методичка по ЭиЭ. Если фильтр имеет n звеньев, то общий коэффициент сглаживания определяется как произведение s s

Скачать 0.75 Mb. Название Если фильтр имеет n звеньев, то общий коэффициент сглаживания определяется как произведение s s Анкор методичка по ЭиЭ.doc Дата 02.05.2017 Размер 0.75 Mb. Формат файла Имя файла методичка по ЭиЭ.doc Тип Документы #6062 страница 1 из 5

1   2   3   4   5 Если фильтр имеет n звеньев, то общий коэффициент сглаживания определяется как произведение: s = s1 s2 s3 s4 … sn. Важнейшей характеристикой выпрямителя, как и всякого источника питания, является его нагрузочная характеристика, показывающая зависимость выпрямленного напряжения от тока, потребляемого нагрузкой. Вид и степень этой зависимости определяются внутренним сопротивлением выпрямителя, которое слагается из активных сопротивлений фильтра, обмоток трансформатора и вентиля, а также эквивалентного сопротивления, учитывающего зависимость разряда конденсаторов фильтра от тока нагрузки. Внутреннее сопротивление в силу нелинейности определяется как дифференциальное при токе равном рабочему: . 3. Лабораторная установка Работа выполняется на двух экспериментальных макетах: № 1 — выпрямитель, собранный по одно- и двухполупериоднoй схемам; № 2 — выпрямитель, собранный по мостовой схеме. Рис. 6 Электрическая схема макета № 1 показана на рис. 6а. Макеты отличаются только типом диодной сборки, на рис. 6б показана сборка макета № 2. На вход первичной обмотки трансформатора Т1 подается синусоидальный сигнал с выхода генератора с частотой f =200 Гц и амплитудой 10 — 15В. К выходу выпрямителя (после фильтра) подключается осциллограф для измерения переменной составляющей сигнала (напряжения) и вольтметр PV — для измерения постоянной составляющей напряжения. К гнездам I подключается миллиамперметр, регистрирующий ток в нагрузке. Нагрузкой служит переменный резистор R, с помощью которого устанавливается требуемый нагрузочный ток. Переключатели SA2,4 подключают конденсаторы C1 и C2, а SA3 шунтирует дроссель L. Переключатель SA1 имеется только в макете № 1 и используется для переключения типа выпрямителя. 4. Порядок выполнения работы 4.1. Собрать экспериментальную схему с макетом № 1 по рис. 6а. Установить переключателем SA1 однополупериодный режим работы. Включить генератор и осциллограф. 4.2. С помощью переменного резистора R установить нагрузочный ток 2 мA. Зарисовать осциллограмму напряжения и измерить постоянное и переменное напряжения на выходе выпрямителя при отключенных фильтрах и включенных фильтрах (фильтр С1; Г-образный фильтр LC2; П-образный фильтр C1LC2). 4.3. Переключить тип выпрямителя на двухполупериодный и повторить пункт 4.2. 4.4. Собрать схему с макетом № 2 и провести аналогичные измерения (п. 4.2). 4.5. По результатам измерений вычислить коэффициенты пульсаций напряжения на выходе фильтров и коэффициенты сглаживания каждого фильтра. Коэффициент пульсации напряжения на выходе фильтра — отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей напряжения на выходе фильтра к его постоянной составляющей. Коэффициент сглаживания — отношение амплитуд переменной составляющей напряжения на входе и выходе фильтра. 4.6. Сделать выводы о преимуществе и недостатках различных схем выпрямителей и фильтров. 5. Содержание отчета Отчет должен содержать схемы типов выпрямителей, осциллограммы выходного напряжения для всех типов выпрямителей и фильтров. Рассчитанные значения коэффициентов пульсации и фильтрации представить в таблице. Нагрузочные характеристики представить в виде графиков. 6. Контрольные вопросы 1. Объясните принцип действия выпрямителей на полупроводниковых диодах. 2. Для чего применяются фильтры? 3. Какие типы фильтров применяются в источниках постоянного напряжения? 4. Что такое коэффициент пульсации и коэффициент фильтрации? 5. Что такое внутреннее сопротивление источника питания? 6. С помощью преобразования Фурье запишите выражения для пульсирующего напряжения одно- и двухполупериодного выпрямления синусоидального напряжения с периодом Т и амплитудой U0. 7. Литература 1. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М.: Сов. радио, 1976. С. 399—402. Лабораторная работа № 7 СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 1. Цель работы Изучение принципа действия параметрического и компенсационного стабилизаторов напряжения, снятие характеристик стабилизации и нагрузки обоих стабилизаторов, определение их коэффициентов стабилизации и внутреннего сопротивления. 2. Краткие теоретические сведения 2.1. Введение. Стабилизаторы напряжения используются в источниках питания постоянного тока для поддержания величины выходного напряжения с требуемой точностью. Для оценки действия стабилизатора используют коэффициент стабилизации напряжения, который показывает, во сколько раз относительное изменение на входе стабилизатора больше, чем на выходе, при постоянной величине нагрузки: , (1) где Uвх и Uвых — изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора; Uвх и Uвых — средние значения напряжений на входе и выходе стабилизатора. Для оценки действия стабилизатора при изменении величины нагрузки вводят внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора: , (2) где Uвых, I — изменения выходного напряжения и тока. Очевидно, что для идеальных стабилизирующих устройств коэффициенты стабилизации равны бесконечности. Для реальных стабилизаторов этот коэффициент имеет значения от десятков до нескольких сотен и даже тысяч. Естественно, что каждый стабилизатор работает внутри только определенной области изменения напряжения или сопротивления нагрузки. Вне этой области коэффициент стабилизации уменьшается. По принципу действия стабилизаторы можно разделить на две группы: параметрические и компенсационные. Возможны также схемы, совмещающие оба принципа. 2.2. Параметрические стабилизаторы напряжения. Принцип действия параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН) основан на применении прибора с нелинейной вольт-амперной характеристикой, когда имеется насыщение напряжения (стабилитроны, варисторы). Наиболее простая схема ПСН представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения Данная схема представляет собой делитель напряжения, верхнее плечо которого составляет резистор Rдб, а нижнее — стабилитрон, сопротивление которого нелинейно. Последнее должно иметь такую вольт-амперную характеристику, чтобы в пределах некоторого участка падение напряжения слабо зависело от величины протекающего по нему тока (рис. 2). Параллельно нижнему плечу подключается сопротивление нагрузки Rн. Рис. 2. Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона Сопротивление Rдб, на котором выделяется все изменение выходного напряжения, называется балластным или ограничительным. Прямая ветвь ВАХ является нерабочей, в то время как обратная ветвь используется как основной рабочий участок. По наклону ВАХ в этой области можно определить его дифференциальное (динамическое) сопротивление: . (3) Рассмотрим принцип стабилизации напряжения на примере рис. 1, для которого имеем по правилам Кирхгофа следующие соотношения: , (4) . (5) Благодаря параллельному включению стабилитрона и сопротивления нагрузки выходное напряжение, общее для нагрузки и стабилитрона, является слабо изменяющейся функцией тока через стабилитрон, который вследствие наличия большого балластного сопротивления примерно пропорционален входному напряжению. Подставляя (4) в (5), получим . (6) Дифференцируя (6) по Uвых и используя выражение (3) для дифференциального сопротивления, после несложных преобразований можно получить значение коэффициента стабилизации как функцию Rдб, Rн и статического сопротивления стабилитрона: , отсюда получаем: . (7) Схема параметрического стабилизатора применятся на практике в простых устройствах источников питания из-за невысокого КПД и сравнительно большого выходного сопротивления: . (8) 2.3. Компенсационный стабилизатор напряжения. Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) также представляет собой делитель напряжения, образованный переменным сопротивлением регулирующего элемента и сопротивлением нагрузки Rн. При изменениях входного напряжения или тока нагрузки в определенных пределах регулирующая цепь поддерживает величину выходного напряжения с заданной точностью. В таких схемах стабилизации в качестве регулирующего элемента (переменного сопротивления) применяются или электронные лампы (триод, пентод), или транзистор (иногда составной). На рис. 3 приведена схема транзисторного стабилизатора напряжения. В данной схеме роль регулирующего элемента выполняет транзистор Т1. Для стабилизации вводят отрицательную обратную связь. Регулирование сопротивления перехода эмиттер — коллектор транзистора Т1 осуществляется усилителем постоянного тока на транзисторе T2 с большим коэффициентом усиления, включенным в цепь базы транзистора Т1. В цепь база — эмиттер транзистора Т2 подается часть выходного напряжения с делителя R3 и R4 и опорного напряжения Uст со стабилитрона VD. Их разность образует напряжение между базой и эмиттером T2. В качестве источника опорного напряжения обычно применяются кремниевые стабилитроны. Сопротивление R2 определяет рабочую точку стабилитрона. Выходное напряжение стабилизатора равняется произведению напряжения на стабилитроне на коэффициент деления делителя R3R4. В режиме малых флуктуаций входного напряжения ток базы транзистора Т1 практически определяется цепью с сопротивлением R1, так как при этом транзистор Т2 закрыт (коллекторный ток его практически равен нулю). Рис. 3. Схема компенсационного стабилизатора напряжений Если по какой-то причине флуктуации напряжения Uвх увеличиваются, то это сопровождается увеличением тока коллектора транзистора Т2 из-за увеличения напряжения база — эмиттер (транзистор Т2 открыт). Это приводит к уменьшению напряжения базы T1. Последнее обуславливает увеличение сопротивления между эмиттером и коллектором T1, т. е. приводит к увеличению Uкэ Но ввиду того, что выходное напряжение есть разность между входным напряжением и Uкэ транзистора T1, увеличение выходного напряжения вследствие увеличения входного (уменьшение тока нагрузки) в значительной степени стабилизируется: , (9) где КТ1 и КТ2 — коэффициенты усиления транзисторов. Заметим, что через регулируемый элемент T1 проходит весь ток нагрузки и поэтому его мощность должна быть не меньше мощности нагрузки. Если требуемые значения напряжения и тока превышают максимально допустимые для транзистора данного типа, то можно применять последовательное или параллельное включение регулируемых транзисторов (см. лабораторный макет (рис. 3)). Компенсационные стабилизаторы по сравнению с параметрическими держат постоянным выходное напряжение в более широком диапазоне изменений входного напряжения и сопротивления нагрузки при более высоких значениях коэффициента стабилизации. Кроме того, КСН имеют более низкое внутреннее (выходное) сопротивление: , (10) где 1. 3. Лабораторная установка Установка состоит из макета (рис. 4), включающего в себя ПСН и КСН, регулируемого источника питания постоянного тока Б5-49, миллиамперметра и вольтметра. ПСН собран на стабилитроне VD1(Д814), имеет вход — гнезда 1, 2 и выход — гнезда 4, 5. В КСН (вход — гнезда 1, 3; выход — гнезда 6, 8) в качестве регулируемого сопротивления использована комбинация из транзисторов VT2(ГТ403) и VT1(П210), называемая составным транзистором. Рис. 4. Схема лабораторного макета Дополнительный транзистор ГТ403 ставится в управляющую цепь мощного силового транзистора VT1 с большим током базы для усиления управляющего сигнала с маломощного транзистора VT3(МП25). Опорное напряжение снимается со стабилитрона VD2(Д814). Принцип стабилизации остается тот же. Нагрузка у обоих стабилизаторов является общей (клеммы 7, 8), она подключается поочередно к выходам стабилизаторов (клеммы 6 или 4) через миллиамперметр. Источник питания также поочередно подключается к входам обоих стабилизаторов с указанной на схеме полярностью. Вольтметром можно контролировать напряжение как на входах стабилизаторов, так и на нагрузке. 4. Порядок выполнения работы 4.1. Собрать схему по рис. 4, подключив параметрический стабилизатор напряжения. 4.2. Снять зависимости Uвых (Uвх) при трех значениях переменного сопротивления Rн (полностью выведенное, выведенное и среднее). 4.3. Рассчитать коэффициенты стабилизации в пределе рабочего участка стабилизации. 4.4. Для определенных средних значений входного напряжения измерить нагрузочную характеристику стабилизатора (т. е. зависимость Uвых от Iн), получаемую путем изменения нагрузочного сопротивления. 4.5. Рассчитать внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора. 4.6. Переключить источник питания и измерительные приборы к компенсационному стабилизатору и повторить пп.4.2—4.5. 5. Содержание отчета 1. Схемы ПСН и КСН. 2. Семейства зависимостей Uвых (Uвх) и нагрузочных характеристик Uвых(Iн) обоих стабилизаторов. 3. Рассчитанные коэффициенты стабилизации и внутренних сопротивлений стабилизаторов. 6. Контрольные вопросы 1. Объясните принцип работы ПСН и КСН. 2. Как рассчитать коэффициенты стабилизации и внутреннее сопротивление стабилизаторов? 3. Какие преимущества и недостатки имеют оба типа стабилизаторов? 4. Каким образом устанавливается выходное напряжение в стабилизаторах обоих типов? 5. Чем отличается режим работы полупроводниковых стабилитронов в стабилизаторах обоих типов? 7. Литература 1. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М.: Сов. радио, 1976. С. 399—402. Лабораторная работа № 8 НЕЛИНЕЙНОЕ РЕЗОНАНСНОЕ УСИЛЕНИЕ И УМНОЖЕНИЕ ЧАСТОТЫ 1. Цель работы Изучение режима работы нелинейного резонансного усилителя и метода умножения частоты. 2. Краткие теоретические положения В радиоэлектронных устройствах для целей усиления сигнала обычно используют электронные лампы или транзисторы. В общем случае эти приборы имеют нелинейную характеристику усиления. Это приводит к искажению усиливаемого сигнала, поскольку для любой входной частоты  в спектре выходного сигнала появляются гармоники кратных частот (2, 3, …). Для получения линейного режима усиления используют прямолинейный участок характеристики, причем чем выше требования к линейности, тем меньше используемый размер участка. Это ведет к снижению коэффициента усиления и неэкономичности режима работы. Однако нелинейный режим усиления (режим отсечки) также находит применение (мощные усилители, передатчики). Для точного расчета и анализа таких устройств характеристику усиления представляют полиномом n степени. Это приводит к весьма громоздким и сложным расчетным формулам. Поэтому для целей инженерных расчетов пользуются более простым способом — аппроксимацией усилительной характеристики отрезками прямых линий. Подобная аппроксимация, конечно, носит несколько грубый характер, но из-за простоты и наглядности находит широкое применение. Рассмотрим нелинейный режим усиления на примере резистивного усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (рис. 1а). База транзистора имеет смещение Uб0 относительно эмиттера. Пусть на базу подается синусоидальный сигнал частотой  и амплитудой Uвх. Тогда напряжение на базе равняется . (1) Аппроксимируем характеристику усилителя отрезками прямых линий АВCD (рис. 2). Тогда ток коллектора равен (2) где U0 — положение точки В, а S — крутизна характеристики. Участок АВ определяет нулевое усиление, а CD — режим тока насыщения. Точка С как раз соответствует Uбmax. На рис. 2 методом проекций построена временная зависимость коллекторного тока (справа) от напряжения на базе (слева внизу) с использованием предложенной кусочной аппроксимации. Видно, что коллекторный ток представляет собой повторяющиеся импульсы амплитудой Imax и шириной по основанию 2, где  называется углом отсечки. Рис. 1 Углом отсечки принято считать половину той части периода колебаний (в угловых единицах t) исходного сигнала, в течение которого косинусоидальный импульс отличен от нуля. Зависимость тока от времени в таком случае можно записать в виде , (3) где Im — амплитуда тока коллектора (пунктир), в случае если бы транзистор пропускал ток в обоих направлениях (т.е. характеристика усилителя представляла бы собой бесконечную прямую линию). Это выражение справедливо при -< t <� (или -+2< t <�+2и т. д.), и Ik=0 в остальные моменты времени. Поскольку , выражение (3) перепишем в виде (4) Подставляя соотношение , следующее из рис. 2, в выражение (4), получаем (5) Для угла отсечки получаем , (6) или . (6a) Рис. 2 Импульсно-периодический ток можно разложить в ряд Фурье для определения амплитуд гармонических составляющих: , (7) где I0k — постоянная составляющая коллекторного тока, а Ink — амплитуды гармоник. Опуская промежуточные выкладки, запишем конечные результаты. Для первой гармоники . (8) Для n-й гармоники . (9) Постоянная составляющая, или нулевая гармоника, равняется . (10) Рассчитанные зависимости (11) от угла отсечки приведены на рис. 3. График коэффициентов n-ных гармоник дает возможность быстро и легко определить амплитуды гармоник коллекторного тока, если известны максимальное значение импульса тока и угол отсечки . Из рисунка следует, что при удвоении частоты угол отсечки надо выбирать равным =60, а при утроении — =40. Коэффициенты разложения n() достигают наибольших значений при  = 120o/n. Выбором определенного Рис. 3 значения угла отсечки можно добиться исключения определенных гармоник (скажем, при =90 обращаются в ноль все нечетные гармоники и т. д.). Коллекторный ток можно записать в виде . (12) Следовательно, мгновенные значения тока заданы определенной функцией. Иногда используют другой вид разложения. Поскольку Imax=Im(1-cos()), а Im=SUвх, где S — крутизна, Uвх — амплитуда входного сигнала, то разложение (12) можно переписать в виде . (13) Коэффициенты разложения связаны соотношением . Рассчитанные зависимости n() приведены на рис. 4. Рис. 4 Нелинейное резонансное усиление и умножение частоты осуществляются в нелинейном усилителе, работающем в режиме отсечки, за счет выделения из трансформированного спектра входного воздействия первой гармоники коллекторного тока (нелинейное усиление) или последующих гармоник с помощью частотно-избирательной цепи — резонансного контура (умножение частоты). Принципиальная схема нелинейного резонансного усилителя (НРУ) приведена на рис. 1б. Пусть на вход НРУ поступает переменный гармонический сигнал, с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура в нагрузке НРУ, и на базе транзистора напряжение имеет вид согласно формуле (1). При этом ток, протекающий в коллекторной цепи транзистора, будет изменяться согласно выражению (4). Напряжение на контуре можно записать в виде , (14) где Rэ — эквивалентное сопротивление параллельного контура при резонансе. При анализе нелинейных цепей с избирательной нагрузкой квазилинейным методом вводятся характеристики и параметры нелинейного элемента для интересующей гармоники. Параметром транзистора по первой гармонике на схеме (рис. 1) является средняя крутизна: Sср=Ik/ Uвх = S 1(). (15) Зависимость амплитуды первой гармоники коллекторного тока I1k, или выходного напряжения НРУ — Uвых, которое равно амплитуде напряжения на контуре Ukmax, от амплитуды напряжения возбуждения Uвх называется колебательной характеристикой усилителя. Зависимость коэффициента усиления НРУ по первой гармонике K1 от амплитуды напряжения возбуждения Uвх называется амплитудной характеристикой усилителя: K1= Uвых/ Uвх = SсрRэк. (16) Еще одна характеристика режима работы усилителя — так называемый коэффициент использования коллекторного напряжения, или коэффициент напряженности режима, который равняется , (17) где Ek — напряжение питания НРУ. Временная диаграмма коллекторного тока в недонапряженном режиме будет иметь вид, показанный на рис. 2, в перенапряженном режиме будут наблюдаться провалы в импульсах коллекторного тока. Критический режим перехода из недонапряженного режима в перенапряженный соответствует кр = 0,85—0,9. В недонапряженном режиме <�кр. В перенапряженном режиме кр.   1   2   3   4   5