Задание №2

1. Собрать мостовую схему выпрямителя. Для этого во все гнезда установить диоды в соответствие со схемой.

2.Повторить пункты 2-6.

В соответствии с полученными результатами сделать выводы.

Таблица №1

Приборы	1-ая схема	1-ая схема	1-ая схема	2-ая схема	2-ая схема	2-ая схема
V1 V2	К1 и К2 выкл.	К1 вкл.	К2 вкл.	К1 и К2 выкл	К1 вкл	К2 вкл
V1
V2

Вопросы для закрепления материала:

1. Назначение выпрямителей перменного тока?

2. Принцип работы однополупериодных схем выпрямителей?

3. Пояснить работу мостовой схемы выпрямителя?

4. Объяснить назначение элементов схемы (R и С)?

Лабораторная работа №13

Однокаскадный усилитель на биполярном транзисторе

Цель работы - изучить работу одиночного каскада усиления на би­полярном транзисторе, экспериментально определить его коэффициент усиления по напряжению, а также получить его амплитудную и частот­ную характеристики.

Общие сведения

При решении многих инженерных задач возникает необходимость в усилении электрических сигналов, например, при измерениях неэлек­трических величин, контроле и автоматизации технологических про­цессов, создании различных устройств промышленной электроники. Усилителями называются устройства, в которых малые изменения вход­ной величины (мощности) приводят к значительно большим изменениям выходной величины. Увеличение мощности усиливаемых колебаний про­исходит за счет энергии источника питания усилителя. Усилители на транзисторах позволяют усиливать очень слабые электрические сигна­лы - напряжения порядка 10^-7 В, токи порядка 10 ^-14 А.

В зависимости от назначения, усилители условно делятся на усили­тели напряжения, тока и мощности. Хотя в каждом из этих усилите­лей происходит увеличение мощности усиливаемого сигнала, на прак­тике весьма удобна приведенная классификация усилителей в зависи­мости от того, какая электрическая величина главным образом уси­ливается в усилителе.

Помимо указанной классификации, широко используется и другая, по которой все усилители делятся на несколько типов в зависимос­ти от того, в каких диапазонах частот они применяются.

1. Усилители медленно изменяющихся сигналов с частотой от до­лей герца до нескольких килогерц. Эти усилители принято условно называть усилителями постоянного тока.

2. Усилители низкой частоты, предназначенные для усиления пе­ременных сигналов в звуковом диапазоне частот (10 Гц-20 кГц).

3. Широкополосные усилители, используемые обычно для усиле­ния несинусоидальных сигналов, частотный спектр которых может содержать частоты от единиц герц до десятков мегагерц.

4. Избирательные усилители, предназначенные для усиления сос­тавляющих напряжения одной какой-либо частоты. Чаще всего изби­рательные усилители используются в области высоких частот в диапазоне от нескольких десятков килогерц до нескольких мегагерц.

В тех случаях, когда требуется усиливать небольшие токи, а на выходе усилителей необходимо иметь большие значения этих вели­чин, используется несколько ступеней усиления. Такие усилители называются многокаскадными.

Способ соединения каскадов в многокаскадных усилителях зави­сит от диапазона частот усиливаемых сигналов. При усилении мед­ленно изменяющихся напряжений и токов для связи между каскадами служат резисторы. Такую связь называют резистивной или гальвани­ческой и используют ее в усилителях постоянного тока. Для усиле­ния переменных напряжений и токов как в диапазоне звуковых час­тот (усилители низкой частоты), так и в более широком диапазоне (широкополосные усилители), связь между каскадами осуществляется с помощью резисторов и конденсаторов (резистивно-емкостная связь) или трансформаторов (трансформаторная связь).

Любой усилительный каскад содержит нелинейный элемент, обла­дающий усилительными свойствами (транзистор), нагрузочный эле­мент (резистор, индуктивную катушку, трансформатор) и источник постоянного напряжения, называемый источником питания.

Функциональная схема усилителя

Рис.1.

Процесс усиления (рис.1) заключается в преобразовании энергии источника питания в энергию выходного сигнала усилителя. Управ­ление этим процессом осуществляется входным сигналом, воздейству­ющим на усилительный элемент. Выходной сигнал является функцией входного сигнала, причем мощность выходного сигнала за счет энер­гии источника питания значительно больше мощности входного (уси­ливаемого) сигнала.

Существуют три основных типа усилительных каскадов - с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. В усилителях, используемых в автоматике, измеритель­ной и вычислительной технике, наибольшее распространение получи­ла схема усилительного каскада с общим эмиттером. Эта схема обес­печивает большое усиление, как по напряжению, так и по току, в отличие от других схем, которые обеспечивают усиление или только по току (каскад с общим коллектором) или только по напряжению (каскад с общей базой). В этом каскаде эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей (рис.2).

Усилительный каскад с общим эмиттером

Рис.2.

Полярность источника питания Е_к по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рис.2 полярность источника питания соответствует усилительному каскаду с транзистором n-р-n типа. Для усилительного каскада с транзистором типа p-n-p полярность источника должна быть противоположной. Вели­чина напряжения источника питания современных усилительных кас­кадов обычно 10... 15 В.

Входное напряжение усилительного каскада U_вх подается меж­ду базой и эмиттером транзистора, а выходное напряжение U_вых снимается между коллектором и эмиттером, Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать следующее уравнение электрического состояния

Е_к = U_к +R_к I_к т.е. сумма падений напряжения U_к и R_к I_к равна ЭДС Е_к .

Резистор R_к, с помощью которого создается выходное напряжение, включается в коллекторную цепь транзистора. На коллек­торном резисторе R_к выделяется выходное переменное напряжение, которое равно падению напряжения на сопротивлении этого резистора от переменной составляющей тока коллектора U_вых=I_к R_к. сопротивление этого резистора выбирают исходя из требуемого усиления входных сигналов (имеет обычно величину порядка нескольких кОм)

Резистор R_б, включенный в цепь базы, обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствии входного сигнала. Благодаря этому резистору можно получить оптимальные значения тока I_бо и напряжения между базой и эмиттером U_бо, соответствующие в середине линейного участка динамической входной характеристики

Конденсатор С_с служит для включения источника переменой входной ЭДС Е_вх (входного усиливаемого сигнала) с внутренним сопротивлением I_вн в цепь базы. При отсутствии этого конденсатора в цепи источника входного сигнала создавался постоянный ток от источника питания Е_к, который мог бы вызывать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, изменяющее режим работы транзистора и приводящее к нагреву источника сигнала.

Конденсатор связи С_с на выходе усилительного каскада обеспечивает выделение из коллекторного напряжения его переменный составляющий U_вых=I_к R_к, которое может подаваться на нагрузочный резистор R_н или нагрузочное устройство с сопротивлением R_н.

При отсутствии входного усиливаемого напряжения U_вых в цепи базы протекает постоянный ток I_б, а в цепи коллектора постоянный ток I_к. между коллектором и эмиттером устанавливается постоянное напряжение U_к= Е_к-I_к R_к.

При подаче входного переменного напряжения U_вх ток базы будет изменяться, т.е. кроме постоянной составляющей I_бо он будет иметь переменную составляющую I_б, обусловленную приложенным переменным напряжением U_вх. Изменяющийся ток базы вызовет увеличенные изменения тока коллектора, следовательно и коллекторного напряжения U_к, т.к. изменения тока коллектора приводит к изменению падения напряжения на резисторе в цепи коллектора R_к. Переменная составляющая коллекторного напряжения через конденсатор С_с подается на нагрузку и представляет собой выходное напряжение усилительного каскада. В то же время конденсатор С_с, как указывалось, не пропускает в нагрузку постоянную составляющую коллекторного напряжения.

Благодаря тому, что коллекторный ток во много раз превышает ток базы, выходное напряжение усилительного каскада с общим эмиттером во много раз больше входного напряжения.

Коэффициент усиления по напряжению К_u=U_вых/U_вх

Коэффициент усиления по мощности, имеющий важное значение

для транзисторных усилителей,

К_р=P_вых/P_вх=U_вых*I_вых/U_вх*I_вх=K_u*K_i в усилительном каскаде с общим эмиттером может достигать нес­кольких тысяч.

Существенным недостатком транзисторов является зависимость их параметров от температуры. С увеличением температуры окружа­ющей среды изменяются три параметра транзистора: начальный ток коллектора (ток коллектора при Iэ =0) из-за значительного увеличения числа неосновных носителей заряда в коллекторе и ба­зе, коэффициент усиления по току и напряжение база-эмиттер. От всех этих параметров зависит ток коллектора , поэтому с повышением температуры этот ток транзистора увеличивается. При увеличении коллекторного тока на ΔI_к коллекторное напряжение уменьшается на ∆U_к=R_к*∆I_к. Для уменьшения влияния темпера­туры на характеристики транзисторного усилителя применяется температурная стабилизация

Усилительный каскад с темпе­ратурной стабилизацией

Рис.3.

В схеме рис.3 для темпера­турной стабилизации усилитель­ного каскада с общим эмиттером в цепь эмиттера включен резис­тор Rэ , шунтированный кон­денсатором Сэ. В цепь базы для создания начального напряжения смещения Uбэ между базой и эмиттером применен делитель R¹б R¹¹б. Этот делитель обес­печивает ток базы, определяю­щий положение рабочий точки на входных и выходных характеристиках транзистор.

Напряжение U_бэ (см.рис 3) зависит от сопротивлений резисторов R_b¹, R_b¹¹ и R_э

(U_бэ + I_эR_э)/Е_к= R_b¹/( R_b¹+R_b¹¹),

U_бэ= Е_к R_b¹/( R_b¹+R_b¹¹) - I_эR_э

При наличии резистора R_э и увеличении тока коллектора, вызванного повышением температуры, соответствующее увеличение эмиттерного тока (I_э=I_k+I_b) приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R_э. это вызывает понижение потенциала базы по отношению к потенциалу эмиттера (уменьшение напряжения U_бэ), а следовательно тока базы I_bо и токов I_э, I_k. Таким образом, из-за повышения температуры происходит увеличение тока коллектора на ΔI_k¹, а из-за уменьшения тока I_b – уменьшение тока коллектора на ΔI_k¹¹. Влияние температуры на величину тока I_k при этом во много раз снижается (стабильность схемы повышается).

Введение резистора R_э при отсутствии конденсатора С_э изменяет работу усилительного каскада не только в режиме покоя, но и при наличии входного напряжения. Переменная составляющая эмиттерного тока i_э создает на резисторе R_э падение напряжения U_э~= R_эi_э, которое уменьшает усиливаемое напряжение, подводимое к транзистору: U_бэ~= U_вх~- R_эi_э.

 

Коэффициент усиления усилительного каскада при этом будет уменьшаться. Явление уменьшения усиливаемого напряжения называется отрицательной обратной связью. Под обратной связью понимают передачу части выходного сигнала усилителя на его вход. Если эта передача снижает усиливаемое напряжение, то обратную связь называют отрицательной. Для ослабления отрицательной обратной связи параллельно резистору R_э включают конденсатор С_э. емкость конденсатора С_э выбирают таким образом, чтобы для всех частот усиливаемого напряжения его сопротивление было много меньше R_э(Х_сэ«R_э). при этом падение напряжения на участке R_э- С_э от переменной составляющей i_э будет незначительным, поэтому усиливаемое напряжение практически равно входному напряжению: U_бэ~= U_вх~.