Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Системи управління і автоматики
Кафедра:
Автоматики та телемеханіки
Інформація про роботу
Рік:
2002
Тип роботи:
Інші
Предмет:
Елементи дискретних пристроїв автоматики
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"
ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ОБМЕЖУВАЧА-ПІДСИЛЮВАЧА НА ТРАНЗИСТОРІ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи №9
з курсу
"ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ"
для студентів спеціальності 7.091401
"Системи управління і автоматики"
усіх форм навчання
Затверджено
на засіданні кафедри
автоматики та телемеханіки
Протокол № від
Львів 2002
Дослідження роботи обмежувача-підсилювача на транзисторі з курсу "Елементи дискретних пристроїв автоматики" для студентів спеціальності “Системи управління і автоматики” усіх форм навчання / Укл. О.С.Вітер, В.Б.Дудикевич, В.М.Максимович – Львів: НУ(ЛП(, 2002, 13с.
Укладачі: О.С.Вітер, канд. техн. наук, доц., В.Б.Дудикевич, докт. техн. наук, проф., В.М.Максимович, канд. техн. наук, доц.
Відповідальний за випуск: І.М.Ковела, к.т.н., доц.
Рецензенти: З.Р.Мичуда, З.М.Стрілецький кандидати техн. наук, доценти
1. МЕТА РОБОТИ
Метою роботи є ознайомлення з практичною схемою обмежувача амплітуди на транзисторі і вивчення його роботи.
2. ТЕОРЕТИЧНИЙ ВСТУП
Обмеження амплітуди напруги за допомогою транзистора базується на використанні роботи транзистора в режимах відсічки і насичення. На рис. 1 зображена принципова схема обмежувача на транзисторі типу n-p-n, що включений по схемі зі спільним емітером. Обмеження здійснюється в результаті запирання транзистора, при якому відбувається обмеження сигналу в колекторному колі на рівні , і при насиченні транзистора, на рівні . Таким чином можна отримати двостороннє обмеження.
На рис. 2 а,б наведені статичні характеристики транзисторного обмежувача зі спільним емітером, а на рис. 2в показаний вигляд динамічної колекторно-базової характеристики , точки зламу якої визначають порогові рівні обмеження.
Початкове положення робочої точки на динамічній характеристиці повинно бути вибрано так, щоб відрізки АВ і АС були однакові (при бажанні отримати рівностороннє обмеження). При цьому відрізки і будуть рівними і напруга на виході буде симетричною відносно осі часу.
При наростанні напруги за час додатного напівперіоду вхідної напруги робоча точка переміщується вниз по характеристиці (від А до С). Струм колектору при цьому зменшується (точки 4-5 на рис. 2б), а напруга на ньому зростає. При деякому значенні струм колектору зменшується майже до нуля. Транзистор запирається. Струм закритого n-p переходу має дві складові: теплову (некеровану) складову, що обумовлена тепловою генерацією носіїв, і складову, що обумовлена опором втрати (витікання) переходу. Струм втрати переходу незрівнянно менший теплової складової зворотного струму переходу і тому можна рахувати, що зворотний струм переходу дорівнює тільки тепловому струму. Струм суттєво залежить від температури. Приблизно можна рахувати, що струм германієвих транзисторів подвоюється при підвищенні температури на кожні 100С
. (1)
Напруга на колекторі закритого транзистора в схемі (рис. 1) дорівнює
.
Якщо опір достатньо малий, такий що
(
де – значення при максимальній температурі, то
З моменту запирання транзистора настає режим відсічки і напруга на виході буде постійною (ділянка 5,6 на рис. 2б).
При наростанні від’ємної напівхвилі вхідної напруги робоча точка переміщується вверх по характеристиці (ділянка АВ на рис. 2а).
При деякому значенні настає насичення (точка В). Струм колектора досягає максимального значення (точки 1-2 на рис. 2б), і напруга на колекторі зменшується до мінімуму.
В області насичення колекторний струм визначається в основному зовнішнім, по відношенню до транзистора, колом. При деякому значенні струму бази колекторний струм досягає величини (точка В), яка приблизно дорівнює
.
Величина струму бази насичення дорівнює
.
При струм колектора вже не змінюється і залишається рівним максимальній величині . Ступінь насичення транзистора характеризується коефіцієнтом насичення S:
. (2)
В області насичення напруга між будь-якими виводами транзистора не перевищує 0,2 В. Перепад колекторної напруги в транзисторному ключі, дорівнює різниці колекторних напруг закритого () і насиченого () транзистора, досягає (0,95(0,99) .
Особливості обмеження на транзисторі пов’язані з інерційністю самого транзистора. Якщо змінити струм бази стрибком на величину , то колекторний струм зміниться на величину не стрибком, а поступово. Теоретично процес зміни колекторного струму описується наступним виразом:
, (3)
де , а – гранична частота середнього коефіцієнта передачі струму бази.
Опір в колі бази транзистора набагато більший від вхідного опору відкритого транзистора, і струм бази визначається тільки величиною і вхідною напругою. Режим транзистора вибраний таким чином, що, коли він відкритий, він буде в стані насичення.
На рис. 3 показана загальна картина перехідних процесів в схемі транзисторного обмежувача із спільним емітером.
При подачі в базу закритого транзистора типу n-p-n додатного перепаду струму , транзистор відпирається і колекторний струм буде збільшуватись за законом
. (4)
Якщо б перепад струму був би меншим величини , при якому наступає режим насичення, час установлення колекторного струму дорівнював би , однак ми допускаємо, що , тобто .
Тривалість переднього фронту визначається моментом досягнення колекторним струмом значення струму насичення , тобто
звідки
, (5)
тобто чим більший колекторний струм у порівнянні з максимальним значенням колекторного струму , тим коротший передній фронт перепаду колекторного струму.
Якщо (, то
При великому сигналі тривалість переднього фронту буде приблизно дорівнювати .
В режимі насичення в базі створюється значна надлишкова концентрація неосновних носіїв – електронів (для транзистора типу n-p-n). Тому після закінчення вхідного імпульсу колекторний струм і колекторна напруга починають змінюватись із затримкою на час , який необхідний для розсмоктування, надлишкової концентрації неосновних носіїв в базі.
В процесі розсмоктування вхідний опір малий і вхідний струм буде визначатись в основному величиною вхідної напруги і опором в колі бази.
В момент (див. рис. 3) струм бази стрибком зменшується від до на величину
.
Під дією цього перепаду струму відбувається розсмоктування неосновних носіїв в базі транзистора на протязі часу доки колекторний струм, що дорівнює , не стане рівним , тобто не досягне межі насичення. Цей процес відбувається по закону близькому до експоненційного:
. (6)
Тривалість затримки , визначається моментом досягнення колекторним струмом значення
,
звідки
, (7)
де , і при (
. (8)
Таким чином, тривалість затримки буде тим меншою, чим менший коефіцієнт насичення і чим більший запираючий перепад струму бази.
Після закінчення процесу розсмоктування транзистор опиняється на межі активної області і з цього моменту починається формування заднього фронту імпульсу. Колекторний струм зменшується від значення до нуля під дією від’ємного перепаду струму бази від до :
.
У відповідності з перехідною характеристикою зміна колекторного струму відбувається за таким законом
. (9)
При , із (9) знайдемо
.
При великому сигналі ( тривалість заднього фронту дорівнює
.
Для усунення насичення транзистора використовується схема (рис. 4), в якій використовується від’ємний зворотний зв’язок. Доки напруга колектор-база більша падіння напруги на опорі бази , діод VD закритий. При збільшенні струму бази збільшується струм колектора і в деякий момент стане більшою від напруги , діод VD відкриється, замикаючи при цьому коло від’ємного зворотного зв’язку. Подальший ріст струму бази мало впливає на режим транзистора, так як частина струму, що надходить в базу, буде замикатись через діод. Підсилення транзистора падає і він залишається в режимі, близькому до насичення.
3. ОПИС ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ
Дослідження роботи обмежувача амплітуди на транзисторі проводиться на лабораторному столі, де установлені такі прилади:
макет обмежувача, що досліджується;
набір провідників;
джерело ;
осцилограф;
генератор звукової частоти.
4. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Вибираючи амплітуду вхідної напруги, слід враховувати, що під час додатного напівперіоду, коли транзистор закритий, між базою і колектором
прикладається напруга, що дорівнює сумі вхідної напруги і напруги джерела живлення. Щоб не допустити пробою колекторного переходу, потрібно виконати умову , де - найбільша допустима напруга між колектором і базою.
Амплітуда обмеженої напруги на виході
.
За допомогою напруги зміщення вибирається положення робочої точки на характеристиці транзистора.
5. ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1. Ознайомитись з лабораторною установкою.
2. Скласти структурну схему дослідження.
3. Зібрати схему обмежувача на транзисторі.
4. Подати на вхід обмежувача синусоїдальну напругу від генератора звукової частоти. Амплітуду вхідної напруги встановити біля 5 В, частоту - 20 кГц.
5. Змінюючи величину напруги зміщення , підібрати положення робочої точки таким чином, щоб отримати симетричне двостороннє обмеження амплітуди синусоїдальної напруги.
6. Зарисувати отриману осцилограму. Виміряти параметри отриманих імпульсів: амплітуду, тривалість імпульсу і фронту.
7. Дослідити вплив від’ємного зворотного зв’язку на форму вихідних імпульсів. Для цього відключити діод VD, отримати осцилограму вхідної напруги і порівняти її з осцилограмою при наявності в схемі діоду.
8. Порівняти тривалість зрізу імпульсів, отриманих при наявності в схемі діода і без нього.
6. КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ
1. Нарисувати схему обмежувача амплітуди на транзисторі з від’ємним зворотним зв’язком і пояснити призначення елементів схеми.
2. Пояснити роботу схеми, що досліджується.
3. Прослідкувати шляхи і напрямки колекторних і базових струмів в схемі.
4. В яких режимах працює транзистор в схемі, що досліджується ?
5. В чому полягає режим насичення транзистора і який вплив він має на тривалість зрізу вихідного імпульсу?
6. В чому полягає режим відсічки і які струми протікають при цьому в транзисторі ? Показати їх напрямок і вказати порядок величин.
7. Як вибрати положення робочої точки на характеристиці транзистора, щоб отримати симетричне двостороннє обмеження,
8. З якою метою використовуються транзисторні обмежувачі амплітуди?
9. Яким чином інерційність транзистора впливає на форму вихідного імпульсу?
7. РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЧА-ОБМЕЖУВАЧА
Для розрахунку підсилювача-обмежувача для формування симетричних прямокутних імпульсів з синусоїдальної напруги необхідні наступні технічні дані:
амплітуда вихідного імпульсу ;
тривалість фронту ;
частота вхідної напруги ;
діапазон температур .
1. Вибір напруги живлення проводиться виходячи із температурної стабільності амплітуди вихідного імпульсу
,
де - напруга насичення відкритого транзистора, - максимальне значення зворотного струму колектора.
Для отримання достатньої температурної стабільності амплітуди вибирають
.
Тому
.
2. Вибір транзистора. При виборі транзистора повинні виконуватись наступні умови:
а) допустима колекторна напруга повинна забезпечувати надійну роботу схеми, для чого необхідно щоб виконувалась умова
;
б) частотні властивості транзистора повинні забезпечувати одержання заданого фронту
.
3. Розрахунок опору . Опір визначаємо виходячи з наступних умов:
а) забезпечення достатньої температурної стабільності амплітуди вихідного імпульсу
;
б) струм колектора повинний бути меншим від максимально допустимого струму для вибраного типу транзистора, отже
.
4. Розрахунок амплітуди вхідного струму . Амплітуду вхідного струму визначимо виходячи з заданої тривалості фронту, нехтуючи малим струмом бази у початковому режимі. При розрахунку врахуємо залежність від температури
,
де
;
– значення коефіцієнта підсилення при температурі T; – значення коефіцієнта підсилення при температурі 200С; a – коефіцієнт пропорційності, який дорівнює
(0,005 ( 0,01) 1/град.
5. Розрахунок опору . Опір визначається за формулою
.
Вхідна напруга повинна бути меншою від зворотної допустимої напруги для даного типу транзистора
.
6. Розрахунок опору R. Опір R забезпечує вибір початкового режиму. Для отримання симетричного обмеження струм колектора в початковому режимі повинен бути рівним половині струму в режимі насичення
.
Для отримання такої робочої точки струм бази в початковому режимі повинен бути рівним
,
звідки
.
8. ВКАЗІВКИ ДО ЗВІТУ
Звіт повинен містити:
назву і мету роботи;
структурну схему дослідження;
схему обмежувача, що досліджується;
осцилограми напруг на вході і виході обмежувача;
короткі висновки по роботі.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства. Учебник для вузов. М., Связь, 1973.
2. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч. 1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник/ Под общ. ред. А.А.Краснопрошеной.-К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989.
3. Мандзій Б.А., Желяк Р.І. Основи аналогової мікросхемотехніки. Посібник для студентів радіотехнічних спеціальностей вузів України / Під редакцією д.т.н. проф. Мандзія Б.А. - Львів, (Тезаурус(, 1993.
Навчальне видання
ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ОБМЕЖУВАЧА-ПІДСИЛЮВАЧА НА ТРАНЗИСТОРІ
ІНСТРУКЦІЯ
до лабораторної роботи №8
з курсу
"ЕЛЕМЕНТИ ДИСКРЕТНИХ ПРИСТРОЇВ АВТОМАТИКИ"
для студентів спеціальності 7.091401
"Системи управління і автоматики"
усіх форм навчання
Укладачі: Олександр Сергійович Вітер
Валерій Богданович Дудикевич Володимир Миколайович Максимович
Редактор
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора