1. Общие сведения. 103

7.3.2. Экспериментальная часть. 103

7.4. Логический элемент NOT AND (И - НЕ) 104

7.4.1. Общие сведения. 104

7.4.2. Экспериментальная часть. 104

7.5. Логический элемент NOT OR (ИЛИ - НЕ) 106

7.5.1. Общие сведения. 106

7.5.2. Экспериментальная часть. 106

8. Операционные усилители.. 108

Введение. 108

8.1. Инвертирующий усилитель. 108

8.1.1. Общие сведения. 108

8.1.2. Экспериментальная часть. 109

8.2. Неинвертирующий усилитель. 112

8.2.1. Общие сведения. 112

8.2.2. Экспериментальная часть. 112

8.3. Операционный суммирующий усилитель. 114

8.3.1. Общие сведения. 114

8.3.2. Экспериментальная часть. 115

8.4. Операционный дифференциальный усилитель. 117

8.4.1. Общие сведения. 117

8.4.2. Экспериментальная часть. 117

8.5. Поведение операционного усилителя в динамике. 121

8.5.1. Общие сведения. 121

8.5.2. Экспериментальная часть. 122

Литература. 126

Введение

Комплект типового лабораторного оборудования «Теория электрических цепей и основы электроники» предназначен для проведения лабораторного практикума по одноимённым разделам курсов «Теоретические основы электротехники», «Теория электрических цепей», «Электротехника и основы электроники», «Общая электротехника» и т.п. в профессиональных высших и средних учебных учреждениях.

Основными компонентами компьютеризованного варианта комплекта «Теория электрических цепей и основы электроники» являются:

· блок генераторов напряжений;

· наборная панель;

· набор миниблоков;

· набор трансформаторов;

· блок мультиметров;

· коннектор;

· соединительные провода и перемычки, питающие кабели.

….В «ручной» (т.е. некомпьютеризованный) вариант вместо коннектора входит

В зависимости от варианта исполнения в комплект может входить также либо лабораторный стол с выдвижными ящиками и рамой для установки оборудования (стендовый вариант), либо просто настольная рама, которая может быть установлена на любой стол (настольный вариант).

Эти же компоненты наряду с другими входят в комплект «Электротехника и основы электроники»

Комплект типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники», кроме перечисленных выше компонентов, содержит:

· дополнительный набор миниблоков для исследования электромагнитных полей;

· набор планшетов для моделирования электрических и магнитных полей;

· набор устройств для исследования поверхностного эффекта и эффекта близости.

В первой главе данного руководства описано устройство составных частей комплекта «Теоретические основы электротехники», даны рекомендации по их использованию и приведены некоторые технические характеристики. В последующих главах описаны базовые эксперименты по разделу «Электрические цепи постоянного тока».

Описание каждого эксперимента содержит

· Общие сведения,

· Экспериментальную часть.

Раздел «Общие сведения» содержит краткое введение в теорию соответствующего эксперимента. Для более глубокого изучения теоретического материала учащемуся следует обратиться к учебникам и компьютерным программам тестирования для проверки усвоения теории и оценки готовности к лабораторно-практическим занятиям.

В разделе «Экспериментальная часть» сформулированы конкретные задачи эксперимента, представлены схемы электрических цепей, таблицы и графики для регистрации и представления экспериментальных данных. В ряде случаев поставлены вопросы для более полного осмысления результатов эксперимента.

Настоящее руководство предназначено для быстрого освоения комплекта преподавателями кафедр и разработки ими необходимых материалов для проведения лабораторного практикума в соответствии с рабочими планами и традициями кафедр. На первом этапе внедрения рассматриваемых комплектов типового лабораторного оборудования в учебный процесс данное руководство или его отдельные фрагменты могут непосредственно использоваться студентами при выполнении лабораторных работ.

Условные обозначения основных элементов электрических цепей приведены в табл. В.1. В табл. В.2 представлены базовые электрические величины и их единицы измерения.

Таблица В.1

Наименование элемента	Условное обозначение	Наименование элемента	Условное обозначение
Источники электрической энергии:   источник напряжения (ЭДС) постоянного тока (идеальный)   источник постоянного тока (идеальный)   гальванический элемент или аккумулятор     источник напряжения (ЭДС) синусоидального тока		Проводники электрической цепи:   одиночный   пересекающиеся, несоединенные   пересекающиеся, соединенные
Резисторы:   Постоянный линейный   Переменный линейный   Нелинейный		Выключатели:   однополюсные   двухполюсные
Индуктивности: Линейная   С разомкнутым магнитопроводом   С магнитопроводом		Конденсаторы Общее обозначение   Полярный (электролитический) Нелинейный
Трансформатор		Диоды и тиристоры: Выпрямительный диод   Стабилитрон   Диодный тиристор   Триодный тиристор
Транзисторы: Биполярный     Униполярный (полевой)
Лампы накаливания:   осветительная   сигнальная		Измерительные приборы:   амперметр   вольтметр   ваттметр

Таблица В.2

1. Описание комплекта типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники»

Общие сведения

Компоновка оборудования

Общая компоновка типового комплекта оборудования в стендовом исполнении показано на рис. 1.1. На лабораторном столе закреплена рама, в которой устанавливаются отдельные блоки. Расположение блоков жёстко не фиксировано. Оно может изменяться для удобства проведения того или иного конкретного эксперимента. Наборная панель, на которой собирается электрическая цепь из миниблоков может устанавливаться и непосредственно на столе.

Рис.1.1

В выдвижных ящиках хранятся наборы миниблоков и устройств, соединительные провода, перемычки и кабели, методические материалы. Один из наборов миниблоков показан на рис. 1.1 на столе. Ящики имеют встроенные замки.

Блок генераторов напряжений

Лицевая панель блока генераторов напряжений показана на рис. 1.2. Генератор состоит из источника синусоидальных напряжений, генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напряжений.

Все генераторы включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ» и защищены от внутренних коротких замыканий плавким предохранителем с номинальным током 2 А

.

Рис.1.2

На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника напряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напряжений гальванически изолированы друг от друга и от корпуса блока и защищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохранителями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >».

Генератор синусоидальных напряжений содержит однофазный источник напряжения 24 В (вторичная обмотка питающего трансформатора 220/24 В) и трёхфазный стабилизированный по амплитуде выходного напряжения преобразователь однофазного напряжения в трёхфазное. Выходное сопротивление трёхфазного источника в рабочем диапазоне токов близко к нулю.

Генератор напряжений специальной формы вырабатывает на выходе синусоидальный, прямоугольный двухполярный или прямоугольный однополярный сигнал в зависимости от положения переключателя «ФОРМА». Выходное сопротивление генератора в рабочем диапазоне токов также близко к нулю. Между гнездами «СИНХР» и «0 В» генератора при любом положении переключателя «ФОРМА» вырабатываются однополярные прямоугольные импульсы амплитудой 5 В, которые можно использовать для внешней синхронизации осциллографа. Частота сигнала регулируется десятиоборотным потенциометром «ЧАСТОТА» и не зависит как от формы и амплитуды сигнала, так и от тока нагрузки.

Генератор постоянных напряжений содержит три источника стабилизированного напряжения 15 В, гальванически изолированных друг от друга. Выходное напряжение одного из этих источников регулируется от 0 до 15 В десятиоборотным потенциометром. Выходные сопротивления этих источников также близки к нулю и все они допускают режим работы с обратным током (режим потребления энергии). Для получения постоянных напряжений больше 15 В они могут соединяться последовательно. Для исключения источников из собранной схемы цепи используются переключатели (тумблеры).

Наборная панель

Набор трансформаторов

Набор трансформаторов включает в себя четыре разборных трансформатора, выполненных на разъёмных U-образных сердечниках из электротехнической стали с толщиной листа 0,08 мм. Сечение сердечника 16´12 мм. На трёх трансформаторах установлены катушки 900/300 витков, на четвёртом 100/100 витков, однако, они легко переставляются. Номинальные параметры трансформаторов при частоте 50 Гц приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Блок мультиметров

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.4. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.

Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:

· Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы

· Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключатель пределов измерения на наибольшую величину.

· Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от проверяемой цепи.

· Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.

· Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.

· Будьте внимательны при измерении тока мультиметрами МY62 и МY64. Предохранитель 0,2 А этих мультиметов может перегореть от источников напряжения имеющихся в данном стенде. Мультиметр МY60 защищён предохранителем 2 А, который не может перегореть от токов, создаваемых источниками данного стенда.

Рис. 1.4

До подключения мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции:

· выбор измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или W;

· выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений;

· правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи.

Присоединение мультиметра как вольтметра, амперметра и омметра показано на рис. 1.5.

Рис. 1.5

Ваттметр

Ваттметр входит только в ручной вариант комплекта. Общий вид ваттметра изображён на рис. 1.6.

Его принцип действия основан на перемножении мгновенных значений тока и напряжения и отображении среднего значения этого произведения на дисплее прибора в цифровом виде.

Прибор включается в цепь согласно приведённой на лицевой панели схеме. Для измерения активной мощности, гнёзда, помеченные символом «·», должны быть соединены перемычкой. После сборки схемы необходимо включить выключатель «Сеть» и установить необходимые пределы измерения по току и по напряжению тумблерами. Если выбран заниженный предел измерения, то включается сигнализация перегрузки I > или (и) U >. Если, наоборот, предел завышен, то включается сигнализация I < или (и) U <. Справа от окошка цифровых индикаторов включаются автоматически светодиоды сигнализации размерности Вт или мВт.

Набор миниблоков по теории электромагнитного поля

Набор планшетов для моделирования электрических и магнитных полей

Набор устройств для моделирования поверхностного эффекта и эффекта близости

Коннектор

Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами

Виртуальный осциллограф

Виртуальный псевдоаналоговый прибор

Экспериментальная часть

Задание

В простейшей электрической цепи, изображённой на рис.1.1ё, произведите измерения напряжения, токов, сопротивлений и мощности.

Рис. 1.21

Порядок выполнения эксперимента

Выпрямительные диоды

Эффект p-n перехода в диодах

Общие сведения

Двухэлектродный полупроводниковый элемент - диод содержит n- и p -проводящий слои (рис. 1.1.1). В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в p-проводящем слое - дырки. Существующий между этими слоями p-nпереход имеет внутренний потенциальный барьер, препятствующий соединению свободных носителей заряда. Таким образом, диод блокирован.

Экспериментальная часть

Задание

Снять вольтамперную характеристику полупроводникового диода в прямом и обратном направлениях.

Порядок выполнения эксперимента

Полупроводниковый однополупериодный выпрямитель

Общие сведения

В цепи с полупроводниковым диодом (рис. 1.2.1) установившийся ток может протекать только при определенной полярности приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения диод запирается и ток прекращается. В цепи переменного (синусоидального) напряжения ток протекает только в течение той полуволны, когда диод открыт. Полуволна другой полярности подавляется. В результате в цепи имеет место ток одного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке.

Рис. 1.2.1

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:

• u_ВХ, U_ВХ —мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;
• u_d, U_d, U_dmax, U_dmin —мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного (выпрямленного) напряжения;
• f_п —частота пульсаций выходного напряжения;
• m = f_пульс / f_вх —число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;
• — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать выпрямительное действие полупроводникового диода в составе однополупериодного выпрямителя, используя виртуалные приборы (либо мультиметры и осциллограф в варианте стенда без компьютера).

Порядок выполнения эксперимента

Полупроводниковый мостовой выпрямитель

Общие сведения

Однополупериодный выпрямитель использует только одну полуволну переменного напряжения. Как следствие, постоянное напряжение низкое по величине и имеет значительные пульсации.

Этого недостатка удается избежать в случае мостового выпрямителя со схемой (рис. 1.3.1). Здесь полуволны противоположной полярности суммируются, и среднее значение выпрямленного напряжения увеличивается в два раза.

Рис. 1.3.1.

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать свойства мостового выпрямителя с помощью осциллографа и мультиметра, либо с помощью виртуальных приборов.

Порядок выполнения эксперимента

Общие сведения

Потребители большой мощности питаются выпрямленным трехфазным переменным током. Несколько большая в сравнении с однофазным выпрямителем стоимость трехфазного выпрямителя многократно окупается за счет более простого сглаживания выходного напряжения.

В описанных ниже экспериментах используется источник трехфазного переменного напряжения.

Экспериментальная часть

Задание

Выпрямить выходное напряжение трехфазного источника посредством сначала трехфазного выпрямителя с нулевым выводом, а затем трехфазного мостового выпрямителя (так называемая схема Ларионова). Измерить и исследовать параметры обоих выпрямителей и сравнить с параметрами однофазных выпрямителей.

Порядок выполнения эксперимента

Стабилитроны (диоды Зенера)

Характеристики стабилитрона

Общие сведения

Стабилитрон представляет собой кремниевый диод, характеристика которого в открытом состоянии такая же, как у выпрямительного диода. Отличие стабилитрона - в относительно низком напряжении пробоя при обратном напряжении. Когда это напряжение превышено, ток обратного направления возрастает скачком (эффект Зенера). В выпрямительных диодах такой режим является аварийным, а стабилитроны нормально работают при обратном токе, не превышающем максимально допустимого значения.

Чтобы избежать перегрузки, последовательно со стабилитроном включают балластный резистор. Величина его вычисляется следующим образом:

R_БАЛ = (U_РАБ - U_СТ) ¤ (I_СТ + I_НАГР),

гдеU_РАБ - приложенное рабочее напряжение,

U_СТ - напряжение стабилизации стабилитрона испытываемого типа,

I_СТ - допустимый ток стабилизации,

I_Н - ток в резисторе нагрузки R_Н, включенном параллельно стабилитрону.

Свойства стабилитронов делают их пригодными для стабилизации и ограничения напряжений.

Экспериментальная часть

Задание

Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику и определить напряжение U_СТ стабилитрона. Работа может быть выполнена как с помощью электронного, так и виртуального осциллографа.

Порядок выполнения эксперимента

Исследование параметрического стабилизатора напряжения

Общие сведения

Наличие почти горизонтального участка на вольтамперной характеристике стабилитрона делает его пригодным для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке. Для этого нагрузку включают параллельно стабилитрону и подсоединяют к источнику через балластный резистор.

Экспериментальная часть

Задание 1

Исследовать зависимость выходного напряжения и тока стабилитрона от входного напряжения в цепи параметрического стабилизатора напряжения.

Порядок выполнения эксперимента

Задание 2

Исследовать влияние тока нагрузки I_Н на величину тока стабилитрона.

Порядок выполнения эксперимента

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения

Общие сведения

Стабилитроны позволяют стабилизировать напряжение не только при медленных его изменениях, но и при пульсациях после выпрямления и предварительного сглаживания.

Экспериментальная часть

Задание

Изучить стабилизирующее действие диода Зенера в случае выпрямленного напряжения с заметными пульсациями.

Порядок выполнения эксперимента

Диоды с особыми свойствами

Светодиоды

Общие сведения

В случаях, когда полупроводниковые диоды выполнены из таких материалов как арсенид галлия или фосфид галлия, часть подводимой к ним электрической энергии преобразуется не в тепло, как в других полупроводниках, а в световые потоки с намного более короткой длиной волны. Цвет излучения определяется выбором соответствующего материала и присадками. Цвет может быть инфракрасным, красным, желтым, оранжевым, зеленым или даже голубым.

Экспериментальная часть

Задание 1

Снять вольтамперную характеристику светодиода посредством осциллографа.

Порядок выполнения эксперимента

• Подведите одно из линейных напряжений 12 В, 50 Гц трехфазного источника к цепи (рис. 3.1.1) и заосциллографируйте зависимость напряжения от тока. На схеме А1 и V1 – входы коннектора. Для получения на виртуальном осциллографе зависимости напряжения от тока включите режим X-Y переключателем «XY-развертка».

Рис. 3.1.1

• Перенесите осциллограмму на график (рис. 3.1.2).

Рис. 3.1.2

Задание 2

Изучить влияние напряжения U_СД, тока I_СД светодиода и его полярности на световую эмиссию.

Порядок выполнения эксперимента

Диоды с переменной емкостью (варикапы)

Общие сведения

p-n переход запертого кремниевого диода ведет себя как изолятор и, таким образом, подобен диэлектрику конденсатора. Приложенное обратное напряжение влияет на толщинуp-n перехода и, соответственно, на емкость.

Экспериментальная часть

Задание 1

Снять с помощью осциллографа вольтамперную характеристику варикапа.

Порядок выполнения эксперимента

• Приложите синусоидальное напряжение 12 В, 50 Гц (одно из линейных напряжений трехфазного источника) к цепи (рис. 3.2.1) и снимите осциллограмму зависимости напряжения от тока. На схеме А1 и V1 – входы коннектора. Для получения на виртуальном осциллографе зависимости напряжения от тока включите режим X-Y переключателем «XY-развертка».

Рис. 3.2.1

• Перенесите осциллограмму на график (рис. 3.2.2).

Рис. 3.2.2

Задание 2

В параллельном резонансном контуре изучить зависимость резонансной частоты от обратного напряжения варикапа и влияние этого напряжения на емкость обедненного (запирающего) слоя.

Порядок выполнения эксперимента

Биполярные транзисторы

Испытание слоев и выпрямительного действия биполярных транзисторов

Общие сведения

Транзистор (рис. 4.1.1) представляет собой полупроводниковый триод, у которого тонкий р-проводящий слой помещен между двумя n-проводящими слоями (n-p-nтранзистор) или n-проводящий слой помещен между двумяр-проводящими слоями (p-n-pтранзистор).

p-nпереходы между средним слоем (база) и двумя крайними слоями (эмиттер и коллектор) обладают выпрямительным свойством, которое можно исследовать как в случае любого выпрямительного диода.

Рис. 4.1.1

Экспериментальная часть

Задание

Снять вольтамперные характеристики эмиттерного и коллекторного p-nпереходов транзисторов типа p-n-p и типа n-p-nв прямом направлении. Убедитесь, что в обратном направлении токи через эти p-nпереходы ничтожно малы.

Порядок выполнения эксперимента

Распределение тока в транзисторе и управляющий эффект тока базы

Общие сведения

В транзисторе p-n-p типа (рис. 4.2.1) ток эмиттера к коллектору через базу обусловлен неосновными для базы носителями заряда – дырками. При положительном направлении напряжения U_ЭБ эмиттерный p-n переход открывается, и дырки из эмиттера проникают в область базы. Часть из них уходит к источнику напряжения U_ЭБ, а другая часть достигает коллектора. Возникает так называемый транзитный тока от эмиттера к коллектору. Он резко возрастает с увеличением U_ЭБ и тока базы.

В транзисторе n-p-n типа (рис. 4.2.1б) транзитный ток через базу обусловлен также неосновными для нее носителями заряда – электронами. Там они появляются из эмиттера, если к эмиттерному p-n переходу прикладывается напряжение U_БЭ, полярность которого показана на рис. 4.2.1б.

Рис. 4.2.1

Токи эмиттера, коллектора и базы связаны между собой уравнением первого закона Кирхгофа:

I_К = I_Э – I_Б.

Обычно ток базы существенно меньше I_К иI_Э, но от него сильно зависит как I_К, так и I_Э. Отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы называется коэффициентом усиления по току:

b = DI_К ¤ DI_Б.

Он может иметь значения от нескольких десятков до нескольких сотен. Поэтому с помощью сравнительно малого тока базы можно регулировать относительно большие токи коллектора (и эмиттера).

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать влияние тока базы на вольтамперную характеристику I_К(U_ЭK) для n-p-n транзистора с помощью осциллографа.

Порядок выполнения эксперимента

Характеристики транзистора

Общие сведения

Свойства транзисторов описываются следующими четырьмя семействами характеристик.

Входная характеристикапоказывает зависимость тока базы I_Б от напряжения в цепи база/эмиттер U_БЭ (при U_КЭ = const).

Выходная характеристикапоказывает зависимость тока коллектора I_К от напряжения цепи коллектор/эмиттер U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы.

Характеристика управленияпредставляет собой зависимость тока коллектора I_К от тока базыI_Б (при U_КЭ = const).

Характеристика обратной связиесть зависимость напряжения цепи база ¤ эмиттер U_БЭ, соответствующего различным неизменным значениям тока базы, от напряжения цепи коллектор/эмиттер U_КЭ при различных фиксированных значениях тока базы.

Экспериментальная часть

Задание

Снять экспериментально и построить графики четырех семейств характеристик биполярного транзистора n-p-n типа.

Порядок выполнения экспериментов

Установка рабочей точки транзистора и исследование влияния резистора в цепи коллектора на коэффициент усиления по напряжению усилительного каскада с общим эмиттером

Общие сведения

Изменение тока коллектора I_К транзистора, вызванное изменением тока базыI_Б, приводит к изменению падения напряжения на последовательно включенном резисторе R_Ки изменению напряжения U_КЭ на транзисторе. В свою очередь изменение тока коллектора вызывается изменением напряжения в цепи база/эмиттер U_БЭ. Отношение этих напряжений есть коэффициент усиления транзистора по напряжению:

n_U = DU_КЭ ¤ DU_БЭ.

Поскольку изменение напряжения цепи коллектор ¤ эмиттер U_КЭ зависит от резистора R_К, этот резистор также влияет на усиление по напряжению.

Экспериментальная часть

Задание

Экспериментально исследовать влияние сопротивления в цепи коллектора на коэффициент усиления по напряжению.

Порядок выполнения эксперимента

Усилители на биполярных транзисторах

Общие сведения

Транзисторы используются как управляющие элементы в усилительных цепях. По названию того электрода транзистора, который используется как общая точка для напряжений входного и выходного сигналов, различают три основные схемы усилителей на биполярных транзисторах:

• с общим эмиттером (ОЭ),
• с общим коллектором (ОК),
• с общей базой (ОБ).

В наиболее распространенных схемах усилителей используются n-p-nтранзисторы. Однако p-n-pтранзисторы также можно использовать, но тогда нужно изменить полярность рабочего напряжения.

Экспериментальная часть

Задание

Выполнить измерения и определить следующие электрические показатели основных схем усилителей:

• коэффициент усиления по напряжению n_U,
• угол фазового сдвига j,
• входное сопротивление R_ВХ,
• выходное сопротивлениеR_ВЫХ.

Усилители используются для усиления напряжения переменного тока. Конденсаторы С₁, С₂ установлены для развязывания рабочего и управляющего напряжений, делитель напряжения 100 кОм/100 Ом – для удобства регулирования и измерения малых значений входного напряжения.

Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь усилителя по схеме с общим эмиттером (рис. 4.5.1) и установите частоту синусоидального напряжения f = 1 кГц и действующее значение напряжения 2 В. Для производства измерений включите виртуальные приборы и осциллограф.

Примечание: К выходу источника переменного тока подключен делитель напряжения (1 кОм/100 Ом), чтобы обеспечить более точную регулировку и измерение входного напряжения. Это означает, что при напряжении источника U= 2 В на входе усилителя будет напряжение U_ВЫХ = 0,2 В.

• Перерисуйте осциллограммы входного и выходного напряжений на рис. 4.5.2 и укажите масштабы по осям.

Рис. 4.5.1

Рис. 4.5.2

• Измерьте входное и выходное напряжения, определите угол фазового сдвига этих напряжений jи вычислите коэффициент усиления по напряжению, используя следующее соотношение:

n_U = U_ВЫХ ¤ U_ВХ .

Результаты этих и последующих измерений и вычислений занесите в табл. 4.5.1.

• Далее определите входное сопротивление усилителя R_ВХ. Для этого включите последовательно во входную цепь усилителя (точка А) резистор R_ДОБ = 1 кОм. Это вызовет снижение выходного напряженияU_ВЫХ усилителя от U₁ до U₂. Тогда входное сопротивление R_ВХ можно рассчитать следующим образом:

R_ВХ = R_ДОБ / (U₁ ¤ U₂ — 1).

• Теперь определите выходное сопротивление R_ВЫХ. Для этого включите нагрузочный резистор R_Н = 1 кОм параллельно выходу усилителя (точки С -0). Это также вызовет снижение выходного напряжения усилителя от U₁ до U₂. Выходное сопротивление можно вычислить, используя соотношение:

R_ВЫХ = R_Н (U₁ ¤ U₂ - 1).

• Соберите цепь усилителя по схеме с общим коллектором (рис. 4.5.3). Конденсатор С₃ в схеме служит для подавления высокочастотных помех. Повторите описанные выше измерения, постройте кривые на графике (рис.4.5.4) и занесите результаты измерений в табл. 4.5.2. При этом R_ДОБ = 10 кОм, а R_Н = 100 Ом.

Рис. 4.5.3

Рис. 4.5.4

• Наконец, соберите цепь усилителя по схеме с общей базой (рис. 4.5.5). Соблюдайте полярность подключения электролитического конденсатора 10 мкФ.

Повторите измерения, постройте кривые на графике (рис. 4.5.6) и занесите результаты в табл. 4.5.1 (при этом R_ДОБ = 220 Ом, а R_Н = 1 кОм).

Рис. 4.5.5

Рис. 4.5.6

Таблица 4.5.1

Вопрос 1:Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?

Ответ:...............................

Вопрос 2:В каких задачах свойства усилителя с общим коллектором имеют особое применение?

Ответ:...............................

Вопрос 3:В каких отношениях усилитель с общей базой отличается от усилителя с общим эмиттером?

Ответ:...............................

Регулятор напряжения (линейный)

Общие сведения

Поскольку ток коллектора зависит от разности потенциалов между базой и эмиттером, транзистор может служить как электронный регулятор. Как известно, регулятор формирует управляющий сигнал как разность между постоянной величиной задаваемого параметра (уставка) и текущей величиной регулируемого параметра. Управляющий сигнал воздействует на исполнительный элемент таким образом, что отклонение регулируемого параметра от величины уставки устраняется.

В качестве уставки обычно используется постоянное напряжение стабилитрона или операционного усилителя в режиме компаратора.

В настоящее время широко применяются интегральные схемы для стабилизации напряжения.

Экспериментальная часть

Задание

Изучить выходное напряжение регулятора напряжения как функцию входного напряжения.

Порядок выполнения эксперимента

Рис. 4.6.1

• На графике (рис. 4.6.2) постройте кривую зависимости выходного напряжения от напряжения на входе регулятора U_ВЫХ = f(U_ВХ).

Рис. 4.6.2

Вопрос 1:Какой элемент цепи (рис. 4.6.1) можно использовать для задания максимального выходного напряжения?

Ответ:..............................

Вопрос 2:Из каких компонентов состоит линейный регулятор напряжения?

Ответ:...............................

Регулятор тока

Общие сведения

Регулятор тока также формирует управляющий сигнал как разность между постоянной величиной задаваемого параметра (уставка) и текущей величиной регулируемого параметра. Он воздействует на исполнительный элемент таким образом, что отклонение регулируемого параметра от величины уставки устраняется.

В электронных регуляторах тока в качестве уставки также используется постоянное напряжение стабилитрона, которое сравнивается с зависящим от выходного тока падением напряжения на резисторе. В рассматриваемой ниже цепи сравнение имеет место непосредственно между базой и эмиттером регулирующего транзистора. Одно из применений стабилизаторов тока - в зарядных устройствах аккумуляторов.

Экспериментальная часть

Задание

Изучить выходные напряжение и ток регулятора тока в зависимости от входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь стабилизатора тока согласно схеме (рис. 4.7.1). В этой схеме уставка тока регулируется потенциометром 1 кОм, а резистор 220 Ом служит для ограничения максимального тока. Конденсатор 0,01 мкФ включён для подавления самовозбуждения тразисторного эмитерного повторителя. Вместо сопротивления нагрузки вставьте сначала перемычку (R=0).

Рис. 4.7.1

• Регулятором источника питания установите на входе цепи максимальное напряжение 30 В, а потенциометром – желаемую уставку тока (примерно от 10 до 40 мА).
• Затем изменяйте ступенями, как указано в табл. 4.7.1, сопротивление нагрузки R_Н и записывайте значения тока нагрузки I_Н.
• Теперь снова замкните накоротко резистор нагрузки и уменьшайте входное напряжение ступенями от 30 В до 0. Снова записывайте соответствующие значения тока нагрузки в табл. 4.7.2.

Таблица 4.7.1

Таблица 4.7.2

• На рис. 4.7.2 постройте кривые зависимостей выходного тока от сопротивления нагрузки I_Н = f(R_Н),.а на рис.4.7.2 – от напряжения на входе регулятора. Не забудьте нанести шкалы по осям!.

Рис. 4.7.2

Рис. 4.7.3

Вопрос :Как можно объяснить термин «стабилизация тока»?

Ответ:..............................

Униполярные (полевые) транзисторы

Испытание слоев и выпрямительного действия униполярных транзисторов

Общие сведения

В полевых транзисторах (рис. 5.1.1) ток обеспечивается носителями заряда одного знака (электронами или дырками) и протекает по каналу под воздействием прикладываемого извне электрического поля (отсюда название транзисторов этого типа). Электроды канала принято называть истоком и стоком. Управление током транзистора осуществляется посредством электрода, называемого затвором, который изолирован от канала p-nпереходом или по-иному.

Рис. 5.1.1

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать свойства p-nпереходов между электродами затвора и главными электродами (истоком и стоком) полевого транзистора с каналом n-типа.

Порядок выполнения эксперимента

Характеристика включения затвора полевого транзистора

Общие сведения

Переход между затвором и каналом полевого транзистора обладает выпрямительным действием. Хотя это и не имеет практического значения, его характеристику включения следует знать, чтобы понимать особенности управления полевыми транзисторами.

Экспериментальная часть

Задание

Измерить и изучить характеристику включения p-nперехода между затвором и каналом полевого транзистора. Этот опыт нужно выполнить только для транзистора n-типа. Результаты справедливы также для транзисторов p -типа с учетом изменения полярности.

Порядок выполнения эксперимента

Управляющий эффект затвора полевого транзистора n-типа

Общие сведения

Током в канале (контур исток / сток) полевого транзистора можно управлять с помощью потенциала затвора. В отличие от биполярных транзисторов для этого не требуется мощности, так как p-nпереход между затвором и каналом остается запертым.

Входная характеристика или характеристика управления полевого транзистора выражает соотношение между напряжением затвор ¤исток U_ЗИ и током стока I_С.

Зависимость I_С(U_ЗИ) называется стоко-затворной характеристикой.

Важными параметрами полевого транзистора являются крутизна стоко-затворной характеристики:

S = DI_С ¤ DU_ЗИ,

и напряжение отсечки U_ЗИО, при котором ток стока становится близким к нулю.

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать экспериментально влияние напряжения затвор ¤исток на токи затвора и стока. Построить характеристики управления I_С = f(U_ЗИ)и I_З = f(U_ЗИ).

Порядок выполнения эксперимента

Выходные характеристики полевого транзистора

Общие сведения

Выходными характеристиками полевого транзистора называют зависимости тока стока от напряжения сток / исток при различных фиксированных значениях напряжения затвор ¤исток.

Выходные характеристики снимают без нагрузочного сопротивления в статике.

Экспериментальная часть

Задание 1

Построить в статике зависимость тока стока от напряжения сток / исток I_С = f(U_СИ)при различных значениях напряжения затвор /исток.

Порядок выполнения эксперимента

Задание 2

Изучить влияние нагрузочного сопротивления на коэффициент усиления напряжения.

Порядок выполнения эксперимента

Усилители на полевых транзисторах

Общие сведения

Полевые транзисторы могут быть использованы как управляющие элементы в различных усилительных цепях. По названию того электрода транзистора, который используется как общая точка для напряжений входного и выходного сигналов, различают три основные схемы усилителей на полевых транзисторах:

• с общим истоком (ОИ),
• с общим стоком (ОС)и
• с общим затвором (ОЗ).

Экспериментальная часть

Задание

Выполнить измерения и определить следующие электрические показатели основных схем усилителей:

• коэффициент усиления по напряжению n_U,
• угол фазового сдвига j,
• входное сопротивление R_ВХ,
• выходное сопротивлениеR_ВЫХ.

Усилители используются для усиления напряжения переменного тока. Конденсаторы С₁, С₂ установлены для развязывания рабочего и управляющего напряжений.

Порядок выполнения эксперимента

· Соберите цепь усилителя по схеме с общим истоком (рис. 5.5.1). При этом не перепутайте полярность подключения электролитического конденсатора С₃, который служит для исключения отрицательной обратной связи для переменного напряжения.

Рис. 5.5.1

· Установите частоту синусоидального напряжения 1 кГц и действующее значение 200…300 мВ.

· Используя потенциометр R_П, настройте рабочую точку транзистора так, чтобы напряжение на выходе усилителя было наименее искаженным.

• Измерьте входноеU_ВХ и выходноеU_ВЫХ напряжения, используя виртуальные приборы и осциллограф, и постройте их кривые на графике (рис. 5.5.2). Определите угол фазового сдвига этих напряжений jи вычислите коэффициент усиления по напряжению, используя следующее соотношение:

n_U = U_ВЫХ ¤ U_ВХ.

Рис. 5.5.2

• Далее определите входное сопротивление усилителя R_ВХ. Для этого включите последовательно во входную цепь усилителя (точка А) резистор R_ДОБ = 10 кОм. Это вызовет снижение выходного напряжения усилителя от U₁ до U₂. Тогда входное сопротивление R_ВХ можно рассчитать следующим образом:

R_ВХ = R_ДОБ / (U₁ ¤ U₂ - 1).

• Теперь определите выходное сопротивление R_ВЫХ. Для этого включите нагрузочный резистор R_Н = 10 кОм параллельно выходу усилителя (точки С - 0). Это также вызовет снижение выходного напряжения усилителя от U₁ до U₂. Выходное сопротивление можно вычислить, используя соотношение:

R_ВЫХ = R_Н (U₁ ¤ U₂ - 1).

• Занесите результаты в табл.5.5.1.
• Соберите цепь усилителя по схеме с общим стоком (рис. 5.5.3). Установите действующее значение напряжения на входе 2…3 В и потенциометром R_П настройте рабочую точку транзистора по условию минимального искажения сигнала.

Повторите описанные выше измерения, постройте кривые на графике (рис. 5.5.4) и занесите результаты измерений в табл. 5.5.1. При этом R_ДОБ = 47 кОм, а R_Н = 10 кОм.

Рис. 5.5.3

Рис. 5.5.4

• Наконец, соберите цепь усилителя по схеме с общим затвором (рис. 5.5.5). Отрегулируйте входное напряжение так, чтобы на входе усилителя было U_ВЫХ = 2…3 В, а потенциометром R_П добейтесь минимальных искажений этого напряжения. Повторите измерения, постройте кривые на графике (рис. 5.5.6) и занесите результаты в табл. 5.5.1. При этом R_ДОБ = 1 кОм, а R_Н = 47 кОм.

Рис. 5.5.5

Рис. 5.5.6

Таблица 5.5.1

Вопрос 1:Какой из трех усилителей имеет инвертирующий эффект?

Ответ:...............................

Вопрос 2:Почему усилитель с общим стоком не имеет такой же значимости, что иусилитель с общим коллектором на биполярном транзисторе?

Ответ:...............................

Вопрос 3:В каких отношениях усилитель с общим затвором отличается от усилителя с общим истоком?

Ответ:...............................

Тиристоры

Диодный тиристор (симистор)

Общие сведения

Диодные тиристоры, именуемые также динисторами изменяют свое состояние в зависимости от приложенного напряжения и протекающего тока. При некотором граничном напряжении (напряжении отпирания) динистор переходит от состояния с высоким сопротивлением к состоянию с низким сопротивлением. Он сохраняет состояние низкого сопротивления до тех пор, пока ток в нем не упадет ниже величины тока удержания. Так называемый симистор (рис. 6.1.1)призван выполнять функции двух динисторов, включенных встречно-параллельно.Изменение состояния симистора происходит при обеих полярностях приложенного напряжения, обеспечивая прохождение тока в обоих направлениях. Симисторы и динисторы используются главным образом для включения триодных тиристоров, выпускаемых на большие токи и напряжения.

Экспериментальная часть

Задание 1

Снять статическую характеристику динистора.

Порядок выполнения эксперимента

Задание 2

Снять начальный участок динамической характеристики динистора с помощью осциллографа.

Порядок выполнения эксперимента

Триодный тиристор

Общие сведения

Триодные тиристоры, обычно называемые просто тиристорами (рис.6.2.1), имеют четыре слоя p-n-p-n один из которых соединен с внешним управляющим электродом (УЭ). Это позволяет приводить цепь катод (К) / анод (А) тиристора в отпертое состояние.

Рис. 6.2.1

Тиристор может быть также переведен в открытое состояние катодно-анодным напряжением. Однако этого способа, если возможно, следует избегать, чтобы не разрушить тиристор.

Будучи отпертым, тиристор сохраняет проводящее состояние, даже когда напряжение на управляющем электроде выключается. Цепь катод ¤ анод возвращается к запертому состоянию, когда анодный ток уменьшается ниже минимальной величины (ток удержания I_УД).

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать влияние напряжения цепи управляющий электрод / катод тиристора на ток управления и анодный ток. Дополнительно изучите процесс запирания тиристора.

Порядок выполнения эксперимента

Фазовое управление тиристора

Общие сведения

При фазовом способе управления на управляющий электрод тиристора подаются короткие импульсы напряжения, отпирающие тиристор в определенной точке полуволны приложенного напряжения. Запирается тиристор автоматически в момент перехода тока через ноль. Изменение точки (фазового угла) отпирания приводит к изменению среднего за полупериод значения тока нагрузки (рис. 6.3.1).

Рис. 6.3.1

В данной работе исследуется тиристорный регулятор выпрямления тока. Последовательно с нагрузкой, состоящей из лампы накаливания EL и добавочного резистора R₁, включен тиристор V₁, управляемый от генератора импульсов.

Генератор импульсов выполнен на однопереходном транзисторе VT. При подаче полуволны напряжения на анод запертого тиристора конденсатор C заряжается через сопротивления R₂, R_П и R₃. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения 0,7…0,8 U_СТ, транзистор открывается и конденсатор разряжается по цепи эмиттер – база – управляющий электрод – катод тиристора. Тиристор отпирается, создает цепь для протекания тока через нагрузку и одновременно шунтирует генератор импульсов. Скорость заряда конденсатора и, следовательно, задержка подачи отпирающего импульса по отношению к моменту подачи положительного напряжения на анод тиристора регулируется потенциометром R_П.

Экспериментальная часть

Задание

Произвести измерения и изучить свойства тиристора как управляемого выпрямителя с однопереходным транзистором в цепи управления.

Порядок выполнения эксперимента

Логические элементы

Введение

Логические (двоичные) элементы служат для выполнения различных логических операций над цифровыми сигналами при двоичном способе их представления. Существенная особенность двоичных цепей в том, что в них рассматриваются не столько величины напряжений, сколько двоичные сигналы. Соответствие между напряжениями и двоичными сигналами устанавливается произвольно. Чаще всего используются дискретные сигналы, нулевому значению которых соответствует уровень низкого электрического потенциала, а единичному значению - уровень высокого потенциала (положительного или отрицательного). Возможны и другие соответствия.

Свойства логических элементов подчиняются правилам Булевой алгебры. Это означает, в частности, что входные переменные логических элементов следует обозначать строчными, а выходные переменные - прописными буквами.

Основные Булевы (логические) функции следующие:

1. ФункцияAND (И) - конъюнкция (логическое умножение).

2. ФункцияOR(ИЛИ) - дизъюнкция (логическое сложение).

3. ФункцияNOT(НЕ) - инверсия (логическое отрицание).

Дополнительно существуют такие комбинации как:

функция NOT AND (И - НЕ),

функция NOT OR (ИЛИ - НЕ) и др.

Логический элемент AND (И)

Общие сведения

Элемент Иимеет несколько входов и один выход. Выход приобретает значение 1 только тогда, когда все входы данного логического элемента имеют значение 1. Его условное обозначение показано на рис. 7.1.1а.

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать свойства элемента Ис тремя входами со следующим соответствием сигналов

0 В є сигнал 0 є уровень низкого потенциала,

+15 В є сигнал 1 є уровень высокого потенциала.

Порядок выполнения эксперимента

Логический элемент OR (ИЛИ)

Общие сведения

Элемент ИЛИимеет несколько входов и один выход. Выход приобретает значение 1, когда хотя бы один вход данного логического элемента имеет значение 1. Его условное обозначение показано на рис. 7.2.1а.

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать свойства элемента ИЛИс тремя входами со следующим соответствием сигналов

0 В є сигнал 0 є уровень низкого потенциала,

+15 В є сигнал 1 є уровень высокого потенциала.

Порядок выполнения эксперимента

Логический элемент NOT (НЕ)

Общие сведения

Логические элементы НЕ отрицают входной сигнал, т.е. они преобразуют сигналы 1 в сигналы 0 и наоборот. Они всегда имеют по одному входу и одному выходу. Используются наряду с другими элементами в цифровых инверторах и логических устройствах. Условное обозначение элемента НЕ показано на рис. 7.3.1а.

Экспериментальная часть

Задание

Проведя необходимые измерения, исследовать свойства элемента НЕ.

Порядок выполнения эксперимента

• Соберите цепь согласно схеме (рис. 7.3.1). Подайте на вход сначала 0 В (сигнал 0), а затем +15 В (сигнал 1). Занесите соответствующие значения выходного сигнала (1/0) в табл. 7.3.1.

Рис. 7.3.1

Таблица 7.3.1

Вопрос 1:Какова формула операции элемента НЕ?

Ответ:............................

Логический элемент NOT AND (И - НЕ)

Общие сведения

Элемент И - НЕсостоит из элементаИ, сопровождаемого элементомНЕ.Элементы И - НЕпредпочтительны для использования в цифровых цепях, так как все основные цепи (И, ИЛИ и НЕ) можно смоделировать с помощью этого элемента. Условное обозначение элемента И - НЕи его функциональный эквивалент показаны на рис. 7.4.1а и 7.4.1б.

Экспериментальная часть

Задание

Производя измерения, исследовать свойства элемента И - НЕс тремя входами со следующим соответствием сигналов

0 В є сигнал 0 є уровень низкого потенциала,

+15 В є сигнал 1 є уровень высокого потенциала.

Порядок выполнения эксперимента

Логический элемент NOT OR (ИЛИ - НЕ)

Общие сведения

Элемент ИЛИ - НЕсостоит из элемента ИЛИ, сопровождаемого элементом НЕ. Как и элемент И - НЕ,элементИЛИ - НЕпредпочтителен к использованию в цифровых цепях, поскольку с его помощью можно строить основные элементы И, ИЛИи НЕ. Условное обозначение элемента ИЛИ - НЕ и его функциональный эквивалент показаны на рис. 7.5.1а и 7.5.1б.

Экспериментальная часть

Задание

Производя измерения, исследовать свойства элемента ИЛИ - НЕс тремя входами со следующим соответствием сигналов

0 В є сигнал 0 є уровень низкого потенциала,

+15 В є сигнал 1 є уровень высокого потенциала.

Порядок выполнения эксперимента

Операционные усилители

Введение

Операционный усилитель представляет собой идеальный усилитель с высокорезистивным дифференциальным входом (два входных вывода) и очень высоким коэффициентом усиления. Фактически многие электронные устройства, выполняемые на транзисторах, могут быть также реализованы на операционных усилителях.

При подаче на неинвертирующий вход приращение выходного сигнала совпадает по знаку (фазе) с приращениями входного сигнала. Если же сигнал подан на инвертирующий вход, то приращение выходного сигнала имеет обратный знак (противоположный по фазе). При подаче сигналов на оба входа сигнал на выходе равен

U_ВЫХ = ν (U₁ – U₂),

где ν →∞ –коэффициент усиления операционного усилителя;

U₁иU₂ – сигнал на неинвертирующем и инвертирующем входах соответственно.

Входное сопротивление операционного усилителя очень велико (R_ВХ→∞), поэтому входной ток при расчете считается равным нулю.

Выходное сопротивление операционного усилителя весьма мало (R_ВЫХ→0), поэтому ток нагрузки усилителя практически не влияет его выходное напряжение.

Инвертирующий вход часто используется для введения в операционный усилитель внешних обратных связей.

Инвертирующий усилитель

Общие сведения

Инвертирующий усилитель представляет собой устройство, которое преобразует входное напряжение в выходное напряжение противоположной полярности. В случае синусоидального напряжения образуется фазовременной сдвиг 180° между входным и выходным сигналами. Инвертирующий усилитель может быть использован для усиления или ослабления входного сигнала. Его принципиальная схема показана на рис. 8.1.1.

Рис. 8.1.1

Коэффициент усиления равен

n = - U_ВЫХ / U_ВХ = - R_ОС / R_ВХ.

Для упрощения расчетов делаются следующие допущения:

• В диапазоне модуляции разность потенциалов между двумя входами равна 0;
• Входной ток усилителя равен 0.

Коэффициент усиления n = - 1(когдаR_ОС = R_ВХ), то есть амплитуды входного и выходного сигналов равны.

Экспериментальная часть

Задание

Построить кривую, показывающую зависимость выходного напряжения от входного, изучить влияние величины сопротивления нагрузки на выходное напряжение.

Порядок выполнения эксперимента

Неинвертирующий усилитель

Общие сведения

В операционном усилителе без инвертирования входное и выходное напряжения имеют одинаковую полярность, то есть фазовый сдвиг по напряжению равен 0°.

Как показано на принципиальной схеме (рис. 8.2.1), входное напряжение подается на неинвертирующий вход. В диапазоне модуляции усилителя разность потенциалов между двумя входами равна 0. Коэффициент усиления вычисляется по формуле:

n = U_ВЫХ / U_ВХ = 1 + R_ОС / R_ВХ.

Экспериментальная часть

Задание

Построить кривые зависимости выходного напряжения от входного при различных значениях сопротивления отрицательной обратной связи.

Порядок выполнения эксперимента

Операционный суммирующий усилитель

Общие сведения

Суммирующий усилитель складывает любое требуемое число напряжений в аналоговой форме, учитывая их знаки.

В принципе, суммирующие усилители можно строить на резисторах. Один недостаток такого подхода, однако, состоит в том, что входные резисторы гальванически не развязаны друг с другом.

Рис. 8.3.1.

Принципиальная схема инвертирующего сумматора показана на рис. 8.3.1. Если входное напряжение подано только на первый вход , мы имеем инвертор с коэффициентом усиления

n = - R_ОС / R_ВХ1 = U_ВЫХ / U_ВХиU_ВЫХ = .

Важно отметить, что наличие других входов не влияет на коэффициент усиления по любому входу, т.к. точка 0 имеет потенциал земли (разность потенциалов между входами операционного усилителя всегда равна нулю). Например, если на все входы поданы напряжения, то в каждом входном резисторе возникает ток I_n = U_ВХn / R, а через резистор обратной связи протекает сумма токов, т.к. входной ток операционного усилителя всегда остается равным нулю:

В результате выходное напряжение усилителя

При R_ОС = R:

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать свойства суммирующего усилителя.

Порядок выполнения эксперимента

Операционный дифференциальный усилитель

Общие сведения

Дифференциальный усилитель (рис. 8.4.1) представляет собой элемент вычитания с усилением. Оба входных напряжения усиливаются с одним и тем же коэффициентом усиления. Ослабление синфазного сигнала удовлетворительно, только когда коэффициенты усиления по обоим входам одинаковы, т.е. R_ВХ1 = R_ВХ2 = R_ВХ и R_ОС1 = R_ОС2 = R_ОС .

Рис. 8.4.1.

Тогда

U_ВЫХ = (U_ВХ2 - U_ВХ1)· R_ОС / R_ВХ.

Ослабление синфазного сигнала ухудшается при увеличении коэффициента усиления R_ОС / R_ВХ.

Операционные дифференциальные усилители применяются, например, как измерительные усилители.

Экспериментальная часть

Задание

Изучить экспериментально ослабление синфазного сигнала дифференциального усилителя.

Порядок выполнения эксперимента

Поведение операционного усилителя в динамике

Общие сведения

Операционные усилители представляют собой широкополосные усилители напряжения постоянного тока, которые в определенном частотном диапазоне усиливают также и напряжения переменного тока. Зависимость коэффициента усиления от частоты ν(ω)называется амплитудно-частотной характеристикой усилителя. Она зависит как от внешних сопротивлений и емкостей, подключаемых к операционному усилителю, так и от «паразитных» сопротивлений и емкостей внешних проводников и внутренней схемы самого операционного усилителя.

Операционные усилители используются в схемах фильтров, интегрирующих и дифференцирующих цепей и других устройств.

На рис.8.5.1а приведена простейшая схема интегрирующего усилителя (фильтра низких частот), на рис.8.5.1б – схема дифференцирующего усилителя (фильтра высоких частот), на рис. 8.5.1в – схема усилителя средних частот (простейшего полосового фильтра).

Рис. 8.5.1

Экспериментальная часть

Задание

Исследовать поведение операционного усилителя, когда он управляется синусоидальным напряжением. Снять амплитудно-частотные характеристики усилителей, изображенных на рис. 8.5.1 и 8.5.2.

Порядок выполнения эксперимента

Литература

1. Теоретические основы электротехники, Т 1, 2. Учебник для вузов / К.С. Демирчан, Л.Р.Нейман, Н.В. Коровин, В.Л.Чечурин. – СПб: Питер, 2004

2. Основы теории цепей. Учебник для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. –М.: Энергоатом издат, 1989.

3. Атабеков Г.И. Основы теории цепей, Учебник для вузов. М.: Энергия, 1969.

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. – М.: Гардарики, 2000.

5. Герасимов В.Г., Кузнецов Э.В., Николаева О.В. и др. Электротехника и электроника: В 3 кн. Учебник для студентов неэлектротехнических специальностей вузов. Кн 1. Электрические и магнитные цепи. – М.: Энергоатомиздат, 1996.

6. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н. Электротехника / Учебное пособие для неэлектротехнических специальностей вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

7. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Матерников В.Е. Электротехника. Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

8. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: [Учебное пособие для неэлектротехнических специальностей вузов]: В 2 кн. – М.: Энергоатомиздат, 1995.