Управляемый преобразователь

Цель работы: изучить работу однофазного управляемого выпрямителя на активную и активно-индуктивную нагрузку; исследовать работу инвертора, ведомого сетью; снять основные характеристики управляемого выпрямителя и инвертора.

Общие сведения

Для плавного и бесконтактного регулирования напряжения в различных отраслях промышленности широко применяются управляемые выпрямители (УВ), в вентильном звене которых устанавливаются тиристоры вместо диодов. Регулирование тока и напряжения нагрузки в широком диапазоне осуществляется путем изменения момента включения тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Дополнительным преимуществом управляемых выпрямителей является возможность работы в режиме инвертирования, т.е. преобразования постоянного тока в переменный. Установки, совмещающие оба режима работы, получили название управляемых преобразователей.

Управляемый выпрямитель

Рассмотрим работу однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом на активную нагрузку (рис.5.1,а). Для простоты предположим, что тиристоры, подобно диодам, включаются в точках естественного открывания, в данном случае, после прохождения положительных полусинусоид вторичного напряжения U₂ через нуль.

По отношению к средней точке напряжения обеих вторичных полуобмоток сдвинуты по фазе на 180° (рис.5.1, б). В первый полупериод, когда на аноде тиристора VS1 появляется положительный потенциал по отношению к катоду, в верхнем контуре протекает ток от полуобмотки трансформатора через открытый тиристор в нагрузку (направление тока выделено жирной стрелкой при полярности напряжения, указанной на рис.5.1,а). В этом интервале времени тиристор VS2 закрыт отрицательным анодным напряжением.

В следующий полупериод полярность напряжения на полуобмотках трансформатора изменяется, и через открывшийся тиристор VS2 в нижнем контуре протекает ток по направлению штриховой стрелки. В этом интервале времени тиристор VS1 закрыт и не пропускает тока (рис.5.1,б).

Таким образом в двухполупериодной схеме выпрямления оба тиристора работают поочередно, а в нагрузке протекает пульсирующий ток одного и того же направления.

Форма этого тока повторяет огибающую положительных полусинусоид напряжения вторичных полуобмоток трансформатора (рис.5.1,б), а величина зависит от сопротивления нагрузки и мгновенных значений напряжения. Форма выпрямленного напряжения на нагрузке в идеальном случае приближается к огибающей положительных полусинусоид напряжения вторичных полуобмоток трансформатора.

Для регулирования тока в нагрузке каждый тиристор необходимо включать с некоторым запаздыванием по отношению к точке естественного открывания. Такое включение производится положительными импульсами, подаваемыми поочередно от СИФУ на управляющие электроды тиристоров с фазовым сдвигом w t₁, w t₂,... (рис.5.2). Соответствующие этому сдвигу по фазе углы запаздывания в электрических градусах называются углами регулирования и обозначаются буквами a¢, a¢¢ и т.д.

В данной схеме УВ углы регулирования можно изменять в пределах от 0 до 180°. Рассмотренный ранее граничный случай соответствовал условию a=0. При втором граничном случае, a=180°, ни один из тиристоров не сможет включиться, поскольку моменты подачи управляющих импульсов совпадают с нулевыми значениями напряжений на полуобмотках трансформатора.

Для промежуточных значений 0<a<180° (рис.5.2) в течение части положительного полупериода w t=a каждый тиристор остается закрытым, а включается только в момент подачи управляющего импульса. При этом ток в нагрузке возрастает скачком и в интервале wt=(p-a) оставшейся части полупериода изменяется по синусоидальному закону. С увеличением угла a сокращается время работы каждого вентиля и, естественно, снижается среднее значение выпрямленного тока и напряжения (рис.5.2). Таким образом, при изменении угла регулирования в диапазоне 0.....180° эти величины уменьшаются от своих предельных значений U_но (при a=0) до нуля (при a=180°).

Среднее значение выпрямленного напряжения на активной нагрузке (без учета потерь) определяется выражением

U_н=U_но(1+cosa)/2

Зависимость U_н=f(a) является регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

При работе на активно-индуктивную нагрузку кривая тока остается непрерывной (рис.5.3,а), поскольку энергия, запасенная в дросселе в проводящую часть полупериода, расходуется на поддержание тока до момента включения следующего тиристора. Теоретически, при L®¥, форма тока в нагрузке должна представлять собой прямую линию, а в каждом плече выпрямителя - прямоугольник.

Нельзя не отметить, что при индуктивном характере нагрузки тиристоры могут оставаться открытыми даже при отрицательном уровне напряжения каждой полуобмотки, пока ЭДС самоиндукции способствует протеканию непрерывного тока (рис.5.3). Такие условия работы сохраняются только до значений a<90°, случаю a=90° соответствуют равновеликие площади положительных и отрицательных участков полусинусоид (сравните заштрихованные площадки на рис.5.3,б). При этом среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю.

Для чисто индуктивной нагрузки регулировочная характеристика подчиняется косинусоидальному закону, U_н=U_ноcosa. При конечных значениях индуктивности в нагрузочной цепи эта кривая отклоняется от косинусоиды в сторону больших предельных углов регулирования.

Внешние характеристики управляемого выпрямителя U_н=¦(I_н) при фиксированных значениях угла регулирования (a=const) образуют семейство прямых линий с постоянным наклоном, поскольку величина падения напряжения в элементах схемы УВ не зависят от угла a.

Инвертор.

Инвертированием называется преобразование постоянного тока в переменный ток определенной величины и частоты. В связи с изменением направления потока энергии выходным звеном инвертора становится трансформатор, а на входные зажимы подключается независимый источник постоянного тока. Полярность его выбирается противоположной (по отношению к режиму выпрямления), чтобы обеспечить прямую проводимость вентилей. Для получения переменного напряжения необходимо периодически прерывать постоянный ток и распределять его по обмоткам (фазам) трансформатора тем или иным способом. В управляемых преобразователях функции ключей-распределителей выполняют тиристоры.

В зависимости от того, какими средствами осуществляется переход тока от вентиля к вентилю (коммутация тока), различают:

автономные (независимые) инверторы (с принудительной емкостной коммутацией при любой задаваемой частоте);

инверторы, ведомые сетью (с коммутацией напряжением сети при частоте сети).

В данной работе исследуется инвертор второй группы, в котором активная мощность передается от источника ±120 В в сеть переменного тока при одновременном потреблении реактивной из сети.

В инверторном режиме тиристоры должны пропускать ток преимущественно при отрицательных полупериодах напряжения в каждой полуобмотке.

Их переключение происходит благодаря тому, что напряжение на аноде открываемого тиристора оказывается положительным и более высоким, чем у работающего за счет источника постоянного тока, а также возникающей ЭДС самоиндукции. В этом случае дроссель способствует поддержанию непрерывного тока в каждом контуре, улучшает форму кривой переменного напряжения и фильтрует высшие гармоники.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что протекание токов в вентильных полуобмотках трансформатора при изменении полярности ЭДС свидетельствует об изменении направления потока энергии - от источника постоянного тока в сеть переменного тока (рис.5.4,а).

Переход преобразователя от выпрямительного к инверторному режиму показывают временные диаграммы напряжения и тока (сравните рисунки 5.3 и 5.4).

При углах регулирования a<90° преобразователь отдает непрерывный ток в активно-индуктивную нагрузку (рис.5.3,а), и напряжение на ее зажимах положительно (U_н>0).

При установке a=90° ЭДС самоиндукции дросселя еще поддерживает непрерывный ток, однако напряжение на нагрузке равно нулю. В этом случае трансформатор выпрямителя обменивается с сетью реактивной мощностью (рис.5.3,б).

При дальнейшем увеличении углов регулирования, a>90°, наступает режим прерывистых токов, поскольку отдаваемая в контур энергия индуктивности дросселя не может превысить запасенную им в проводящую часть периода (рис.5.3,в).

Если же при a>90° источник постоянного тока с полярностью, указанной на рис.5.4,а обеспечивает непрерывный ток, то преобразователь переходит в инверторный режим с изменением знака напряжения

U_н=U_ноcosa=U_ноcos(p-b)=-U_ноcosb .

Здесь угол b , вводимый по аналогии с выпрямительным режимом, называется углом опережения включения. Этот угол отсчитывается от точек wt=kp в сторону нуля (рис.5.4,б), k=1,2... .

С увеличением угла регулирования a до 180° среднее значение напряжения преобразователя увеличивается. Теоретически, при b=0 напряжение холостого хода инвертора соответствует этой же величине при a=0 для управляемого выпрямителя. Однако в реальных условиях необходимо вводить запас по углу b_min»10...15°, с тем, чтобы завершить процесс коммутации переключаемых фаз и восстановить управляющие свойства тиристоров до момента их естественного открывания.

Входные характеристики инвертора U_н=¦(I_н) при фиксированных значениях углов опережения (b=const) подобны внешним характеристикам управляемого выпрямителя.

Предварительное задание к эксперименту

В экспериментальной части данной работы предусмотрено исследование основных характеристик для схемы однофазного преобразователя с выводом нулевой точки трансформатора. Предварительно необходимо для преобразователя, работающего в режиме выпрямителя на чисто активную нагрузку:

1. Рассчитать и построить регулировочную характеристику U_н=¦(a) для a в диапазоне от 0° до 180°. При этом принять, что напряжение U₂=127 В.

2. Для значений a, приведенных в таблице 5.1, рассчитать внешнюю характеристику U_н=¦(I_н), приняв х_а=60 Ом.

Таблица 5.1

№варианта
a,град.

3. Построить совмещенные временные диаграммы u₂(wt), u_н(wt) и i_н(wt) для a, заданного вариантом таблицы 5.1.

Порядок выполнения эксперимента

1. Ознакомиться с назначением всех элементов на передней панели стенда и после разрешения преподавателя подать питание от сети 220 В. Переключатель режима работы поставить в положение “ВЫПРЯМИТЕЛЬ”.

2. Включить осциллограф, подключить его входы к гнездам “управляющий электрод” и “катод” тиристоров и зарисовать форму управляющих импульсов, обратив внимание на изменение их длительности в диапазоне a=0...180°. Отсчет углов регулирования - по фазоуказателю.

3. Снять регулировочные характеристики управляемого выпрямителя U_н=¦(a) для активной (при закороченном дросселе) и активно-индуктивной нагрузки (R_{н max}). Результаты эксперимента занести в табл.5.2. и сопоставить с рассчитанной в предварительно задании характеристикой U_н=¦(a).

Таблица 5.2

Угол регулирования,a	0°	30°	60°	90°	120°	150°	Прим.
Uн	Активная нагрузка
Активно-индуктивная нагрузка

4. На экране осциллографа просмотреть форму выпрямленного напряжения на нагрузке, при включенном дросселе и без него, для разных углов регулирования. Зарисовать осциллограммы при a=0 и a=60° при минимальном значении тока нагрузки.

5. Изменяя ступенями сопротивление резистора R_н, снять семейство внешних характеристик выпрямителя U_н=¦(I_н) для активной и активно-индуктивной нагрузки при фиксированных значениях a=30°, 60° и a, заданного табл.5.1. Результаты эксперимента занести в табл.5.3 и сопоставить с результатами предварительного расчета.

Таблица 5.3

Активная нагрузка	a=30°	Uн(В)
Iн(мА)
a=60°	Uн(В)
Iн(мА)
a=	Uн(В)
Iн(мА)
Активно-индуктивнаяи нагрузка	a=30°	Uн(В)
Iн(мА)
a=60°	Uн(В)
Iн(мА)
a=	Uн(В)
Iн(мА)

6. Перевести преобразователь в режим инвертирования. Для этого установить по фазоуказателю максимальный угол, подать от стабилизированного источника питания постоянное напряжение ±120 В на стенд и установить переключатель режима работы преобразователя в положение “ИНВЕРТОР”.

Примечание: при этом переключении реле блока защиты замыкает цепь нагрузки и включает реостат последовательно с источником постоянного тока. О нормальной работе лабораторного стенда сигнализирует красная лампочка.

7. Изменяя сопротивление резистора R_н снять семейство входных характеристик инвертора U_н=¦(I_н) для фиксированных значений углов регулирования, a=120°, a=150° (соответственно b=60° и b=30°). Данные эксперимента внести в табл.5.4.

Таблица 5.4

b=30° (a=150°)	Iн(мА)
Uн(В)
b=60° (a=120°)	Iн(мА)
Uн(В)

После окончания эксперимента переключатель режима работы поставить в положение “ВЫПРЯМИТЕЛЬ”. Снять питание постоянного тока, отключить напряжение сети, схему привести в исходное состояние.

Содержание отчета

Схема лабораторной установки. 2. Результаты предварительного расчета. 3. Временные диаграммы управляющих импульсов СИФУ. 4. Регулировочные характеристики УВ для активной и активно-индуктивной нагрузки (на одном графике). 5. Семейства внешних характеристик управляемого выпрямителя и входных характеристик инвертора (на одном графике). 6. Осциллограммы выпрямленного напряжения для активной и активно-индуктивной нагрузки при a=0° и a=60°.

Контрольные вопросы

1. Опишите работу УВ и назовите область его применения.

2. Объясните различие между режимом выпрямления и инвертирования. 3. Перечислите достоинства и недостатки управляемых преобразователей. 4. Что представляют собой регулировочные характеристики УВ? 5. Какие функции выполняет дроссель в схеме УВ? 6. Объясните ход внешних характеристик управляемого выпрямителя и входных характеристик инвертора. 7. Как изменяется величина пульсации выпрямленного напряжения при изменении углов регулирования и при изменении величины тока?

Лабораторная работа № 6

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Цель работы: изучение устройства, принципа действия и исследование характеристик компенсационного стабилизатора постоянного напряжения и стабилизатора тока.

Общие сведения

Стабилизатором называют устройство, автоматически поддерживающее с заданной точностью напряжение или ток в нагрузке при изменении питающего напряжения или сопротивления нагрузки в обусловленных пределах.

Основным параметром стабилизатора напряжения является коэффициент стабилизации напряжения, а стабилизатора тока - коэффициент стабилизации тока

K_{ст U}= ; K_{ст I}= при R_н=const,

где U_вх, U_вых, I_вых - номинальные напряжения на входе и выходе стабилизатора и номинальный ток нагрузки;

DU_вх, DU_вых, D I_вых - изменения напряжений на входе и выходе стабилизатора и изменение тока нагрузки.

Влияние нагрузки R_н оценивается по внешним характеристикам U_вых(I_вых) и I_вых(R_н) или выходным (внутренним) сопротивлением стабилизатора

R_вых= при U_вх=const.

Для стабилизатора напряжения R_вых << R_н, а для стабилизатора тока - R_вых>>R_н.

Применяют два типа стабилизаторов: параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ), обеспечивающие постоянство напряжения при значительных изменениях тока для стабилизаторов напряжения и постоянство тока при изменении напряжения в стабилизаторах тока. Такими элементами могут быть стабилитроны, бареттеры или транзисторы.

Компенсационные стабилизаторы напряжения имеют большие коэффициенты стабилизации и меньшее R_вых при более высоком КПД. Структурная схема такого стабилизатора приведена на рис.6.1. Стабилизатор состоит из источника эталонного напряжения (1), измерительного элемента (2) и регулирующего элемента (3).

На входы измерительного элемента подаются эталонное напряжение U₀ и U_вых. Если U_вых не равно U₀ появляется сигнал рассогласования, который поступает на вход регулирующего элемента. Под действием этого сигнала падение напряжения на регулирующем элементе меняется таким образом, чтобы U_вых оставалось постоянным

U_вых=U_вх-DU=const.

В качестве источника эталонного напряжения чаще всего используется стабилитрон, а роль регулирующего элемента выполняет транзистор или составной транзистор. В большинстве современных стабилизаторов измерительный элемент выполняется на операционном усилителе.

В работе предлагается исследовать компенсационный стабилизатор на транзисторе, схема которого показана на рис.6.2. Источник эталонного напряжения выполнен на стабилитроне VD, режим которого задается резистором R₂. Транзистор VT2 выполняет роль измерительного элемента. Изменение U_вых приводит к изменению I_б2 и соответственно к изменению I_к2. Изменение I_к2 вызывает противоположное изменение I_б1, так что U_вых= U_вх-U_кэ1 остается практически неизменным.

K_{cm U}= h₂₁/(h₁₁+R₁); R_вых= .

В настоящее время широко применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Например, микросхема К142ЕН1 представляет собой регулируемый стабилизатор с выходным напряжением 3-12 В на ток до 150 мА. В схеме предусмотрена защита от перегрузки и коротких замыканий на выходе.

Схема исследуемого стабилизатора тока показана на рис.6.3. На базе транзистора VT поддерживается постоянный потенциал, задаваемый параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD. Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь транзистора VT, который работает по схеме ОБ, где I_к=aI_э.

Ток эмиттера I_э определяется напряжением U_эб=U₀-R₂I_э

Благодаря этому устанавливается режим работы

I_э=(U₀-U_эб)/R₂=const

У современных транзисторов a®1, таким образом, получается устройство, выходной ток которого I_вых=I_к»I_э, не зависит от R_н, а определяется только U₀ и R₂. Режим стабилизации поддерживается до тех пор, пока транзистор VT работает в активном режиме, т.е. U_вх>DU+I_выхR_н, где DU - напряжение насыщения транзистора.

Отсюда максимальное значение сопротивления нагрузки, при котором сохраняется рабочий режим стабилизатора

R_{н max}= .

Коэффициент стабилизации тока

K_ст=I_вых/(U_вхh₂₂).

Выходное сопротивление стабилизатора

R_вых= .

Предварительное задание к эксперименту

Для компенсационного стабилизатора напряжения (рис.6.2) рассчитать K_ст и R_вых, если R1=6,8 кОм; R3=1,2 кОм; R4=6,8 кОм; для транзистора VT2: h₁₁=1,2 кОм; h₂₁=180. Входное и выходное напряжения принять U_вх=22 В; U_вых=12 В.

Используя метод эквивалентного генератора при U_вых холостого хода 12 В и рассчитанном в п.1 значение R_вых, определить изменение выходного напряжения DU и выходное напряжение стабилизатора при заданном в табл.6.1 токе нагрузки I_н.

Рассчитать R_вых стабилизатора тока (рис.6.3), если R2=180 Ом, дифференциальное сопротивление стабилитрона r_д=35 Ом. Транзистор VT имеет следующие параметры: h₁₁=50 Ом; h₂₂=1 мСм; h₂₁=30.

Определить для стабилизатора тока максимально допустимое сопротивление нагрузки R_{н max} при U_вх и I_вых, заданных в табл.6.1. Принять DU=1 В. Используя результаты расчетов по п.3 и п.4, определить относительное изменение выходного тока DI_вых/I_{вых к} при изменении сопротивления нагрузки от 0 до R_{н max} (I_вых.к - ток при R_н=0).

Таблица 6.1

Варианты
Iн, мА
Uвх, В
Iвых, мА

Порядок выполнения эксперимента

Входное напряжение U_вх на стабилизаторы подается от выпрямителя, который исследовался в лабораторной работе 4. U_вх измеряется вольтметром V1.

Подготовить схему однофазного мостового выпрямителя с П-образным фильтром, поставив в нужное положение выключатели В1-В4.

Подключить нагрузку R_н к выходным клеммам стабилизатора напряжения и дополнительные цифровые приборы для измерения тока нагрузки I_н и выходного напряжения U_вых.

Включить выключатель стабилизатора напряжения и выключатель выпрямителя (выключатель стабилизатора тока должен быть выключен). При минимальном токе нагрузки снять зависимость U_вых (U_вх), изменяя U_вх от 0 до максимального значения с помощью регулятора напряжения U₁. Построить график зависимости и определить по ней K_cm. Сравнить с расчетным по п.1 предварительного задания К_ст.

Установить максимальное входное напряжение U_вх. Изменяя сопротивление нагрузки во всем диапазоне, снять зависимость U_вых(I_н). Построить выходную характеристику стабилизатора и определить по ней R_вых. Сравнить с результатами расчетов по п.2 предварительного задания.

Отключить выключатели выпрямителя и стабилизатора напряжения. Подключить нагрузку к выходу стабилизатора тока.

Включить выключатель стабилизатора тока и выключатель выпрямителя. Установить с помощью регулятора U₁ максимальное входное напряжение. Изменяя R_н во всем диапазоне, снять зависимость I_вых(U_вых). По полученным результатам рассчитать для каждого измерения R_н и построить I_вых(R_н). Определить R_{н max} и R_вых стабилизатора. Сравнить с результатами расчетов предварительного задания.

Установить минимальное сопротивление нагрузки R_н (минимальное U_вых). Изменяя U_вх от 0 до максимального значения, снять зависимость I_вых(U_вх). Построить график I_вых(U_вх) и определить K_cm. Сравнить с результатами расчетов предварительного задания.

Содержание отчета

Цель работы; полные схемы компенсационного стабилизатора напряжения и стабилизатора тока с обозначением всех элементов, указанием токов, напряжений; результаты расчета предварительного задания; результаты эксперимента в виде таблиц и графиков; результаты расчетов K_cm, R_вых по графикам; сравнительный анализ результатов.

Контрольные вопросы

1. Каково назначение электронных стабилизаторов? 2. Как устроен и как работает параметрический стабилизатор напряжения и тока? 3. Поясните назначение элементов схемы компенсационного стабилизатора напряжения? 4. От каких элементов зависит коэффициент стабилизации? 5. Как можно осуществить регулирование U_вых стабилизатора напряжения? 6. Поясните принцип действия стабилизатора тока. 7. Как можно изменить выходной ток стабилизатора? 8. Почему стабилизатор тока может работать только на нагрузку с R меньше R_нmax? 9. Почему стабилизатор тока и стабилизатор напряжения имеют разные выходные сопротивления?

Лабораторная работа №7

ИССЛЕДОВАНИЕ НА ПЭВМ КАСКАДА УСИЛЕНИЯ НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ ОЭ

Цель работы: изучить принцип работы усилительного каскада с ОЭ и исследовать влияние элементов схемы на параметры и характеристики усилителя.

Общие сведения

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n-p-n (рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

Выбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I_кп³I_mн=U_{m вых}/R_н

Напряжение покоя обычно выбирается U_кэп=E_к/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I_к=

Линию нагрузки можно построить в координатах I_к, U_кэ по двум точкам. Одна из них - точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению - если принять I_к=0, то U_кэ=E_к. Построение статической линии нагрузки показано на рис.7.2 (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R_к и R_Б:

R_к= ;

R_Б= ; I_Бп=I_Кп/h₂₁

При работе каскада в режиме холостого хода и i_вх=I_mвхsinwt рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E_к/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R_к включается R_н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай - Di_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением Di_к и подсчитав изменение напряжения DU_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рис.7.2 (c-d). Очевидно, что угол между осью U_кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R_н (при R_н=0 он составит 90°). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U_{вых пр} с уменьшением R_н становится меньше E_к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

к_и= ;

;

к_р=к_ик_i.

Предварительное задание к эксперименту

Транзистор каскада имеет следующие параметры:

h₁₁=0,5 кОм; h₂₁=25; h₂₂=0,3 мкСм; h₁₂=0.

Напряжение база-эмиттер U_бэ принять равным во всех режимах 0,6 В. Напряжением U_кэ в режиме насыщения пренебречь. Напряжение источника питания E_к=12 В.

1. Рассчитать величину R_к, которая обеспечит на холостом ходу заданный в таб.7.1. коэффициент усиления. Начертить в координатах I_к, U_кэ линию нагрузки. Рассчитать сопротивление R_Б, которое позволит получить максимальную амплитуду выходного напряжения U_{m вых}, без искажений. Показать положение точки покоя на линии нагрузки и определить предельную величину U_{вых пр}.

2. Определить амплитуду входного напряжения U_{m вх}, соответствующего определенному в п.1 значению U_{вых пр}.

3. Рассчитать при заданном в табл. 7.1 сопротивлении нагрузки R_н значения коэффициентов усиления к_и,, к_р, к_i. Построить динамическую линию нагрузки и определить предельную величину U_{m вых}, сравнить с предыдущими результатами.

4. Рассчитать амплитуду входного напряжения U_{m вх}, позволяющего получить максимальное выходное напряжение без искажений.

5. Определить R_н, при котором к_р достигает максимального значения. Рассчитать это значение к_р.

Таблица 7.1

Вариант
к u
Rн, кОм	0,5	1,0	1,5	2,02	2,5	3,0	3,5	4,0

Порядок выполнения эксперимента

Математическая модель каскада усиления реализована в программе LAB7.EXE. При запуске она иллюстрирует работу каскада при выбранных в качестве примера значениях R_к, R_Б, R_н и U_{m вх}, которые высвечиваются на экране монитора. На экран выводятся линии нагрузки с указанием положения точки покоя, осциллограммы входного и выходного напряжений, значения коэффициентов усиления и параметры точки покоя. После нажатия клавиши “Ввод” изображается амплитудная характеристика каскада, и программа переходит в диалоговый режим.

Ввод новых значений R_к, R_Б, R_н и U_{m вх} производится в рамку, которая высвечивается у соответствующей величины. Перемещение рамки с помощью клавиш “Вверх”,“Вниз”. После ввода данных нажать клавишу “Ввод”.

1. Ввести рассчитанные значения R_к , R_Б и R_н=1000 кОм для режима холостого хода. Записать значение к_u, параметры режима покоя и начертить с экрана в масштабе амплитудную характеристику каскада. По характеристике определить U_{вых пр} и сравнить с результатом расчета предварительного задания.

2. Увеличить в 2 раза R_к. Записать значение к_u и нанести на предыдущий график амплитудную характеристику каскада в этом режиме. Объяснить изменения к_u.

3. Ввести рассчитанные значения R_к , R_н. Записать значения к_u, к_i, к_р и сравнить с расчетными. На предыдущем графике нанести амплитудную характеристику. Определить U_{вых пр}. Сравнить с расчетным.

4. Ввести рассчитанную в п.4 предварительного задания величину U_{m вх} и проверить отсутствие искажений. Перечертить с экрана осциллограммы входного и выходного напряжений.

5. Увеличить U_{m вх} в два раза, обратить внимание на появление нелинейных искажений. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений.

6. Изучить влияние R_Б на форму U_вых, для чего ввести при первоначальном значении U_{m вх} значения R_Б, равные 0,6 и 2,0 от расчетного. Перечертить осциллограммы входного и выходного напряжений. Объяснить причины появления нелинейных искажений.

Содержание отчета

Цель работы: схема исследуемого каскада; расчет предварительного задания; значения коэффициентов усиления, амплитудные характеристики и осциллограммы по каждому пункту выполненного эксперимента; краткие выводы.

Контрольные вопросы

1. Объяснить принцип работ каскада усиления, назначение основных элементов схемы. 2. Какими параметрами характеризуется усилитель? 3. Какое влияние на параметры каскада оказывает R_к? 4. Что такое нелинейные искажения и причина их появления? 5. Можно ли получить неискаженный выходной сигнал, если заданное U_{вых m}>E_к/2? 6. Какое влияние оказывает R_Б на положение точки покоя? 7. Всегда ли нужно выбирать U_кэп»E_к/2 ?

Лабораторная работа №8