Лабораторные работы по электротехнике и электронике

 
Лабораторные работы по электротехнике
Электрические цепи постоянного тока
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Исследование характеристик источника
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА
Исследование однофазного трансформатора
Исследование трехфазного асинхронного двигателя
Исследование синхронных микродвигателей
Исследование исполнительного двигателя постоянного тока
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
Резонанс токов
ПОВЫШЕНИЕ  КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕНЕРАТОРАХ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХОЛОСТОГО ХОДА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
RLC элементы
Трансформатор
Катушка индуктивности
Квазистационарные процессы
Биполярные транзисторы
Каскады на биполярных транзисторах
Дифференциальный усилитель
Полевые транзисторы
Операционные усилители
Практические задания
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СДВИГА ФАЗ

Устройство и работа биполярного транзистора p-n переход и полупроводниковые диоды ьПо своим электрическим свойствам твердые вещества можно разделить на три класса: проводники, изоляторы и полупроводники. В изоляторах валентные электроны прочно связаны с ядром и лишь немногие из них способны порвать связь со своими атомами и участвовать в движении, образующем электрический ток. В проводниках очень много свободных электронов при любой температуре выше абсолютного нуля, поскольку валентные электроны слабо связаны со своими атомами и свободно дрейфуют.

Каскады на биполярных транзисторах

Дифференциальный усилитель

Полевые транзисторы Лабораторная работа посвящена изучению устройства и основных свойств полевых транзисторов. В методическом пособии показаны схемы включения транзисторов, приводятся их основные параметры.

Каскады на полевых транзисторах

Операционные усилители Лабораторная работа посвящена изучению операционных усилителей и схем их включения. В методическом пособии разъясняется принцип работы операционного усилителя, приводятся основные параметры и стандартные схемы включения.

Схемы включения операционных усилителей Как уже упоминалось выше, нормальная работа ОУ в линейном режиме возможна только в схемах с глубокой ООС. Для понимания работы таких схем полезно понятие виртуального, или мнимого, заземления.

Лабораторная работа № 2 Биполярные транзисторы

Лабораторная работа посвящена изучению устройства и основных свойств биполярных транзисторов. В описании к лабораторной работе показаны схемы включения транзисторов, приводятся их основные параметры.

В задачу студента входит изучение работы электронных схем, макетиро­вание и наладка усилительных каскадов на биполярных транзисторах, измерение их параметров.

Оборудование. Осциллограф, стрелочный или цифровой вольтметр.

Материалы и комплектующие.

Резисторы: 510Е, 1к, 2к, 10к, 500к.

Конденсаторы: 100мкФ.

Полупроводники:  КТ315.

1. Введение

Рис. 2.1. Эквивалентные схемы источника сигнала и нагрузки

Знакомство с транзисторами лучше всего начать с рассмотрения задачи усиления малого сигнала. Пусть, с одной стороны, имеется источник переменного напряжения с малой амплитудой U и большим внутренним сопротивлением r, а с другой – нагрузка с малым сопротивлением R (рис. 2.1). Если подключить нагрузку непосредственно к источнику, то, без учета внутреннего сопротивления источника, на нагрузке будет выделяться мощность . Большое внутреннее сопротивление очень сильно уменьшает эту мощность, при r >>   R она падает в  раз (докажите это). Соответственно возникает вопрос – какими средствами можно увеличить мощность сигнала на нагрузке?

Казалось бы, в этом случае может помочь повышающий трансформатор (рис. 2.2). Он увеличивает напряжение холостого хода с коэффициентом, равным отношению числа обмоток трансформатора: . Однако результат мы получим обратный – мощность в нагрузке не увеличится, а уменьшится в  раз. Наоборот, чтобы увеличить мощность в нагрузке в нашем случае надо применить понижающий трансформатор. Тогда при   в нагрузке будет выделяться максимальная мощность, равная половине мощности источника. Таким образом мы согласовали сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением источника. Трансформатор, как пассивный элемент, не может усиливать мощность, но может помочь ее максимизировать.

Рис. 2.2. Эквивалентная схема подключения источника сигнала через
трансформатор

Решить подобную задачу способны только такие радиотехнические устройства, в которых малый сигнал обеспечивал бы управление другим, более сильным сигналом. К подобным устройствам относятся электронные лампы, биполярные и полевые транзисторы (рис. 2.3). Усилительную способность этих устройств можно выразить через крутизну S – величину изменения тока, текущего через один из выводов, при изменении напряжения на других выводах:

Рис. 2.3. Схемотехнические изображения электронной лампы, биполярного и
полевого транзисторов

.

Рис. 2.4. Эквивалентная схема каскада

Существует несколько схем включения этих усилительных элементов; эти схемы называются каскадами. Каждый каскад можно охарактеризовать входным Rвх и выходным Rвых сопротивлениями и коэффициентом усиления K (рис. 2.4). Знание входных и выходных сопротивлений позволяет правильно согласовывать подключенные друг за другом каскады.

2. История создания усилительных приборов

Предшественником транзистора была электровакуумная лампа, история которой восходит к 1883 году, когда Эдисон поместил в лампу накаливания дополнительный электрод и построил первый диод, пропускающий ток только в одном направлении. В 1906 году американский инженер Ли де Форес поместил между катодом и анодом металлическую сетку (и, таким образом, создал триод). Такие лампы оказались способны усиливать электрический ток и выступать в роли коммутаторов. Пик расцвета ламповой схемотехники пришелся на 1935-1950 годы, однако вплоть до середины восьмидесятых годов электровакуумные лампы можно было встретить в серийных телевизорах, радиоприемниках и другой радиотехнике. Любопытно, что сегодня радиолампы вновь находят применение в аудиотехнике класса hi‑end, поскольку за счет специфических гармонических искажений в звуковом тракте они позволяют получить приятный на слух «теплый» звук.

Вакуумные электронные лампы стали элементной базой компьютеров первого поколения. Главным недостатком электронных ламп было то, что устройства на их основе были довольно громоздкими. Для питания ламп необходимо было подводить дополнительную энергию для нагрева катода (именно он испускает электроны, необходимые для тока в лампе), а образованное ими тепло отводить. Например, в первых компьютерах использовались тысячи ламп, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Весила такая машина десятки тонн. Для ее работы требовалась электростанция. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы в связи с выделением лампами огромного количества тепла.

Первые патенты на принцип работы полевых транзисторов были выданы австро-венгерскому физику Юлию Эдгару Лилиенфельду (1925 г.) и немецкому физику Оскару Хейлу (1934 г.). Полевые транзисторы (в частности, МОП-транзисторы) основаны на простом электростатическом эффекте поля, по физике они существенно проще биполярных транзисторов, и поэтому они были придуманы и запатентованы задолго до биполярных транзисторов. Тем не менее, первый МОП-транзистор, составляющий основу современной компьютерной индустрии, был изготовлен позже биполярного транзистора, в 1960 году. Только в 90-х годах 20 века МОП-технология стала доминировать над биполярной.

В 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор, продемонстрированный 16 декабря. 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днем изобретения транзистора. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта». Само название «транзистор» придумал их коллега Джон Пирс. В мае 1948 года он победил во внутреннем конкурсе, организованном среди сотрудников лаборатории, на самое удачное название изобретения, которому на тот момент исполнилось всего несколько месяцев. Слово «transistor» образовано путем соединения двух терминов: «transconductance» (активная межэлектродная проводимость) и «variable resistor» или «varistor» (переменное сопротивление, варистор).

Первыми, кто стал активно применять транзисторы, были радиолюбители, использовавшие эти элементарные приборы для усиления сигнала. Именно поэтому первые портативные беспроводные радиоприемники пятидесятых годов назывались транзисторными, или даже просто «транзисторами» (первый из них был выпущен в 1954 году, в нем использовалось всего четыре германиевых транзистора). Однако со временем транзисторы стали использоваться в основном как элементы интегральных микросхем, что обеспечило транзистору важнейшую роль в технических достижениях человечества на протяжении последних нескольких десятков лет.

Методика решения задач