Электроника_-_Методички_на_2013_год / 2013 - ELECTRONIKA_LINEAR_LABS_METODA_KAF41_5217

51

токах базы коэффициент передачи тока любого транзистора существенно уменьшается, и в результате составляющие входного сигнала малой амплитуды

	будут усиливаться меньше,	Рис. 5.3.	Искажения типа “ ступенька”.
	чем составляющие большей

амплитуды. Для снижения уровня искажений типа “ ступенька” в двухтактных каскадах УМ применяют промежуточный режим класса АВ, он осуществляется подачей небольшого смещения на базы обоих транзисторов посредством резисторного делителя, аналогичного R1 − R2 на рис. 5.1,а. При этом исходная рабочая точка покоя займет промежуточное положение между рабочими точками классов А и В.

5.2. Описание лабораторной установки

Электрическая схема лабораторного макета приведена на рис. 5.4. Он позволяет исследовать как однотактные, так и двухтактные трансформаторные каскады усиления мощности на транзисторах в режимах классов А, В и АВ.

Рис. 5.4. Схема лабораторной установки.

На входе и выходе схемы установлены понижающие трансформаторы: T1 с коэффициентом трансформации n1 = 0.1 и трансформатор T2 с n2 = 0.25.

52

Режимы работы транзисторов УМ устанавливаются потенциометром R2, который задает базовые токи транзисторов при отсутствии входного сигнала. Когда ползунок резистора R2 оказывается в нижнем по схеме положении, базовые выводы транзисторов оказываются соединенными с общим проводом через малые сопротивления половин вторичной обмотки трансформатора T1, базовые токи транзисторов будут близки к нулю, и УМ будет работать в классе B. Если же ток покоя задан отличным от нуля, то, в зависимости от его величины, УМ будет работать либо в классе А, либо в классе AB.

Миллиамперметры в цепях коллекторов транзисторов VT1 и VT2 включены для измерения их коллекторных токов IK1 и IK2, по этим миллиамперметрам можно как задавать положение рабочих точек транзисторов при отсутствии сигнала, так и определять токи в их цепях при подаче сигналов на вход УМ.

Переключателем SA1 осуществляют переключение между однотактной (работать будет только транзистор VT1) и двухтактной схемами УМ. Переключатель SA2 позволяет немного изменять схему усилительного каскада посредством включения/выключения токостабилизирующего резистора RЭ в цепи эмиттера транзистора однотактного каскада (в схеме на рис. 5.4 функции токостабилизирующего резистора в каскаде на VT1 выполняет R3, в каскаде на VT2 R4). Переключателем SA3 производится выбор сопротивления нагрузки усилителя мощности.

В схеме макета УМ использованы резисторы: R1=1.3 кОм, R2=365 Ом,

R5=R6=R7=R8=R9=R10=R11=4 Ом, R3=R4=2.65 Ом. Питание УМ осуществляется от стабилизированного источника напряжением EК=15 В.

Для проведения исследований используются генератор стандартных сигналов, 2 электронных вольтметра переменного тока и осциллограф.

5.3. Порядок выполнения работы

1.Согласовать с преподавателем программу исследований.

2.Подключить приборы к макету:

-к гнездам Х1-Х2 подключается генератор гармонических сигналов;

-к гнездам Х3-Х6 вольтметр для измерения входного напряжения, подаваемого на УМ;

-к гнездам X7-X8 вольтметр для измерения выходного напряжения;

-к гнездам Х9-Х10 осциллограф.

После этого включить питание приборов и лабораторного макета.

3. Исследовать однотактный УМ, работающий в режиме класса А без токостабилизирующего резистора. Для задания нужной конфигурации схемы, следует установить переключатели макета в положения: SА1 в 1, SА2 в 1, SAЗ в 4, после чего настроить УМ в режим А, выполнив следующие действия:

•пользуясь ступенчатым (с пометкой “dB”) и плавным регуляторами амплитуды напряжения генератора гармонического сигнала, снизить его выходное напряжение до минимально возможного значения (при недостаточном опыте работы с генератором для контроля нужно использовать вольтметр, подключенный к клеммам Х3-Х6);

53

•потенциометром R2 установить ток покоя коллектора транзистора VT1

IK = 120 мА (условие режима класса А для однотактного каскада), ток IK

контролируется встроенным в макет амперметром);

•установить частоту сигнала генератора, равную 1000 Гц.

Далее выполнить следующий ряд измерений:

а) Снять зависимость выходного напряжения UВЫХ и тока коллектора IK от величины входного напряжения UВХ. Частота сигнала генератора остаётся при этом неизменной. В процессе измерений заполнять таблицу П5.1. При занесении значений UВЫХ в таблицу нужно следить за формой выходного колебания по осциллографу, в случае появления заметных нелинейных искажений (любое отличие формы сигнала от гармонической функции), обязательно делать в протоколе какую-нибудь пометку возле цифровых значений UВЫХ.

б) Снять нагрузочную характеристику усилителя мощности (зависимость выходного напряжения UВЫХ от сопротивления нагрузки RН при неизменном входном напряжении UВХ). Напряжение UВХ установить таким, при котором не наблюдалось нелинейных искажений при измерениях в п. 3, а. Сопротивление RН меняется посредством SA3. Результаты измерений занести в таблицу П5.2.

4. Исследовать усилитель мощности в режиме класса А при включенном токостабилизирующем сопротивлении R3. Для задания нужной конфигурации УМ переключатели макета установить в положения: SА1 в 1, SА2 в 2, SAЗ в 4. Для настройки режима работы УМ нужно выполнить следующие действия:

•снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до минимально возможного значения;

•потенциометром R2 установить ток покоя коллектора транзистора VT1

IK = 120 мА (условие режима класса А для однотактного каскада).

Далее проводить измерения по методике, примененной в п. 3, а. Результаты измерений занести в таблицу П5.3, идентичную по форме таблице П5.1.

5. Исследовать двухтактный усилитель мощности при различных режимах работы транзисторов. Для этого сначала задать конфигурацию схемы, установив переключатели в следующие положения: SA1 в 2, SА2 в 2, SА3 в 4. Затем выполнять нижеследующее строго в указанной последовательности.

а) Провести исследование двухтактного усилителя мощности в режиме класса А. Настройка двухтактной схемы УМ в режим А производится так:

•снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до минимально возможного значения;

•потенциометром R2 установить коллекторные токи покоя транзисторов IK1 и IK2, так чтобы выполнялось условие режима А:

110 мА ≤ IK1 ≈ IK2≤ 130 мА.

Далее произвести измерения: задавая последовательно уровни входного напряжения UВХ, измерять значения выходного напряжения UВЫХ и токов IК1 и IК2. Результаты измерений занести в соответствующие строки табл. П5.4.

б) Провести исследование двухтактного усилителя мощности в режиме класса АВ. Настройка двухтактной схемы УМ в режим АВ производится так:

•снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до минимально возможного значения;

54

•потенциометром R2 установить коллекторные токи покоя транзисторов IK1 и IK2, так чтобы выполнялось условие режима АВ:

20 мА ≤ IK1 ≈ IK2≤ 40 мА.

Далее провести измерения по методике, примененной в п.5, а.

в) Провести исследование двухтактного усилителя мощности в режиме класса В. Настраивать двухтактную схему УМ в режим В нужно так:

•снизить выходное напряжение генератора гармонического сигнала до минимально возможного значения;

•потенциометром R2 установить коллекторные токи покоя транзисторов IK1 и IK2, так чтобы выполнялось условие режима В:

0 мA < IK1 ≈ IK2≤ 5 мА.

Далее провести измерения по методике, примененной в п.5, а и п.5, б. Нелинейные искажения типа "ступенька", если они будут замечены, помечать в таблице не нужно.

6.Снять нагрузочную характеристику двухтактного усилителя мощности

(зависимость выходного напряжения UВЫХ от сопротивления нагрузки RН, см. п. 3, б) при работе усилителя в режиме класса А. Настроить схему по методике, изложенной в п. 5, а. Входное напряжение установить таким же, как и при

выполнении п. 3, б. Далее, меняя RН, измерять UВЫХ; результаты измерений заносить в табл. П5.5, идентичную по форме таблице П5.2.

7.Снять зависимость выходного напряжения UВЫХ от частоты при работе двухтактного УМ в режимах А и В.

Сначала следует задать необходимую конфигурацию схемы, установив переключатели в следующие положения: SA1 в 2, SА2 в 2, SА3 в 4. Затем настроить класс работы УМ: для класса А двухтактный каскад настраивается по

методике, изложенной в п. 5 а, для класса В в п. 5 в. Входное напряжение UВХ установить таким, при котором ранее не наблюдалось заметных нелинейных искажений выходного сигнала (для этого использовать пометки о наличии нелинейных искажений, выставленные при выполнении п.5, а и п.5, в). Далее, для каждого класса работы УМ изменять частоту сигнала и измерять UВЫХ. Заметим, что в силу того, что входное сопротивление исследуемого устройства сильно зависит от частоты, то при каждом новом устанавливаемом значении частоты входного сигнала может заметно изменяться величина входного напряжения.

Поэтому во избежание ошибочных измерений каждый раз после установки

нового значения частоты следует проследить за значением входного напряжения

по вольтметру и при необходимости тщательно подстроить его, сделав его равным ранее выставленному значению. Результаты измерений заносить в соответствующие строки таблицы П5.6.

По окончании работы и/или за 3..4 минуты до окончания занятия следует выключить измерительные приборы, лабораторный макет и подписать протокол измерений у преподавателя.

5.4. Оформление отчета

Отчет должен содержать:

55

1.Формулировку цели работы, схемы усилителей мощности и электрическую схему лабораторного макета.

2.Таблицы результатов измерений и вычислений:

-в таблице П5.4 для каждого режима по отдельности при всех значениях UВХ следует рассчитать значения:

•мощности, выделяемой на сопротивлении нагрузки (РН);

•выходной мощности, отдаваемой транзистором (РВЫХ);

•мощности, потребляемой УМ от источника питания (Р0);

•мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора (РК).

Врезультате в отчете таблица П5.4 должна приобрести формат таблицы 5.1.

-теми же рассчитанными параметрами следует дополнить данные

таблиц П5.1 и П5.3, в которых для расчета мощности Р0 использовать формулу Р0=ЕKIK;

-таблицу П5.6 следует дополнить строками с расчетом значений АЧХ по формуле A(f)=UВЫХ/UВХ для класса А и для класса В, а также для каждого

из классов вычислить АЧХ в децибелах по формуле AdB(f)=20 Lg(A(f)). Чтобы не нарушать последовательный порядок нумерации, при оформлении

отчета следует придерживаться изначально принятой нумерации таблиц.

Таблица 5.1

Класс UВХ, B

UВЫХ, B

IК1, мА

IК2, мА

АРН=UВЫХ2/RН, Вт

РВЫХ=РН/(η2)2, Вт*

Р0=ЕK (IK1+ IK2), Вт

РK=Р0 −РВЫХ, Вт

UВЫХ, B

	IК1, мА
АВ	...
...	...

В...

Р0=ЕK (IK1+ IK2), Вт

РK=Р0−РВЫХ, Вт

*Примечание: η2=0.75 коэффициент полезного действия трансформатора T2.

3.Графические зависимости, построенные по данным всех таблиц (при построении каждого графика нужно заранее продумать выбор масштаба по осям

графика линейный или логарифмический, учитывая диапазон изменения значений параметров):

-графики амплитудных характеристик (зависимости UВЫХ от UВХ) для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим сопротивлением RЭ, а также для

56

двухтактной схемы УМ при работе во всех трех режимах (в итоге получится 5 зависимостей на одном графике одна по данным табл. П5.1, одна по данным табл. П5.3 и три по табл. П5.4);

-графики нагрузочных характеристик (зависимости UВЫХ от RH) для однотактного и двухтактного каскадов усилителя мощности в режиме класса А (для возможности проведения сравнения построить две зависимости на одном графике, по данным табл. П5.2 и табл. П5.5);

-5 зависимостей РВЫХ от UВХ для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим

сопротивлением RЭ, а также для двухтактной схемы во всех трех режимах на одном графике;

-5 зависимостей Р0 от UВХ для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим

сопротивлением RЭ, а также для двухтактной схемы во всех трех режимах на одном графике;

-5 зависимостей РК от UВХ для однотактного усилителя мощности в режиме класса А с включенным и не включенным токостабилизирующим

сопротивлением RЭ, а также для двухтактной схемы во всех трех режимах на одном графике;

-графики амплитудно-частотных характеристик двухтактных усилителей мощности, работающих в режимах классов А и В, (две зависимости на

одном графике AdB А(f) и AdB B(f)), при построении обязательно нужно использовать логарифмический масштаб по оси абсцисс и линейный по оси ординат.

4. Вычислить КПД усилителя (η = РВЫХ /P0) для всех исследованных разновидностей и режимов работы каскадов УМ при максимальных значениях мощности, выделяемой на нагрузке PH (при этом для каждого из каскадов максимум PH искать только на множестве значений UВЫХ, когда не наблюдалось нелинейных искажений: учесть сделанные пометки в протоколе) и свести все 5 значений в таблицу, формат которой соответствует таблице 5.2. Там же для сравнения приведены теоретические значения КПД для каждого из классов усиления. Чтобы не нарушать порядок нумерации при оформлении отчета,

следует использовать для этой таблицы очередной порядковый номер, согласно последовательности нумерации таблиц в отчете.

					Таблица 5.2
Тип	однотактный каскад УМ		двухтактный каскад УМ
УМ	класс А, без RЭ	класс А, с RЭ	класс А	класс АВ	класс В
ηТЕОР	0.5	меньше 0.5	0.5	от 0.5 до 0.78	0.78
η

5. В выводах в письменной форме отразить результаты сравнительного анализа различных исследованных режимов работы усилителей мощности, опираясь на семейства построенных графических зависимостей. В частности, следует сформулировать ответы на следующие вопросы:

57

-в каком классе работы транзисторов УМ коэффициент усиления напряжения оказывается наибольшим, а в каком наименьшим;

-насколько больше коэффициент усиления двухтактной схемы УМ по сравнению с однотактной (сравнить данные для каскадов, работающих в режиме класса A с включенными токостабилизирующими сопротивлениями);

-в каком классе работы транзисторов УМ значение мощности рассеяния на коллекторе транзистора будет наибольшим, а в каком наименьшим (сравнение следует проводить при одинаковых значениях выходной мощности);

-в каком классе работы транзисторов значение рассчитанного КПД усилителя мощности является наибольшим, а в каком наименьшим, соответствуют ли полученные значения теоретическим оценкам КПД для каждого класса работы?;

-влияет ли режим работы транзисторов двухтактного УМ с трансформаторным выходом на ширину полосы его рабочих частот и если влияет, то как?;

-влияет ли класс работы транзисторов на нагрузочную характеристику

УМ, и если влияет, то как?; Кроме того, в выводах можно привести ответы на контрольные вопросы.

К отчету должен прилагаться оригинал протокола измерений, подписанный преподавателем.

5.5. Контрольные вопросы

1.Объясните отличия однотактных и двухтактных усилителей мощности: что дает использование двух транзисторов вместо одного?

2.Расскажите о назначении трансформаторов в УМ; почему одна из обмоток каждого трансформатора двухтактного УМ разделена на две секции?

3.Дайте определения режимов А, В, АВ; объясните, почему режим работы УМ связан с током покоя транзисторов.

4.Сравните свойства режимов А, В, АВ в усилителях мощности по основным параметрам: выходная мощность, мощность потребления, КПД и т. д.; подтвердите ответ данными проведенных экспериментов.

5.Что называют нелинейными искажениями? Каковы причины возникновения нелинейных искажений в трансформаторных УМ на биполярных транзисторах?

6.Как уменьшить уровень нелинейных искажений УМ?

7.Что называют частотными искажениями, как уменьшить уровень частотных искажений УМ?

8.Какие искажения вносят трансформаторы в составе УМ, как их можно уменьшить?

9.Почему на входе и выходе транзисторных УМ с трансформаторной связью часто устанавливается понижающие, а не повышающие трансформаторы (ведь понижающий трансформатор уменьшает напряжение, а повышающий мог бы обеспечить его дополнительное увеличение)?

58

10.Каков смысл термина "согласующий", применительно к трансформатору

всоставе усилителя мощности: что с чем он согласует?

11.Поясните смысл термина "токостабилизирующий", применительно к

сопротивлению RЭ (R3 на рис. 5.4) и объясните, как этот термин согласуется с данными измерений IK в табл. П5.3.

12.Предложите какой-либо вариант схемы усилителя мощности с трансформаторным выходом на полевых транзисторах.

13.Какие факторы ограничивают значение максимальной выходной мощности трансформаторных УМ на транзисторах?

14.Какие еще классы усиления (помимо рассмотренных А, АВ и В) применяются в транзисторных УМ?

15.Нарисуйте схему мостового транзисторного усилителя мощности с трансформаторным выходом и объясните принцип ее построения.

16.Нарисуйте схему двухтактного каскада УМ с трансформаторным выходом, в котором транзисторы были бы включены по схеме с общей базой.

17.Нарисуйте схему двухтактного каскада УМ с трансформаторным выходом, в котором транзисторы были бы включены по схеме с общим коллектором.

18.Докажите теоретически, что равенство выходного сопротивления источника сигналов и сопротивления нагрузки обеспечивает максимум мощности, выделяемой в нагрузке.

Библиографический список

1. ГальперинМ.В. Электронная техника: Учебник. М.: Форум, Инфра-М, 2003. 303 с.

2.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учеб. для вузов. Под ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия Телеком, 2005. 768 с.

3.Булатов Ю.А., Усов С.Н. Усилители и радиоприемные устройства. М.:

Высшая школа, 1980. С. 42 - 74.

4.Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник.

/В.П. Дьяконов и др. М.: Радио и связь, 1994. 280 с.

5.Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем.

Изд. 4-е, М.: “ Энергия”, 1977. 672 с.

59

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6 (макет №7)

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы: исследование принципа построения и основных характеристик компенсационного стабилизатора напряжения.

6.1. Методические указания по подготовке к работе

Для работы любой электронной аппаратуры необходима электрическая энергия. Электроэнергия вырабатывается путем преобразования механической, тепловой, атомной, химической, солнечной или другой энергии с помощью специальных устройств, называемых первичными источниками электропитания. К их числу относятся промышленные электростанции, автономные электромашинные генераторы постоянного и переменного тока, гальванические батареи, аккумуляторы, солнечные батареи, и т. д.

Надежность и качество работы электронной аппаратуры сильно зависят от характеристик источников электропитания, поэтому к ним предъявляют ряд вполне определенных и иногда довольно жестких требований. Любой источник электропитания должен:

-обеспечивать аппаратуру напряжением заданного значения (т. н. номинальное напряжение UВЫХ НОМ) при требуемой мощности;

-обеспечивать заданную стабильность напряжения при воздействии дестабилизирующих факторов: температуры, изменения сопротивления нагрузки, изменения напряжения первичного источника и т. д.;

-иметь минимальный уровень пульсаций (кратковременной нестабильности) выходного напряжения;

-создавать минимальный уровень помех в процессе работы, удовлетворяя требованиям электромагнитной совместимости.

Параметры первичных источников электропитания далеко не всегда удовлетворяют перечисленным требованиям. Поэтому между источником электроэнергии и потребителем включается специальное преобразующее устройство, называемое источником вторичного электропитания.

Назначение источника вторичного электропитания состоит в передаче электрической энергии от первичного источника электроэнергии к потребителю с необходимым преобразованием его количественных и качественных характеристик в условиях возмущающих воздействий. Типовые функции, выполняемые источником вторичного электропитания, состоят в преобразовании рода тока, изменении уровня напряжения, его стабилизации, подавлении пульсаций напряжения, получаемого от первичного источника. Хорошие источники вторичного электропитания содержат также устройства диагностики, блокировки и защиты, что позволяет обнаруживать неисправности, возникающие в процессе эксплуатации и не допускать попадания на аппаратуру напряжения с неудовлетворительными характеристиками, а также защищать источник от перегрузки в случае неисправности самой подключенной к нему аппаратуры.

60

В большинстве случаев для питания электронной аппаратуры требуется постоянный ток.

Одним из распространенных проявлений нестабильности входного напряжения постоянного тока являются его пульсации: когда величина напряжения непрерывно флуктуирует относительно среднего значения. Величина этих флуктуаций оценивается либо по их амплитуде (если флуктуации симметричны), либо по размаху, от минимума до максимума. Задача стабилизатора, таким образом, состоит в противодействии не только долговременным изменениям входного напряжения от первичного источника электропитания, но и относительно быстрым пульсациям и одиночным кратковременным выбросам, что предъявляет свои требования к быстродействию входящих в стабилизатор элементов.

Таким образом, устройства стабилизации напряжения (или просто стабилизаторы) должны действовать непрерывно и автоматически поддерживать напряжение на выходе равным номинальному значению при любых изменениях входного напряжения, получаемого от первичного источника.

Сравнение разных источников электропитания с целью выбора наилучшего по какому-либо критерию (или их совокупности) производится по набору характеристик, из которых важнейшими являются нижеследующие.

• Нагрузочная характеристика зависимость постоянной составляющей выходного напряжения UВЫХ= от постоянной составляющей тока нагрузки IН

UВЫХ=f1(IН);

•Переходная характеристика кривая изменения напряжения на

нагрузке во времени ∆UВЫХ(t), вызванного скачкообразным изменением тока нагрузки при резком изменении сопротивления нагрузки;

Основными параметрами стабилизаторов, по которым их сравнивают между собой, являются нижеследующие.

•Абсолютный коэффициент стабилизации равен отношению приращения напряжения на входе стабилизатора к приращению напряжения на его выходе

KСТ=∆UВХ/∆UВЫХ.

• Коэффициент подавления пульсаций входного напряжения равен отношению размаха (или амплитуды) напряжения пульсаций, действующих на входе стабилизатора к размаху (или амплитуде) пульсаций напряжения на его выходе

KПП=UВХ≈/UВЫХ≈.

Коэффициент KПП в общем случае существенно зависит от частоты пульсаций. Для низкочастотных пульсаций KПП≈KСТ.

• Выходное сопротивление стабилизатора характеризует изменения выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки (возникающих за счёт изменения сопротивления нагрузки) и определяется в виде

Ri СТ= ∆UВЫХ/∆IН.