Описание лабораторных стендов

Методические указания

По выполнению лабораторных работ

Саратов 2013

Электроника: Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов специальностей 110302 – «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», 140106 – «Энергообеспечение предприятий АПК», 140100 – «Теплоэнергетика», 110300 – «Агроинженерия», 270119 – «Теплогазоснабжение и вентиляция». Сост.: А.В. Шкуратов, А.В. Бугарь; ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2013. 70с.

Содержание

Введение ……………………………………………………………... Описание лабораторных стендов………………………………………. Указания по безопасности…………………………………………….. 4 1. Лабораторная работа № 1. Исследование транзистора……… 2. Лабораторная работа № 2. Исследование выпрямителя …….. 3. Лабораторная работа № 3. Исследование усилителя ………… 4. Лабораторная работа № 4. Исследование логических элементов ………………………………………………………………………….. 5. Лабораторная работа № 5. Исследование триггеров …………. 6. Лабораторная работа № 6. Исследование сумматора ………… Литература …………….…………………………………………... Приложение. Библиотека компонентов программы Electronics Workbench

Введение

Описание лабораторных работ предназначено для студентов Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И. Вавилова при изучении дисциплин «Электроника», «Электроника, микропроцессорная техника и средства связи», «Микропроцессорные средства и техника связи», «Электронная техника в АСУ ТП». Данные методические указания могут быть использованы также студентами, изучающими соответствующие разделы дисциплины «Электротехника и электроника».

Перечень лабораторных работ и последовательность их выполнения определяются программой по изучаемой дисциплине для каждой специальности.

Ряд лабораторных работ может выполняться на лабораторных установках, стендах, персональном компьютере. Выбор типа материальной базы для выполнения лабораторной работы производится преподавателем и указывается студентам перед подготовкой к выполнению лабораторных работ.

Описание лабораторных стендов

Лабораторные работы выполняются на лабораторном стенде «Электроника», универсальном стенде по основам автоматики и электронно-вычислительной техники, стенде по исследованию элементной базы полупроводниковых устройств или на персональном компьютере с использованием системы схемотехнического моделирования Multisim 8.

Лабораторный стенд «Электроника» (рис.1.) позволяет проводить лабораторные работы по изучению аналоговых и дискретных устройств. Конструктивно стенд состоит из лабораторного стола с жестко соединенной с ним лицевой панелью.

Рис.1. Лабораторный стенд «Электроника»

На лицевой панели закреплены:

- сетевой выключатель S1 и сетевой индикатор Н1;

- контактные гнезда;

- функциональные переключатели S4 и кнопки S2, S3;

- цифровой индикатор;

- сигнальные светодиоды Н2 – Н11.

Функционально лицевая панель разбита на пять блоков: №1 – блок питания, №№ 2 – 5 – для выполнения лабораторных работ. Все пять блоков завязаны функционально. Так блок питания №1 является общим для всех остальных блоков, поэтому при выполнении работ на блоках №№ 2 – 5 необходимо собрать стабилизатор напряжения +12В и выставлять на его выходе необходимое напряжение. Генераторы сигналов, исследуемые на блоке №4, используются для исследования схем в блоках №№ 2, 3, 5 (условные обозначения ГС1, ГС2).

Для удобства и наглядности коммутация всех схем производится стандартными перемычками.

Подготовка стенда к работе:

1. Установить на лицевой панели все тумблеры в нижнее положение «Выключено».

2. Собрать изучаемую схему лабораторной работы на лицевой панели стенда с помощью соединительных проводов.

3. Включить тумблером S1 «Сеть» питание стенда, должны загореться индикатор «Сеть» Н1 и светодиоды блока питания –12В и +5В.

Для измерений и наблюдений процессов при проведении лабораторных работ используются мультиметр и осциллограф.

Универсальный стенд ОАВТ по основам автоматики и электронно-вычислительной техники (рис.2.) позволяет проводить лабораторные работы по изучению элементов, узлов и устройств цифровой вычислительной техники.

На передней панели пульта установлены:

- разъем для подключения сменных плат с исследуемыми устройствами;

- тумблеры (переключатели) SA1 – SA5 и кнопки SB1 – SB3 для подачи логических сигналов;

- светодиодный дисплей для индикации режимов работы, а также входной и выходной информации исследуемого устройства.

Рис. 2. Универсальный стенд ОАВТ

Исследуемые принципиальные схемы размещена на платах, содержащих основные логические элементы и устройства, сосредоточенные в ИМС.

Основные элементы или их соединения исследуются с помощью специальных карт с номерами. На этих картах изображена принципиальная схема исследуемого устройства в виде соединений логических элементов, выполняющих какие-то логические функции λ.

Исследование проводится при подаче на входы схем указанных карт сигналов (0 или 1). Уровень сигнала, подаваемого от соответствующего тумблера, определяется по положению подвижного контакта (вверху – 1, внизу – 0), уровень выходного сигнала определяется по свечению индикаторов (светодиодов) HL1 – HL9.

Стенд по исследованию элементной базы полупроводниковых устройств (рис. 3.) позволяет проводить лабораторные работы по изучению как элементной базы полупроводниковых устройств (диодов, транзисторов), так и аналоговых устройств электроники, конструируемых на их основе (выпрямителей, усилителей).

Рис. 3. Стенд по исследованию элементной базы полупроводниковых устройств

Стенд состоит из двух блоков: в первом блоке установлены устройства питания, а на лицевой панели размещены электроизмерительные приборы и органы управления; второй блок представляет собой наборное поле с расположенными на нем деталями схем и коммутационными гнездами. Для удобства и наглядности коммутация всех схем производится на наборном поле стандартными перемычками. Для задания входных сигналов может использоваться низкочастотный генератор сигналов ГЗ-123. Для измерений и наблюдений процессов при проведении лабораторных работ может быть использован мультиметр и осциллограф.

При выполнении лабораторной работы на персональном компьютере используется система схемотехнического моделирования Multisim. Программа Multisim позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы разной степени сложности. Электрическая схема для исследования набирается на рабочем столе компьютера с использованием элементов библиотеки компонентов (Приложение).

Указания по безопасности

При эксплуатации лабораторных установок и стендов необходимо соблюдать следующие правила.

Лабораторные установки и стенды эксплуатировать только в помещении

без повышенной опасности по степени поражения электрическим током.

Сборку электрических схем для проведения лабораторных работ производить при отключенном питании.

При подготовке к лабораторной работе следить за правильностью сборки

схем в соответствии со схемой, представленной в описании на данную лабораторную работу.

Включение питания и выполнение работ производить только после разрешения преподавателя.

Корпус стенда должен быть заземлен. Сопротивление контура заземления не более 4 Ом.

При замене предохранителя или перед вскрытием задней крышки необходимо отключить стенд от питающей сети.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ транзистора

Цель работы

Изучить свойства транзистора, научиться снимать его входные и выходные характеристики.

Основные положения

Транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и два p-n перехода. Каждый слой полупроводника через контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один их крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, другой крайний слой и соответствующий вывод – коллектором. Транзистор называют биполярным, т.к. в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух р-п - переходов. Это взаимодействие обеспечивается тем, что толщину средней области транзистора (базы), разделяющей переходы, выбирают меньше длины свободного пробега (диффузионной длины) носителей заряда в этой области.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора п-р-п - типа, для которого концентрация основных носителей в п - области существенно выше, чем в р - области. Приложим к эмиттерному переходу прямое ( ), а к коллекторному - обратное напряжение ( ). В результате этого через эмиттерный переход в область базы будут инжектировать электроны, образуя эмиттерный ток транзистора . Поток электронов, обеспечивающий ток , показан на рис. 1.1. широкой стрелкой.

Рис. 1.1. Схема распределения токов в транзисторе п-р-п - типа

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинирует с основными для этой области носителями заряда - дырками, образуя ток базы . Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода с помощью электрического поля, создаваемого напряжением , экстрактируется в коллектор, образуя через коллекторный переход коллекторный ток . Уменьшение потока электронов через коллекторный переход (а, следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

где = 0,95…0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток , образованный потоком из п в р область неосновных для коллекторной носителей заряда – дырок, который совместно с током образует выходной ток транзистора и ток в базовом выводе . Тогда

. Учитывая, что , получим:

,

где - коэффициент передачи базового тока.

Коэффициент β>1, следовательно, данный транзистор может применяться для усиления тока.

Малые значения входного напряжения (прямое смещение эмиттерного перехода, составляющее десятые доли вольт) и большие значения выходного напряжения (обратное смещение коллекторного перехода, составляющее десятки вольт) указывают на то, что этот управляемый нелинейный элемент может применяться для усиления напряжения. Схемы с ОЭ, обеспечивают усиление, как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора.

Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. У линейного четырехполюсника связь между входными и выходными токами и напряжениями выражается системой двух линейных уравнений. В электронике наибольшее распространение получила система h- параметров четырехполюсника, выражаемая уравнениями:

,

где: входное сопротивление;

коэффициент передачи тока;

коэффициент обратной связи по напряжению;

выходная проводимость.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются:

коэффициент усиления по току

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по мощности

входное сопротивление

выходное сопротивление

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими вольтамперными характеристиками (ВАХ), показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (припостоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора п-р-п - типа для схемы включения с ОЭ приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Входные (а) и выходные (б) характеристики транзистора

Очевидно, что они имеют явно выраженный нелинейный характер. При этом входная ВАХ (рис. 1.2, а) подобна прямой ветви ВАХ диода, а выходная (рис. 1.2, б) характеризуется вначале резким возрастанием выходного тока при возрастании выходного напряжения , а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока. Переход значений выходного тока на пологий участок соответствует режиму насыщения транзистора, когда оба перехода открыты ( >0; >0).

На выходной характеристике транзистора можно выделить три области, отвечающие различным режимам работы транзистора: насыщения (заштрихованная область левее линии ОА); отсечки (заштрихованная область ниже линии ОВ), соответствующая закрытому состоянию транзистора, когда <0; <0; усиления (незаштрихованная область между линиями ОА и ОВ), соответствующая активному состоянию транзистора, когда >0; <0.

Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзистор.