2011_3967

	= τ−1					r	+ R	|| R		−1
где ω		=		C	э	вх	и	б		рад/с.
н3	н3						1+β

Т.е. подобно ωн1 и ωн2 , можно ввести ωн3 , которая будет харак-

теризовать завал амплитудно-частотной характеристики усилителя, обусловленный конечной величиной ёмкости конденсатора Cэ.

В области высоких частот поведение T (ω) определяется инерционностью транзистора, связанной с диффузионными процессами в базе (ωα = τα−1 ) и влиянием собственных ёмкостей транзи-

стора Cк и Cэ. При этом T (ω)≈T(1+ j ωωв) , причём при источнике тока на входе и Rб Rэ высшая граничная частота

ωв = (1+β)(τα +CкRк ) −1 , а при источнике ЭДС на входе

ωв = (τα +CкRк )−1 .

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

			E	П2
	Rб1	Rк		к
			C2
	C1	П1а
	Rи
	а	П1б	Вк1
				Uвых
eи	Uвх R	R	Cэ
	б2	э		Rн
	б

Рис. 3.5. Принципиальная схема установки

Измерения производятся на установке, принципиальная схема которой показана на рис. 3.5. На вход усилителя от генератора низкой частоты подаётся переменное напряжение. Переключатель П1 позволяет изменять сопротивления делителя,задающего началь-

31

ное смещение на базу транзистора. Выключатель Вк1 позволяет шунтировать сопротивление Rэ конденсатором Cэ. Сопротивле-

ние нагрузки изменяется переключателем П2. Сигнал на вход усилителя можно подавать либо через известное сопротивление, либо, закоротив клеммы сопротивления, непосредственно. Выходное напряжение, выделяемое на сопротивлении нагрузки, измеряется вольтметром с высоким входным сопротивлением. Номиналы элементов указаны на стенде.

4. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

1. Рассчитать KU , Rвх и T исследуемой схемы при f =1000 Гц (недостающие данные получить у преподавателя).

2. Снять проходную характеристику усилителя Uвых = Φ(Uвх )

на частоте 1000 Гц при Rн = Rн.min и Rн = Rн.max до Uвых =1.8 В ( Cэ отключить).

3. Оценить, до каких значений Uвх для анализа данного уси-

лителя можно применять линейные методы анализа?

4. Снять зависимость коэффициента усиления по напряжению

от Rн , установив такое Uвх , чтобы при Rн = Rн.max работать на линейном участке проходной характеристики.

5. Определить входное сопротивление усилителя. Для этого генератор сигналов подключается на вход каскада через известное сопротивление. Падение напряжения на этом сопротивлении

определяет ток Iвх , поступающий в схему. Отношение напряжения Uвх , измеряемого непосредственно на входе схемы (между точками а и б схемы, рис. 3.5), к току Iвх является входным сопротивлением.

6.Рассчитать зависимость KP от сопротивления нагрузки, используя результаты п.4. Определить Rн оптимальное.

7.Измерить зависимость сквозного коэффициента усиления

T от частоты f (частоту изменять от 20 Гц до 20 кГц) при Rн = Rн.max . Определить fн = ωн (2π) .

32

8.	Рассчитать fнi = ωнi (2π) ( i =1,2 ), используя выражения
(3.10а).
9.	Выполнить то же, что и в пп. 1–7, подключив Cэ.

10. Оценить fн3 и fн = fн1 + fн2 + fн3 ( rб =110 Ом).

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

Отчёт должен содержать:

1.Принципиальную схему установки.

2.Графики проходной характеристики усилителя и зависимости коэффициентов усиления по напряжению и мощности от от-

ношения сопротивления нагрузки к сопротивлению Rк .

3.Значения Rвх при включенном и отключенном Cэ.

4.Значения Rн оптимального, соответствующего максимальному KP , при включенном и отключенном Cэ.

5.Графики зависимостей T от логарифма частоты при включенном и отключенном Cэ с указанием fн (определённой по

графикам).

3

6. Расчётные значения fн1, fн2 и fн3, а также fн = ∑ fнi .

i=1

6.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Пояснить назначение элементов схемы на рис. 3.1.

2.Пояснить прохождение положительной и отрицательной полуволны входного сигнала от источника сигнала до нагрузки.

3.Объяснить изменение формы выходного напряжения при

изменении R1 и R2 (рис. 3.1) при больших входных сигналах.

4.Получить матрицу r параметров транзистора.

5.Достоинства и недостатки матричных методов анализа.

6.Пояснить выражения для KU и KP .

7. Объяснить зависимость Rвх от Rб и Rэ .

8. Как влияет величина сопротивления нагрузки и сопротивления источника сигнала на параметры усилительного каскада, включённого по схеме с общим эмиттером?

33

9. Пояснить влияние C1, C2 , Rэ , Rвх , Rи , Cэ, Rк и Rн на зависимость сквозного коэффициента усиления напряжения каскада, включённого по схеме с общим эмиттером, от частоты.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с принципами построения и основными характеристиками полупроводниковых стабилизаторов напряжения.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

2.1.Основные характеристики стабилизаторов

Полупроводниковые стабилизаторы напряжения представляют собой электронные устройства, предназначенные для включения в канал передачи электрической энергии с целью уменьшения относительных изменений напряжения при колебаниях ЭДС первичного источника питания и сопротивления нагрузки.

Схема включения стабилизатора напряжения в общую электрическую цепь показана на рис. 4.1, где обозначены: U1 – входное

(стабилизируемое) напряжение; U2 – выходное (стабилизированное) напряжение; I1 и I2 – входной и выходной токи стабилизато-

ра. Под сопротивлением нагрузки подразумевается входное сопротивление питаемой цепи, которая может представлять собой как простой резистор, так сложную электронную схему.

	I1		I2
Выпрямитель	U1	Стабилизатор	U2	Rн

Рис. 4.1. Схема включения стабилизатора напряжения

34

Стабилизаторы напряжения характеризуются рядом количественных показателей: электрических, энергетических, надёжностных и т.п.

Электрические показатели можно разделить на две группы: статические, определяемые при медленном изменении возмущающих факторов (напряжения, тока, температуры окружающей среды), и динамические, определяемые при быстром (скачкообразном) появлении возмущающих факторов, например, при импульсном характере работы нагрузки.

К статическим электрическим показателям стабилизаторов

напряжения относятся:

1. Допустимое относительное отклонение входного напряжения (напряжения питания) от номинального: a = +∆U1 U1 – от-

носительное отклонение в сторону повышения и b = −∆U1 U1 – в

сторону понижения напряжения (т.о. U1max = (1+ a)U1 ,

U1min = (1−b)U1 ).

2.Номинальное выходное напряжение (на нагрузке) U2 .

3.Номинальный ток нагрузки Iн .

4.Нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения на входе δU2(U ) . Определяется как отношение от-

клонения выходного напряжения от номинального значения к номинальному значению выходного напряжения U2 при измене-

нии напряжения питания в заданных пределах (ток нагрузки Iн и температура окружающей среды Tср постоянна), %,

δU2(U ) = (±∆U2 )U 100 .

U2

5. Нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки δU2(I ) . Определяется как отношение отклонения вы-

ходного напряжения от номинального значения к номинальному значению выходного напряжения U2 при изменении тока нагруз-

ки в заданных пределах (напряжение питания U1 и Tср постоян-

ны), %,

35

δU2(I ) = (±∆U2 )I 100 .

U2

6. Температурный коэффициент выходного напряжения (ТКН). Определяется как отношение отклонения выходного напряжения от номинального значения к номинальному значению

и к вызвавшему это отклонение приращению температуры (U1 и Iн постоянны), %,

ТКН = (±∆U2 )Т 100 .

U2 ∆Т

7. Для характеристики точности стабилизации выходного напряжения наряду с относительными значениями нестабильности часто пользуются коэффициентом стабилизации. Этот коэффициент показывает, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения стабилизатора меньше относительного изменения данного возмущающего фактора при прочих неизменных условиях.

Так, коэффициент стабилизации выходного напряжения по входному напряжению Kст(U ) (при постоянных Iн и Tср ) равен

Kст(U ) = ∆U1 U2 .

U1 ∆U2

Соответственно коэффициенты стабилизации выходного напряжения при изменении тока нагрузки Kст(I ) и температуры

окружающей среды Kст(T ) определяются выражениями

	Kст(I ) =	∆Iн U2
		Iн ∆U2
(при постоянных U1	и Tср ),
	Kст(T ) =	∆T U2
		T ∆U2
(при постоянных U1	и Iн ).

8. Выходное сопротивление Rвых стабилизатора определяется

36

как отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему это изменение приращению тока нагрузки (U1 и Tср постоянны)

Rвых = − ∆U2 .

∆Iн

Из энергетических показателей отметим коэффициент полезного действия, который представляет собой отношение мощности, отдаваемой стабилизатором в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника питания

η=	Pн	= U2 Iн.min .
	P	U I
	п	1 1

2.2. Классификация стабилизаторов напряжения

Основой стабилизаторов является элемент, перераспределяющий токи между схемой стабилизатора и нагрузкой при дестабилизирующих воздействиях таким образом, чтобы выходное напряжение оставалось постоянным. Этот элемент назван РЕГУЛИРУЮЩИМ. По способу включения регулирующего элемента параллельно или последовательно с нагрузкой различают

стабилизаторы ПАРАЛЛЕЛЬНОГО и ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ти-

пов. Структурные схемы стабилизаторов обоих типов показаны на рис. 4.2, где Р – регулирующий элемент; СУ – сравнивающий и усиливающий элемент; Э – источник эталонного напряжения.

Рассмотрим принцип действия параллельных стабилизаторов. При изменении напряжения питания U1 изменяется и выходное

напряжение U2 . Сигнал, пропорциональный разности эталонного

и выходного напряжения, выделяется и усиливается элементом СУ и воздействует на регулирующий элемент. Ток через регулирующий элемент изменяется и вызывает изменение падения

напряжения на балластном сопротивлении Rб . Причём схема ра-

ботает таким образом, что это изменение напряжения оказывается почти равным изменению входного напряжения, и выходное напряжение остаётся постоянным. Аналогично выполняется ста-

билизация и при изменении Rн .

37

I	1	Rб	Iр	Iн

U1	Р	СУ	U2	Rн

Э

(а) Стабилизатор напряжения параллельного типа

I		Р		Iн
	1
U1			СУ	U2	Rн

Э

(б) Стабилизатор напряжения последовательного типа Рис. 4.2. Структурные схемы стабилизаторов напряжения

В стабилизаторах последовательного типа ток через регулирующий элемент изменяется так, что изменение напряжения на регулирующем элементе тоже оказывается примерно равным изменению входного напряжения, и поэтому выходное напряжение

остаётся постоянным.

Из сопоставления схем, показанных на рис. 4.2, можно сделать вывод, что параллельные стабилизаторы нечувствительны к перегрузкам по току, так как с увеличением тока нагрузки ток регулирующего элемента уменьшается. При коротком замыкании на вы-

ходе напряжение U1 полностью падает на балластном сопротивлении Rб и регулирующий элемент оказывается вне опасности.

Последовательные же стабилизаторы чувствительны к таким перегрузкам, поскольку ток нагрузки и ток регулирующего элемента возрастают одновременно и в равной степени. При этом мощность, рассеиваемая регулирующим элементом, возрастает, и он может выйти из строя. Этот недостаток последовательных стабилизаторов заставляет дополнять их схемы тем или иным типом

38

защиты. К достоинствам стабилизаторов последовательного типа следует отнести больший КПД и Kст .

2.3. Стабилизаторы параллельного типа 2.3.1. Диодный стабилизатор

Простейший диодный стабилизатор параллельного типа (рис. 4.3) представляет собой делитель напряжения, состоящий из балластного сопротивления и стабилитрона, параллельно которому включено сопротивление нагрузки. Эта схема соответствует структуре параллельных стабилизаторов (см. рис. 4.2а), хотя регулирующий и усиливающий элементы отсутствуют, а стабилитрон совмещает функции опорного и регулирующего элементов.

I	Rб	I
	1	н
U1		U2 Rн
		Iст

Рис. 4.3. Диодный стабилизатор параллельного типа

При изменении входного напряжение изменяется общий ток I1 , однако это не приводит к существенному изменению выход-

ного напряжения, так как происходит изменение тока через стабилитрон, причём ∆Iст ≈ ∆I1 и Iн изменяется слабо, а значит, и

выходное напряжение U2 = IнRн оказывается стабилизирован-

ным. Аналогично, при постоянном напряжении питания любое изменение тока нагрузки вызывает такое же по значению, но обратное по знаку изменение тока стабилитрона (при условии, что

rст = 0 ). Ток I1 остаётся неизменным, и, следовательно, U2 =U1 − I1Rб не изменяется.

При расчёте элементов и режима работы такого стабилизатора задаются допускаемыми относительными значениями отклонений питающего напряжения a и b , максимальным (он обычно и но-

39

минальный) и минимальным током нагрузки, выходным напряжением и определяют напряжение питания U1 , тип стабилитрона,

режим его работы и сопротивление балластного резистора. При расчёте схемы также учитывают допустимые отклонения сопро-

тивления резистора Rб и напряжения стабилизации стабилитрона Uст . Относительные значения этих отклонений обычно обозна-

чают через d	и q . Таким образом: Rб.min = Rб (1−d ),
Rб.max = Rб (1+ d ),	Uст.min =Ucт (1−q), Uст.max =Ucт (1+ q). Зна-

чения d и q определяются соответственно классом точности резистора, применяемого в качестве Rб , и типом стабилитрона.

Для того чтобы обеспечить работу стабилитрона в области допустимых токов стабилизации, указываемых в справочной литературе, при всех допустимых отклонениях параметров элементов схемы, необходимо выполнить следующие условия:

1) при U1 =U1min , Ucт =Uст.max , Rб = Rб.max и максимальном токе нагрузки Iн.max

Iст > Iст.min ;

2) при U1 =U1max , Ucт =Uст.min , Rб = Rб.min и минимальном токе нагрузки Iн.min ,

Iст < Iст.max .

Анализ работы рассматриваемого стабилизатора с учётом этих условий позволяет получить выражения для предельного минимально возможного при заданных параметрах напряжения питания схемы

U	=U (1−b)≥ (1−q)(Q I1max − D I1min )U						ст	,	(4.1)
1min	1	I1max − A D I1min
где Q = (1+ q)	(1−q),	A = (1+ a) (1−b),	D = (1+ d )			(1−d ),
I1max = Iст.max + Iн.min ,		I1min = Iст.min + Iн.max ,			предельно				мини-
мального значения сопротивления балластного резистора
R	= R (1−d )≥ U (1+ a) −U		ст	(1−q)		I		,	(4.2)
б.min	б	1				1max
		40