Нормальная работа всех активных элементов радиоэлектронной аппаратуры - транзисторов, тиристоров и микросхем -рассчитана на питание постоянным напряжением. Но такие источники тока, как батареи сухих элементов и аккумуляторы, недолговечны, расходуют запасенную ими электрическую энергию и поэтому нуждаются в периодической замене или подзаряде. Отсюда химические источники электрической энергии могут считаться приемлемыми исключительно для питания носимой аппаратуры или аппаратуры, эксплуатируемой в условиях отсутствия постоянных источников тока. Питание стационарной профессиональной и бытовой аппаратуры удобнее осуществлять от сети переменного тока, используя для этого преобразователь переменного напряжения в постоянное. Таким преобразователем и является выпрямитель.

Различные транзисторы, микросхемы и другие приборы рассчитаны на питание разными напряжениями, поэтому наличие в электросети именно переменного напряжения оказывается очень удобным, так как при помощи трансформатора на его вторичных обмотках из стандартного напряжения сети 220 В легко можно получить любые другие значения напряжений. Получить же различные напряжения при наличии сети постоянного тока оказалось бы значительно сложнее.

Простейшим выпрямительным устройством является од-нополупериодный выпрямитель, схема которого приведенная на рис. 35. Ее отличительной особенностью является то, что диод пропускает ток только в течение одной половины периода переменного напряжения, когда оно положительно

на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора. Поэтому схема и называется однополупериодной.

Если бы параллельно нагрузке R не был подключен конденсатор С, форма напряжения на нагрузке была бы такой, как показано штриховой линией, и напряжение вместо постоянного на нагрузке было бы пульсирующим. Конденсатор сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. После включения при первом же положительном полупериоде конденсатор быстро заряжается. Ток заряда течет по вторичной обмотке трансформатора через открытый диод, конденсатор и обратно к вторичной обмотке. Сопротивление этой цепи мало и определяется сопротивлением обмотки и открытого диода. Поэтому заряд конденсатора происходит быстро. В точке А напряжение заряженного конденсатора почти равно напряжению на обмотке, а в дальнейшем оказывается больше его, из-за чего диод запирается и заряд конденсатора прекращается.

Теперь начинается разряд конденсатора на нагрузку R. Сопротивление нагрузки значительно больше, чем сопротивление цепи

заряда. Поэтому разряд конденсатора происходит медленно, до точки Б, когда напряжение на обмотке трансформатора вновь становится больше напряжения на конденсаторе, и вновь начинается его заряд. Результирующее напряжение на конденсаторе и нагрузке показано сплошной линией. Оно содержит постоянную составляющую (собственно выпрямленное напряжение) и переменную составляющую, которая называется напряжением пульсаций. Очевидно, что чем меньше сопротивление нагрузки (или чем больше потребляемый нагрузкой от выпрямителя ток), тем больше амплитуда пульсаций и меньше выпрямленное напряжение, так как в таком режиме точка Б будет располагаться ниже. Чем больше емкость конденсатора, тем медленнее он станет разряжаться и тем меньше будет амплитуда пульсаций и больше выпрямленное напряжение. Поэтому в схемах выпрямителей используют электролитические конденсаторы большой емкости.

Наибольшее выпрямленное напряжение определяется амплитудой переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. По этой причине рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее этого значения напряжения.

Выбор диода в этой схеме связан со следующими требованиями. Средний выпрямленный ток диода равен току нагрузки. Прямой импульсный ток диода равен отношению амплитуды напряжения на вторичной обмотке трансформатора к сопротивлению этой обмотки. Наконец, во время отрицательного полупериода к диоду прикладывается обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения на вторичной обмотке.

Недостаток однополупериодной схемы выпрямления очевиден: из-за большого промежутка времени между моментами А и Б, который несколько превышает половину периода, конденсатор успевает заметно разрядиться, что приводит к повышенной амплитуде пульсаций выпрямленного напряжения. Дальнейшее сглаживание этих пульсаций затруднено тем, что частота пульсаций равна частоте сети питающего напряжения 50 Гц. В связи с этим выпрямители, собранные по однополупериодной схеме, используются лишь при больших сопротивлениях нагрузки, то есть при малом токе потребления,

когда постоянная времени разряда конденсатора велика и он не успевает заметно разряжаться за время отрицательных полупериодов напряжения.

Указанные недостатки выражены слабее в двухполупери-одной схеме выпрямления, которая показана на рис. 36. Здесь

используются два диода и вдвое увеличена вторичная обмотка трансформатора, оснащенная средней точкой. В течение одного полупериода конденсатор заряжается через один диод, а второй в это время заперт, в течение второго полупериода второй диод отпирается, а первый заперт. Форма напряжения на нагрузке при отсутствии конденсатора показана штриховой линией, а при наличии конденсатора - сплошной. Время, в течение которого конденсатор разряжается, уменьшено в этой схеме более чем вдвое. По этой причине выпрямленное напряжение получается больше, а амплитуда пульсаций значительно меньше, чем при использовании однополупериодного выпрямителя. Существенно также и то, что частота пульсаций вдвое превышает частоту питающей сети и составляет 100 Гц, что значительно облегчает последующее их сглаживание.

Несмотря на указанные преимущества, двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой обладает и недостатками, к которым относятся услож-нениетрансформатора, а также

невозможность создания двух совершенно одинаковых половин вторичной обмотки. Это приводит к тому, что амплитуды напряжений на половинах вторичной обмотки оказываются разными. В связи с тем, что конденсатор заряжается попеременно от каждой из половин вторичной обмотки, в составе пульсаций выпрямленного напряжения появляется составляющая с частотой 50 Гц, хотя она и меньше, чем при однополу-периодном выпрямлении. Двухполупериодная схема выпрямителей широко использовалась в эпоху ламповой техники, когда применялись двуханодные кенотроны с общим катодом. Их оказывалось удобно применять в такой схеме, где катоды диодов соединены и для обоих диодрв можно использовать одну обмотку накала. У полупроводниковых диодов отсутствует подогреватель и с их внедрением двухполупериодная схема со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, потеряв указанное преимущество, оказалась полностью вытесненной мостовой схемой выпрямления, которая в устаревшей литературе называется схемой Греца.

Мостовая схема выпрямителя показана на рис. 37. Вместо двух диодов она содержит четыре, но зато не нуждается в удвоении вторичной обмотки трансформатора. В течение одной половины периода переменного тока ток проходит от верхнего по схеме вывода вторичной обмотки через диод VD2, нагрузку, через диод VD3 к нижнему выводу вторичной обмотки. В течение следующей половины периода ток проходит от нижнего вывода обмотки через диод VD4, нагрузку, через диод VD1 к верхнему выводу вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение обоих полупериодов в нагрузке протекает ток одного и того же направления и диодами выпрямляется одно и то же переменное напряжение вторичной обмотки. Благодаря этому в составе пульсации составляющая с частотой 50 Гц отсутствует.

Мостовая схема выпрямления также является двухполупе-риодной. Форма напряжения на нагрузке в этой схеме оказывается такой же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой. Рабочее напряжение конденсатора также равняется амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Однако требования к диодам в обеих двухполупериодных схемах отличаются от требований в однополупериодной схеме.

Рис. 37. Мостовая схема выпрямления

В связи с тем, что ток нагрузки проходит через диоды поочередно, средний выпрямленный ток каждого диода равен половине тока нагрузки.

Обратные напряжения на диодах мостовой схемы равны не удвоенной, а одинарной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Обратные напряжения на диодах двухполупериодной схемы со средней точкой и значения импульсных токов обеих схем такие же, как и в однополупериодной схеме. Однако ток вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме равен по своему эффективному значению току нагрузки, что вдвое больше, чем в однополупериодной схеме и в схеме со средней точкой. Поэтому сечение провода вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме должно быть в два раза больше, чем в двух других (диаметр провода - в 1,41 раз больше).

Удвоение количества диодов в мостовой схеме с лихвой окупается вдвое уменьшенным количеством витков вторичной обмотки трансформатора и уменьшением пульсаций выпрямленного напряжения. Для упрощения монтажа мостовых схем промышленностью выпускаются готовые сборки из четырех одинаковых диодов в одном корпусе, которые уже соединены между собой по схеме моста. К таким сборкам, например, относятся сборки типа КД906 со средним выпрямленным током до 400 мА и обратным напряжением до 75 В.

Недостатком мостовой схемы является прохождение выпрямленного тока последовательно через два диода. Падение напряжения на открытом кремниевом диоде достигает 1 В, а на двух последовательно включенных диодах падение напряжения при максимальном прямом токе составляет 2 В. Если выпрямитель рассчитан на низкое выпрямленное напряжение,

которое соизмеримо с падением напряжения на диодах, требуется увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Это необходимо учитывать при расчете выпрямителя.

Если необходимо получить выпрямленное напряжение, которое превышает амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, можно использовать однополупериодную схему удвоения выпрямленного напряжения, приведенную на рис. 38. В течение первого полупериода, когда ток вторичной обмотки направлен по схеме сверху вниз, открыт диод VD1 и заряжается конденсатор С1,

Рис. 38. Схема однополупериодного удвоения напряжения

как в схеме однополупериодного выпрямителя. В течение второго полупериода ток вторичной обмотки протекает снизу вверх. Диод VD1 заперт, и отпирается диод VD2. Теперь конденсатор С2 заряжается суммарным напряжением вторичной обмотки трансформатора и напряжением заряженного конденсатора С1, которые соединены согласно. Благодаря этому на конденсаторе С2 образуется удвоенное напряжение. Рабочее напряжение конденсатора С1 равно амплитуде, а рабочее напряжение конденсатора С2 - удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора. Обратные напряжения обоих диодов равны удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Частота пульсаций равна частоте сети - 50 Гц.

Удвоенное напряжение на конденсаторе С2 и низкая частота пульсаций являются недостатком данной схемы. Кроме того, во время заряда конденсатора С2 конденсатор С1 быстро разряжается током заряда конденсатора С2. Во избежание резкого увеличения пульсаций и уменьшения выпрямленного напряжения приходится выбирать емкость С1 значительно больше

емкости С2. Поэтому, если использование этой схемы не диктуется построением остальной схемы блока питания, лучше приме нять другую схему удвоения напряжения, показанную на рис. 39.

Здесь за один полупериод заряжается через диод один конденсатор, а в течение второго полупериода через второй диод заряжается второй конденсатор. Выходное выпрямленное напряжение снимается с обоих конденсаторов, включенных последовательно и согласно. Каждый конденсатор

заряжается по схеме однопо-лупериодного выпрямителя, но суммарное напряжение оказывается двухполупериодным, разряд конденсаторов происходит только через нагрузку, поэтому частота пульсаций вдвое больше частоты питающей сети, а форма выходного напряжения аналогична форме у двухполупериодного выпрямителя. Выходное напряжение почти равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Рабочее напряжение обоих конденсаторов равно амплитуде этого напряжения. Обратное напряжение на каждом диоде равно удвоенной амплитуде. Таким образом, использование этой схемы выгоднее, чем схемы, показанной на рис. 38.

Интересно заметить, что при постоянном значении напряжения на вторичной обмотке трансформатора мостовая схема обеспечивает получение выпрямленного напряжения в два раза большего, а схема удвоения напряжения (см. рис. 39) -в четыре раза большего, чем двухполупериодная схема со средней точкой. Следует упомянуть, что в устаревшей литературе схема удвоения напряжения, приведенная на рис. 39, называется схемой Латура.

Рассмотрим еще две схемы выпрямителей с умножением напряжения. На рис. 40 приведена схема выпрямителя с учетве-рением напряжения, построенная по тому же принципу, что и схема, приведенная на рис. 38. В течение одного полупериода заряжаются конденсаторы С1 напряжением обмотки и СЗ суммой напряжения обмотки и заряженного конденсатора С2 минус напряжение на С1; при этом С2 разряжается.

Конденсатор С1 заряжается до амплитуды, а СЗ - до удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. В течение следующего полупериода заряжаются С2 суммарным напряжением на обмотке и на С1, а также С4 суммой напряжений на обмотке, на С1 и на СЗ минус напряжение на С2; при этом С1 и СЗ разряжаются. Оба конденсатора С2 и С4 заряжаются до удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. Результирующее напряжение снимается с соединенных последовательно и согласно конденсаторов С2 и С4. Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме составляет, как и в схеме на рис. 38, 50 Гц.

Рис. 40. Схема однополупериодного умножения напряжения

На рис. 41 показана двухполупериодная схема учетверения напряжения, подобная схеме, приведенной на рис. 39. Принцип ее действия читатель может рассмотреть самостоятельно по аналогии с предыдущими схемами. Здесь частота пульсаций составляет 100 Гц, и два конденсатора С1 и СЗ работают при напряжении, равном одинарной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора вместо одного конденсатора С1 в схеме на рис. 40. При одинаковом количестве элементов эта схема выгоднее предыдущей.

Достоинством схемы, изображенной на рис. 40, является возможность умножения напряжения в нечетное число раз. Так, если удалить конденсатор С4 и подключенный к нему диод, а выпрямленное напряжение снимать с конденсаторов С1 и СЗ, получится утроенное напряжение. Схема же, показанная на рис. 41, позволяет получать только выпрямленное напряжение в четное число раз большее напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Рис. 41. Схема двухполупериодного умножения напряжения

Выпрямление с умножением напряжения не ограничивается его учетверением; подключая дополнительные цепочки, состоящие из диода и конденсатора, можно увеличивать коэффициент умножения. Часто требуется получить высокое выпрямленное напряжение, измеряемое киловольтами. Для достижения этой цели имеются два пути: либо намотать высоковольтную вторичную обмотку трансформатора и выпрямить полученное с нее высокое напряжение простым выпрямителем, либо использовать схему умножения. Второй способ целесообразнее. Высоковольтные обмотки трансформаторов имеют низкую надежность, так как необходимо тщательно изолировать их от других обмоток и от сердечника, а также хорошо изолировать слои этой обмотки один от другого. Кроме того, сама намотка высоковольтных обмоток весьма трудоемка: приходится наматывать тысячи витков очень тонким проводом, который при малейшем натяжении легко рвется. Наконец, выпрямитель требует применения высоковольтных конденсаторов и диодов с очень большим допустимым обратным напряжением. Выход находят путем последовательного соединения нескольких конденсаторов и нескольких диодов. Но тогда при том же количестве конденсаторов и диодов целесообразнее собрать выпрямитель с умножением напряжения, одновременно избавившись от необходимости намотки высоковольтной обмотки трансформатора.

Ответы на контрольные вопросы лаба №1

Какие преимущества имеет схема двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодной?

Во-первых, ток проходит через вторичную обмотку транзистора в течении каждого полупериода в разных направлениях.

Во-вторых, частота пульсаций вдвое больше и равна 100 Гц, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряжение на ней дважды достигают максимума.

В-третьих, его выходное сопротивление вдвое меньше.

В-четвёртых, коэффициент пульсаций меньше и равен 0,67.

В чём преимущество мостовой схемы выпрямителя по сравнению со схемой двухполупериодного выпрямителя?

Диоды могут быть рассчитаны на вдвое меньшее обратное напряжение, так как оно равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке.

Начертите схему мостового выпрямителя со сглаживающим фильтром и покажите пути протекания тока.

Сравните свойства сглаживающих LC- и RC-фильтров.

Особенностью LC -фильтров является небольшие потери, позволяющие применить их в устройствах с относительно большим током нагрузки. В маломощных выпрямителях (ток до 10-15 мА) можно применять RC -фильтры. Их недостатком является низкий КПД.

Для чего диоды в выпрямителях могут соединяться последовательно?

Последовательное включение выпрямительных диодов делается тогда, когда необходимо увеличить суммарное допустимое обратное напряжение, прикладываемое к каждому из них.

Почему при последовательном соединении полупроводниковых диодов в выпрямителе их шунтируют резисторами?

Обратные сопротивления выпрямительных диодов имеют большой разброс (различия достигают до одного-двух порядков), поэтому обратное напряжение, приложенное к цепи последовательно соединенных диодов, распределится неравномерно, а пропорционально их обратным сопротивлениям. Наибольшее падение напряжения будет на диоде с большим обратным сопротивлением. Это может привести к электрическому, а затем тепловому пробою р-п перехода этого диода; после этого обратное напряжение распределится между оставшимися диодами. Произойдет пробой следующего диода, у которого обратное сопротивление перехода наибольшее среди оставшихся диодов. И так один за другим диоды выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, следует уравнять падения обратных напряжений на диодах последовательной цепочки путем шунтирования их резисторами одинакового сопротивления. Сопротивление шунтирующего резистора подбирается большим, чтобы исключить большие потери мощности на нем

Что такое коэффициент сглаживания фильтра и как зависит его величина от ёмкости конденсаторов фильтра и тока нагрузки.

Важной характеристикой фильтров является коэффициент сглаживания - , где: - коэффициент пульсаций на входе фильтра, - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при малых, а индуктивный при больших токах нагрузки. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.

С какой частотой пульсирует напряжение на нагрузке в случае однополупериодного выпрямителя, двухполупериодного?

В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсации напряжения на нагрузке равна входной частоте пульсаций (50 Гц), двухполупериодного - в два раза больше (100 Гц).

Какую функцию выполняют конденсаторы C 1 , C 2 и дроссель в сглаживающем фильтре?

Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций напряжения, а дроссели, чтобы емкости этих конденсаторов не складывались.

Приведите пример схемы умножения напряжения.

Схемы с удвоением напряжения:

Как влияет ёмкость конденсаторов фильтра и сопротивление нагрузки на амплитуду пульсации?

При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.

Почему при малом токе нагрузки дроссель плохо сглаживает пульсации на выходе выпрямителя?

При возрастании тока нагрузки происходит увеличение энергии, накапливаемой в дросселе, при этом увеличивается ЭДС самоиндукции, что препятствует прохождению в нагрузку переменной составляющей тока. При этом улучшаются сглаживающие свойства фильтра.

Ответы на контрольные вопросы лаба№5

1. При каком включении транзистора входное сопротивление усилительного каскада наименьшее?

Схема с Общей Базой.

2. При каком включении транзистора усилительный каскад имеет наибольшее входное сопротивление?

Схема с Общем Коллектором.

3. Какой усилитель называют эмиттерным повторителем? Каковы его назначения, свойства?

Усилитель с ОК. Эмиттерный повторитель необходим чтоб обеспечить большое входное сопротивление усилителя.

4. Объясните назначение элементов, входящих в схему резистивно-ёмкостного усилителя на транзисторах.

Цепь R Б1 и R Б2 – это делитель напряжения источника постоянного тока. Нужен для подачи на базу напряжения, с помощью которого задаётся ток базы и тем самым устанавливается положение рабочей точки на статические вольтамперные характеристики транзистора.

R К – резистор нагрузки. По постоянному току задаёт напряжение на коллекторе, которое определяет положение рабочей точки транзистора. По переменному является нагрузкой усилителя.

R Э – это резистор температурной стабилизации положения рабочей точки транзистора

С Э – устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

С Р – разделительные конденсаторы. .

5. Как подаётся смещение на транзистор типа р-n-р при его включении по схеме с общим эмиттером?

В схеме с ОЭ режим транзистора по постоянному току создают: элементы R Э, С Э – цепь температурной стабилизации; R Б1 , R Б2 – делитель, создающий напряжение смещения на базе. Смещение фиксированным напряжением даёт хорошие результаты при замене транзистора и изменении температуры. Однако он не экономичен из-за потери части энергии источника питания в делителе напряжения R Б1 , R Б2 .

6. Что такое активный режим работы транзистора?

Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал. Получить этот режим можно включив эмиттерный переход в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

7. Что происходит с рабочей точкой транзистора при изменении сопротивления резисторов R Б1 и R Б2 ?

При изменении сопротивления резисторов R 1 и R 2 рабочая точка смещается.

8. Как изменится усиление каскада (схема с ОЭ), если исключить из него конденсатор С Э?

Каскад перестаёт усиливать сигнал.

9. Какие элементы схемы влияют на АЧХ усилителя в области нижних и верхних частот сигнала?

В области низких частот искажения зависят разделительной ёмкости С Р. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ёмкостью нагрузки, если она имеется.

10. Как проявляют себя нелинейные искажения при усилении синусоидальных сигналов?

Нелинейные искажения возникают из-за того, что вольтамперные характеристики транзисторов не линейны. В результате в усилителях возникают сигналы которых не было на входе усилителя, частоты этих сигналов кратны частоте входного сигнала и носят названия гармоник. Номер гармоники целочисленный и её амплитуда обычно обратно пропорциональна их номеру.

Ответы на контрольные вопросы лаба №3

Чем отличаются собственная и примесная электропроводности полупроводников?

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решётки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. В отличие от случая, рассмотренного выше, образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки.

Опишите возникновение и свойства p-n перехода.

p-n переход это тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла. Чтоб изготовить такой переход берут, например, монокристалл из очень чистого германия с электронным механизмом проводимости. В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции, которая осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает p-n переход. Существуют и другие способы получения p-n переходов.

Опишите устройство и принцип действия биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. И конечно же существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n . В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

Начертите и поясните вид входных и выходных характеристик транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.

А) Семейство входных характеристик () при При входная ВАХ имеет вид прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, поскольку эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП) при этом смещены в прямом направлении и соединены параллельно друг другу ( и внутреннее сопротивление этой эдс равно нулю. При входная ВАХ смещена вправо вследствие дополнительного падения напряжения на ЭП от протекающего по транзистору коллекторного тока. Это падение напряжения существует даже при отсутствии тока базы и соответствует участку «о-а»

Б) Семейство выходных характеристик () при изображено на рис. 14.2, б. При выходная ВАХ имеет вид обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, увеличенной в () раз (где – коэффициент передачи тока), поскольку КП при этом смещен в обратном направлении. При увеличении тока базы выходные ВАХ смещаются вверх на величину .

Какие ещё имеются схемы включения биполярного транзистора? Перечислите их основные свойства.

У схемы с ОК, самое большое входное сопротивление и самое маленькое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора. Усилитель на данной схеме не усиливает по напряжению.

У схемы с ОБ, самое маленькое входное сопротивление и самое большое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора.

Перечислите и поясните физический смысл h-параметров транзистора. Как их определить из статических характеристик?

входное сопротивление, при коротком замыкании выходной цепи ;

коэффициент обратной связи по напряжению, при холостом ходе во входной цепи. Характеризует внутреннюю обратную связь между входной и выходной цепями транзистора;

коэффициент передачи тока, при котором замыкании выходной цепи;

выходная проводимость, при холостом ходе во входной цепи

Как изменяется коэффициент h 21э при изменении h 21б?

Чем ближе h 21б к единице, тем больше h 21э.

Почему транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, может обеспечить усиление по току?

Величина является основным параметром, определяющим усилительные свойства биполярного транзистора. , так как , то транзистор включённый по схеме с ОЭ усиливает сигнал.

Почему входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой?

В отличии от схемы с ОЭ, в схеме с ОБ входной сигнал поступает на эмиттерный переход, который включён в прямом направлении и не препятствует протеканию тока.

Почему значение h 21э превышает 1?

Потому что .

Какие электрические параметры характеризуют положение рабочей точки на статических характеристиках транзистора?

Каковы особенности активного режима работы транзистора? Какие ещё режимы работы транзистора вам известны?

Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал.

Насыщения – можно получить включив оба p-n перехода в прямом направлении.

Отсечки – можно получить включив оба p-n перехода в обратном направлении.

Вывод: Я исследовал статические характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение его основных параметров. В упражнение 1 при

U КЭ, В=0 график в конце отклонился вверх от других значений.

Контрольные вопросы №1-Ц

1. Дайте определение основных логических операций и, или, не.

Дизъюнкция(ИЛИ) - это сложное логическое выражение, которое истинно, если хотя бы одно из простых логических выражений истинно и ложно тогда и только тогда, когда оба простых логических вырожения ложны.

Обозначение: F = A + B.

Конъюнкция(И) - это сложное логическое выражение, которое считается истинным в том и только том случае, когда оба простых выражения являются истинными, во всех остальных случаях данное сложеное выражение ложно.

Обозначение: F = A & B.

Инверсия(НЕ,Орицание) - это сложное логическое выражение, если исходное логическое выражение истинно, то результат отрицания будет ложным, и наоборот, если исходное логическое выражение ложно, то результат отрицания будет истинным. Другими простыми слова, данная операция означает, что к исходному логическому выражению добавляется частица НЕ или слова НЕВЕРНО, ЧТО

На каких элементах могут быть реализованы основные логические функции?

С помощью только одних элементов ИЛИ - НЕ или только элементов И - НЕ, путем различных включений их друг с другом можно выполнить любую логическую функцию .

Разработайте схемы электромеханических аналогов устройств для реализации логических функций И. ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ.

В чем состоят достоинства интегральных логических схем?

Преимущества ИС является высокая надежность, малые размеры и масса.

Микросхемы экономичны и уменьшают расход электроэнергии и массу ИП

Интегральные схемы безынерционны.

Нарисуйте интегральную схему базового элемента ТТЛ и поясните его работу.

Основой транзисторно-транзисторной логики является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора Т1 который легко реализуется в едином технологическом цикле с транзистором Т2. В ТТЛ-логике многоэмиттерный транзистор осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторе Т2 собран инвертор. Таким образом, по данной схеме реализован базис И–НЕ.

В случае подачи на все входы схемы высокого потенциала, все переходы эмиттер–база транзистора Т1 окажутся запертыми так как потенциал в точке A примерно равен входным сигналам. В то же время, переход база–коллектор будет открытым, поэтому по цепи Eп – R1 – база Т1 – коллектор Т1 – база Т2 – эмиттер Т2 – корпус течет ток Iб нас, который открывает транзистор Т2 и вводит его в насыщение. Потенциал на выходе схемы оказывается близким к нулю (на уровне ≈ 0,1 В). Сопротивление R1 подобрано таким, чтобы, за счет падения напряжения на нем от тока Iб нас транзистора Т2, потенциал в точке A был бы ниже, чем потенциал входов, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер–база транзистора Т1, появляется значительный ток Iэ и потенциал в точке A, равный, приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток Iб транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное напряжению питания (логической единицы).

Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента И–НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор

Напряжение, получаемое от выпрямителей, является не постоянным, а пульсирующим. Оно состоит из постоянной и переменной составляющих. Чем больше переменная составляющая по отношению к постоянной, тем больше пульсация и хуже качество выпрямленного напряжения.

Переменная составляющая формируется гармониками. Частоты гармоник определяются равенством

f(n) = kmf ,

где k – номер гармоники, k = 1, 2, 3, …, m – количество пульсов выпрямляемого напряжения, f – частота напряжения сети.

Качество выпрямленного напряжения оценивается коэффициентом пульсации p , который зависит от среднего значения выпрямленного напряжения и амплитуды основной гармоники в нагрузке.

Порядок гармонических составляющих n = km, содержащихся в кривой выпрямленного напряжения, зависит лишь от числа пульсов и не зависит от конкретной . Гармоники минимальных номеров имеют наибольшую амплитуду.

Действующее значение напряжения гармонической составляющей порядка n зависит от среднего значения выпрямленного напряжения Ud идеального нерегулируемого выпрямителя:

В реальных схемах переход тока с одного диода на другой происходит в течение некоторого конечного промежутка времени, измеряемого долями и называемого углом коммутации . Наличие углов коммутации существенно увеличивает амплитуду гармоник. В результате растут пульсации выпрямленного напряжения .

Переменная составляющая выпрямленного напряжения, состоящая из гармоник низкой и высокой частоты, создает в нагрузке переменный ток, который оказывает мешающее воздействие на другие электронные устройства.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения между выходными зажимами выпрямителя и нагрузкой включают сглаживающий фильтр , который значительно ослабляет пульсацию выпрямленного напряжения за счет подавления гармоник.

Основными элементами сглаживающих фильтров являются (дроссели) и , а при небольших мощностях и транзисторы.

Работа пассивных фильтров (без транзисторов и других усилителей) основана на зависимости от частоты величины сопротивления реактивных элементов (катушки индуктивности и конденсатора). Реактивные сопротивления катушки индуктивности Xl и конденсатора Xc : Xl = 2πfL, Xc = 1/2πfC,

где f – частота тока, протекающего через реактивный элемент, L – индуктивность дросселя, С – eмкость конденсатора.

Из формул для сопротивления реактивных элементов следует, что с увеличением частоты тока сопротивление катушки растёт, а конденсатора уменьшается. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а катушки индуктивности – нулю.

Отмеченная особенность позволяет катушке индуктивности беспрепятственно пропускать постоянную составляющую выпрямленного тока и задерживать гармоники. Причём, чем больше номер гармоники (выше её частота), тем эффективней она задерживается. Конденсатор наоборот полностью задерживает постоянную составляющую тока и пропускает гармоники.

Основным параметром, характеризующим эффективность работы фильтра, является коэффициент сглаживания (фильтрации)

q = p1 / p2 ,

где p1 – коэффициент пульсации на выходе выпрямителя в схеме без фильтра, p2 – коэффициент пульсации на выходе фильтра.

На практике применяются пассивные Г-образные, П-образные и резонансные фильтры. Наиболее широко используются Г-образные и П-образные, схемы которых приведены на рисунке 1

Рисунок 1. Схемы пассивных сглаживающих Г-образного (a) и П-образного (б) фильтров для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения

Исходными данными для расчёта индуктивности дросселя фильтра L и ёмкости конденсатора фильтра C являются коэффициент пульсации выпрямителя, вариант схемного решения, а также требуемый коэффициент пульсации на выходе фильтра.

Расчёт параметров фильтра начинают с определения коэффициента сглаживания. Далее необходимо произвольно выбрать схему фильтра и емкость конденсатора в ней. Ёмкость конденсатора фильтра выбирают из ряда ёмкостей, приведённого ниже.

На практике используют конденсаторы следующих ёмкостей: 50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 4000 мкФ. Меньшие значения ёмкостей из этого ряда целесообразно применять при больших рабочих напряжениях, а большие ёмкости – при невысоких напряжениях.

Индуктивность дросселя в Г-образной схеме фильтра можно определить из приближённого выражения

для П-образной схемы –

В формулы ёмкость подставляется в микрофарадах, а результат получается в генри.

Фильтрация пульсаций выпрямленного напряжения

Справочный материал по электронике

1. Элементная база современных электронных устройств

Электронный блок или электронное устройство содержит практически все основные элементы - резисторы, конденсаторы, а также полупроводниковые прибо­ры: диоды, транзисторы, интегральные схемы (ИС) и микро-ЭВМ.

Диоды и транзисторы используются для выпрямления или усиления сигналов. Поэтому их принято называть активными элементами . В отличие от них резисторы и конденсаторы слу­жат только для передачи сигналов. В этой связи их принято называть пассивными элементами.

Рис.1. Конденсатор постоянной ёмкости -1, переменный конденсатор -2, электролитический конденсатор - 3, постоянный резистор -4, переменный резистор -5, терморезистор – 6.

Ток заряда конденсатора,

постоянная времени заряда конденсатора через резистор,

Ток в цепи с резистором (закон Ома),

Сопротивление цепи.

Эквивалентная емкость параллельно соединенных конденсаторов:

При последовательном соединении:

Рис.2. Трансформатор однофазный – 1, катушка индуктивности – 2, трёхфазный трансформатор звезда/звезда – 3 и звезда/треугольник -4, автотрансформатор -5.

Рис.3. Полевые (униполярные) транзисторы. С изолированным затвором – 2.

Рис.4. Биполярный транзистор (его выводы: Б - база, К – коллектор, Э – эмиттер) – 1, стабилитрон – 2, тиристор – 3, варикап – 4, выпрямительный диод – 5.

Рис.5. Стабилизатор напряжения на стабилитроне VD и его ВАХ.

Рис.6. ВАХ тиристора.

Рис.7. ВАХ выпрямительного диода.

Рис.8. Зависимость ёмкости от напряжения варикапа.

Рис. 9. Светодиод – 1, фотодиод – 2, фототранзистор – 3.

Рис.10. Полевой (униполярный) транзистор с изолированным затвором – 1, микросхема (МС) - логический элемент «ИЛИ» - 2, полевой (униполярный) транзистор – 3, микросхема (МС) - логический элемент «И» - 4, микросхема (МС) - инвертор -5.

Рис.11. Схемы включения транзисторов: 1 – с общей базой, 2 – с общим эмиттером, 3 – с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

2. Источники вторичного электропитания

а. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Рис.1. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и диаграммы напряжений. Верхняя – на входе выпрямителя, средняя – на выходе, нижняя – выпрямленный ток.

Частота пульсаций равна частоте переменного тока.

б . Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Рис.2 а - схема мостового выпрямителя, б -

Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного тока.

Рис.3 а - схема нулевого выпрямителя, б - диаграммы напряжений и токов: верхняя - входное напряжение, средняя – выходное напряжение, нижняя – выпрямленного тока.

Обратное напряжение в 2 раза больше , чем у мостового. Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного тока.

в. Трехфазный нулевой выпрямитель

Рис.4 а - схема трехфазного нулевого выпрямителя, б - диаграммы напряжений: верхняя - входное напряжение, нижняя – выходное напряжение.

Частота пульсаций равна утроенной частоте переменного тока.

в. Трехфазный мостовой выпрямитель

Рис.5.Схема трехфазного мостового выпрямителя.

Рис.6 Диаграммы напряжений трехфазного мостового выпрямителя.

Частота пульсаций равна ушестерённой частоте переменного тока.

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Их устанавливают на выходе выпрямителя. Схемы наиболее распространенных типов сглаживающих фильтров приведены на рисунках 1 - 4.

Эффективность сглаживающего фильтра оценивают отношением коэффициентов пульсаций входного (до фильтра) и выходного (после фильтра) напряжений: , где - коэффициент сглаживания; - коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения до и после фильтра.

Рис. 5 Диаграмма напряжений: 1 – на входе сглаживающего фильтра, 2 – на его выходе.

3. Аналоговая электроника

Усилители на транзисторах

Рис.1 Схемы включения транзисторов: 1 – с общей базой, 2 – с общим эмиттером, 3 – с общим коллектором.

Рис.2 Типовая схема усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.

Рис.3 Характеристики усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе: динамическая входная характеристика , повернутая на 90 0 ; переходная характеристика ; выходные характеристики .

Точки С и А находятся в зоне насыщения , точки D и В соответственно в зоне отсечки , а точка покоя Q в рабочей зоне.

Рис.4 Диаграмма входного и выходного напряжения усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.

Инверсия фазы учитывается знаком минус в формулах выходного напряжения и коэффициента усиления.

Усилители характеризуются рабочим диапазоном частот , внутри которого коэффициент усиления можно считать постоянным и определяется с помощью амплитудно–частотной характеристики (АЧХ).

Обратная связь

Введение обратной связи позволяет создавать не только усилители с необхомимыми свойствами, но и новые классы электронных схем с различными функциональными характеристиками (генераторы, стабилизаторы и т.д.)

Для усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению получим:

При , коэффициент усиления с обратной связью равен . (Пример: операционный усилитель ОУ)

Рис.3 Схема дифференциального усилительного каскада.

Усилители на ОУ – это усилитель на основе интегрального усилителя постоянного тока.

Рис.4 Условное обозначение ОУ.

Параметры ОУ без обратной связи характеризуются следующими величинами:

где и - входное и выходное сопротивления ОУ, - коэффициент усиления по напряжению ОУ, - входной ток ОУ

Рис.5 Инвертирующий усилитель – а., б.

Коэффициент усиления

Рис.6 Неинвертирующий усилитель – а., диаграмма входного и выходного напряжения –б.

Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с обратной связью:

Рис.7 Схема суммирующего усилителя ,

Рис.8 Схема интегрирующего усилителя ,

И .

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Избирательным называется усилитель, обладающий способностью выделять полезный сигнал, имеющий заданную частоту, из всего ряда сигналов, поступающих на вход усилителя. Такой усилитель в отличие от широкополосного усилителя имеет узкую полосу пропускания .

ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Генератор представляет собой преобразователь энергии источника постоянного тока в энергию периодических электрических колебаний. Генератор строится на основе усилителя с положительной обратной связью.

Расчёт фильтров для ШИМ

В статье речь пойдёт про расчёт простейших фильтрующих цепей для сглаживания широтно-импульсной модуляции. Что такое ШИМ, где он применяется и как его реализовать читайте в отдельной статье.

Первое, на чём следует заострить внимание - это назначение цепи, для которой вы собрались строить фильтр. Немного упрощая схемы с ШИМ можно поделить на два типа:

Примером сигнального ШИМ служит, например, простейший ЦАП, под силовым ШИМ чаще всего имеется ввиду ШИМ-сигнал на выходе силовых ключей, например в импульсных источниках питания (ИИП). Строго говоря, в источниках питания сам сигнал ШИМ тоже используется в сигнальной цепи (управление транзисторами) и на выходе таких источников сигнал повторяет форму управляющих сигналов, однако имеет более высокую мощность, потому они требуют фильтров позволяющих пропускать большие мощности.

Фильтрация ШИМ в сигнальных цепях

Для простых сигнальных цепей с высокоомной нагрузкой наиболее оптимальной схемой фильтрации является интегрируюшая RC-цепочка, являющаяся по сути простейшим фильтром нижних частот. Понятие "интегрирующая RC-цепь" применяется при рассмотрении импульсных характеристик данной цепи.

Рис.1. Простейший фильтр нижних частот - интегрирующая RC-цепь и её АЧХ.

Основная характеристика фильтра это частота среза (на рисунке 1 обозначена угловая частота среза - ω с ) - амплитуда колебаний данной данной частоты на выходе фильтра ослабляется до уровня ~0.707 (-3 Дб) от входного значения. Частота среза определяется по следующей формуле:

Тут R и С - сопротивление резистора в омах и ёмкость конденсатора в фарадах. Необходимо помнить, что для корректной работы сглаживающего фильтра постоянная времени RC-цепочки (τ = R · C ) должна быть как можно меньше периода ШИМа, тогда за один период не будет происходить полный заряд-разряд конденсатора.

Следующий важный параметр, позволяющий расчитать ослабление колебаний на заданной частоте это коэффициент передачи фильтра - это отношение K = U вых /U вх. Для данной RC-цепочки коэффициент передачи рассчитывается следующим образом:

Зная эти формулы и учтя постоянное падение напряжения на резисторе можно приближённо рассчитать фильтр с нужными характеристиками - например, задавшись имеющейся ёмкостью, либо необходимым уровнем пульсаций.

Калькулятор ШИМ-фильтра на RC-цепочке

Обратите внимание - если вы хотите получать из ШИМ-сигнала сглаженный синусоидальный сигнал, необходимо чтобы частота среза фильтра была выше максимальной частоты сигнала, а значит частота ШИМ должна быть ещё выше.

Фильтрация ШИМ в силовых цепях

В силовых цепях, при низких сопротивлениях нагрузки (например обмотки электродвигателей), потери в резисторе фильтра становятся весьма существенны, поэтому в подобных случаях применяются ФНЧ на индуктивностях и конденсаторах.

Рис.2. Фильтр нижних частот на LC-контуре и его АЧХ.

LC-фильтр представляет из себя элементарный колебательный контур, который имеет собственную частоту резонанса, поэтому его реальная АЧХ будет несколько отличаться от АЧХ, приведённой на рисунке 2.

Поскольку речь в данной статье идёт о фильтре для силовых цепей, при расчёте фильтра нужно учитывать, что основная гармоника входящего напряжения тоже должна ослабляться фильтром, следовательно, его резонансная частота должна быть ниже частоты ШИМ.

Формула для расчёта частоты резонанса LC-контура:

f = 1/(2 · π · (L · C) 0.5)

Если частота резонанса контура совпадёт с частотой ШИМ, LC-контур может перейти в режим генерации, тогда на выходе может случиться конфуз, посему предлагаю вам данного недоразумения тщательно избегать. Кроме того, при проектировании данного фильтра есть ещё несколько нюансов, которые неплохо бы соблюдать для получения желаемого результата, а именно:

1. Для исключения резонансных явлений на одной из высокочастотных гармонических составляющих ёмкость конденсатора желательно находить из условия равенства волнового сопротивления фильтра сопротивлению нагрузки:
2. Для сглаживания пульсаций таким фильтром желательно, чтобы ёмкостное сопротивление конденсатора для низшей частоты пульсации было как можно меньше сопротивления нагрузки, а также много меньше индуктивного сопротивления дросселя для первой гармоники.

Комплексный коэффициент передачи LC-фильтра рассчитывается по следующей формуле:

где n - номер гармонической составляющей входного сигнала, i - мнимая единица, ω = 2πf, L - индуктивность дросселя (Гн), C - ёмкость конденсатора (Ф), R - сопротивление нагрузки (Ом).

Из формулы очевидно, что чем выше гармоника, тем лучше она подавляется фильтром, следовательно, достаточно рассчитывать уровень только для первой гармоники.

Чтобы перейти от комплексного представления коэффициента передачи к показательному, нужно найти модуль комплексного числа. Для тех, кто (как и я) спал на парах матана в институте, напомню, модуль комплексного числа считается очень просто: