Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ  И СВЯЗИ

Кафедра «Электроника»

 

 

 

 

ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения специальности

5В071800 – Электроэнергетика

 

 

Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛЬ: Е.О. Елеукулов, Б.А.Жумагазин. Электронные устройства в элетроэнергетике. Методические указания к выполнению лабораторных работ  по дисциплине «Электронные устройства в электроэнергетике» для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2011. – 32 с.

 

В методической разработке приводятся описания каждой лабораторной работы, экспериментальные схемы на основе рабочей станции NI ELVIS фирмы National Instruments. Дана методика последовательного выполнения и обработки данных с программным получением различных характеристик электронных устройств. Приведены схемные и программные решения, позволяющие пользователю понять принципы работы на монтажной панели NI ELVIS.

 Методическая разработка составлена в целях закрепления лекционного материала и предназначена для всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика.  

Ил. 20 табл. 5, библиогр. – 4 назв.

 

Рецензент:   д-р. техн. наук, проф. Ш.А. Бахтаев     

 

Печатается по плану издания Некоммерческого акционерного общества “Алматинский институт энергетики и связи” на 2010 г.

 

© НАО “Алматинский университет энергетики и связи”, 2011 г.

 

 

Лабораторная работа №1

1 Изучение характеристик полупроводниковых диодов

Цель работы

Ознакомление с комплектацией NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), его основными возможностями и методикой выполнения измерения. Измерение и изучение характеристик  полупроводниковых диодов и стабилитронов с помощью универсального комплекса приборов NI ELVIS.

1.1  Описание лабораторной установки

Исследования проводятся на лабораторном стенде типа NI ELVIS. В данной выполняемой работе  стенд NI ELVIS позволяет проверить работоспособность диодов и стабилитронов, определить их полярность, измерить и построить их вольтамперные характеристики, исследовать схемы выпрямления и стабилизаций напряжения, определить экспериментально их основные параметры и построить их характеристики. Подробное описание универсального комплекса приборов NI ELVIS приведены в приложении А.

В состав лабораторного стенда NI  ELVIS в данной выполняемой работе входят (см.рисунок  1.1):

1) компьютер, на котором запущен LabVIEW;

2) DAQ устройство – PCI-6251;

3) кабель 68-Pin Series;

4) монтажная панель NI ELVIS;

5) настольная станция NI ELVIS;

6) программное обеспечение NI   ELVIS;

7) блок питания настольной станции NI ELVIS.

 

Рисунок 1.1- Комплекс NI ELVIS

Программное обеспечение NI ELVIS в данной выполняемой работе включает следующие виртуальные приборы:

-         Digital Multimeter (DMM) - цифровой мультиметр;

-         Oscilloscope (Scope) - осциллограф;

-         Function Generator (FGEN) - генератор функций;

-         Variable Power Supplies - регулируемые источники питания;

-         Two-Wire Current Voltage Analyzer - двухпроводный вольтамперный анализатор;

-         Three-Wire Current Voltage Analyzer - трехпроводный вольтамперный ана­лизатор.

Доступ ко всем виртуальным приборам NI ELVIS реализуется через отдельную программу запуска «National Instruments» в виде интерактивной панели управления (ИПУ). Для загрузки какого-либо прибора, необходимо нажать на соответствующую кнопку в ИПУ. Входящие в ИПУ цифровой мультиметр, осциллограф, двухпроводный и трехпроводный вольтамперные анализаторы позволяют измерять напряжение, ток, различные характеристики двухполюсников, строить вольтамперные характеристики.

Виртуальные приборы генератор функций и регулируемые источники питания предназначены для управления источниками сигналов настольной станции программным образом.

1.2 Задания для выполнения лабораторной работы

1.2.1. Проверить с помощи мультиметра работоспособность диодов и стабилитронов, определить их полярность.

1.2.2. Измерить и построить вольтамперные характеристики диода и стабилитрона.

1.2.3. Исследовать схемы однополупериодного и мостового выпрямителей при активной нагрузке.

1.2.4. Исследовать схему параметрического стабилизатора напряжения.

1.3 Подготовка к лабораторной работе

1.3.1 Внимательно ознакомиться с назначением каждого органа управления настольной станций NI ELVIS (см.рисунок 1.2) и указаниями мер безопасности.

1.3.2 Все органы управления и коммутации настольной станций NI ELVIS должны быть установлены в положения, обеспечивающие минимальные токи и напряжения (как правило, в положения “ВЫКЛЮЧЕНО”):

- выключатель (тумблер) сетевого питания расположенный на задней стороне настольной рабочей станции NI ELVIS - в положение «0»;

- переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение;

- переключатель Communications (Связь) – положение «Normal»;

- выключатели регулируемых блоков питания- в нижние положения;

- ручка регулирования блоками питания -12 В – в левое крайнее положение;

- ручка регулирования блоками питания +12 В – в правое крайнее положение;

- выключатель функционального генератора – в нижние положения.

1.3.3 Получить у преподавателя диоды, стабилитроны и соединяющие провода для выполнения лабораторной работы.

1.3.4 С помощью справочника определить и выписать основные параметры и характеристики полученных диодов и стабилитронов. Нарисовать условное обозначение диода и стабилитрона.

1.3.5 Построить вольтамперную характеристику для одного диода и стабилитрона расчетным путем.

 

1- Индикатор System Power (питание системы)

6 - Клеммы мультиметра

2 - Переключатель Prototyping Board Power (питание макетной платы)

7 - Клеммы осциллографа

3 - Переключатель Communications (Связь)

8 – Разъем для кабеля 68-Pin Series.

4 - Элементы управления регулируемыми блоками питания

9 – Разъем для кабеля блока питания;

5 - Элементы управления функциональным генератором

10 - выключатель (тумблер) питания ~220 В.

 

Рисунок 1.2- а) передняя панель, б) задняя панель

 

1.4  Порядок выполнения лабораторной работы и методические указания

 

1.4.1 Включить рабочую станцию NI ELVIS в сеть. Для этого:

а) выключатель (тумблер) сетевого питания расположенный на задней стороне настольной рабочей станции NI ELVIS - в положение «1»;

б) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в верхнее положение;

в) через программу запуска, по пути Пуск => Программы => National Instruments => NI ELVIS 2.0 => NI ELVIS открыть интерактивную панель управления (см.рисунок 1.3).

е) для загрузки мультиметра, нажать на соответствующую кнопку (см.рисунок 1.4).

Программа запуска

Интерактивная панель управления

 

 

Рисунок 1.3 - Запуск программы

 

 

Интерактивная панель управления

Лицевая панель цифрового мультиметра

Прямоугольная выноска:

 

Рисунок 1.4 - Цифровой мультиметр

 

Если кнопки запуска виртуальных приборов недоступны и затемнены, это может означать, что есть проблемы с DAQ-устройством либо настольной станцией. Возможно, что DAQ-устройство не сконфигурировано или что настольная станция отключена от питания. Программа выдаст сообщение о том, в чем может заключаться ошибка.

1.4.2 Проверить с помощью мультиметра работоспособность диодов и стабилитронов, определить их полярность. Для этого:

а) присоедините анод диода к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а катод - отрицательному входу LO. Нажмите кнопку запуска Run.

Положительное напряжение, приложенное к аноду, приведет к режиму прямого смещения диода, что вызовет протекание тока. В случае если диод не будет пропускать тока, на индикаторе будет отображаться то же значение, что и в отсутствии диода. Когда диод пропускает ток, уровень напряжения на индикаторе будет меньше, чем при разомкнутой схеме. Исправный диод должен пропускать ток в прямом направлении;

б) присоедините катод диода к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а анод - отрицательному входу LO. Нажмите кнопку запуска Run. Исправный диод не должен пропускать ток в обратном направлении;

в) присоединить анод стабилитрона к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а катод - отрицательному входу LO. Нажмите кнопку запуска Run.

Положительное напряжение, приложенное к аноду, приведет к режиму прямого смещения стабилитрона, что вызовет протекание тока. В случае если стабилитрон не будет пропускать тока, на индикаторе будет отображаться то же значение, что и в отсутствии диода. Когда стабилитрон пропускает ток, уровень напряжения на индикаторе будет меньше, чем при разомкнутой схеме. Исправный стабилитрон должен пропускать ток в прямом направлении;

г) присоедините катод стабилитрона к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а анод - отрицательному входу LO. Нажмите кнопку запуска Run. Исправный стабилитрон не должен пропускать ток в обратном направлении;

д) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение, освободить контакты мультиметра.

1.4.3 Измерить вольтамперную характеристику диода. Для этого:

а) присоедините анод диода к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а катод - отрицательному входу LO;

б) переключатель (тумблер) питания макетной платы Prototyping Board Power - в верхнее положение;

в) в меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Two Wire Current-Voltage Analyzer (двухпроводной вольтамперный анализатор). Появится ИПУ, позволяющая строить вольтамперные характеристики испытуемых устройств. Данный ИПУ прикладывает к диоду пробное перестраиваемое напряжение в определенных пределах и с определенным шагом (все эти параметры задаются пользователем).

Для кремниевого диода задайте следующие параметры:

- Start –2 В;

- Stop +2.0 В;

- Increment 0.05 В.

Обратите внимание, что при тестировании можно установить максимальный ток в обоих направлениях. Это позволяет избежать тех режимов работы диодов, когда возможно их повреждение. Нажмите кнопку запуска Run и наблюдайте за построением ВАХ (см. рисунок 1.5).

 

Рисунок 1.5

г) в области обратного смещения ток должен быть весьма мал (микроамперы) и отрицателен. При прямом смещении после некоторого порогового напряжения вы увидите экспоненциальное нарастание тока до предельного значения. Попробуйте различные режимы отображения графика, нажимая кнопки [Linear/Log] (линейный/логарифмический масштабы) из раздела Display. Испытайте работу курсора Cursor. Перетаскивая курсор по графику, можно определить текущее значение координат (I,V).

Из физики известно, что пороговое напряжение зависит от полупроводникового материала, из которого изготовлен диод. Для кремниевого диода пороговое напряжение равно примерно 0.6 вольта, а для германиевого – примерно 0.3 вольта. Одним из способов оценки порогового напряжения является построение касательной прямой при максимальном токе в области прямого смещения (см. следующий рисунок). Точка, в которой касательная пересекает ось напряжения, определяет пороговое напряжение (см. рисунок 1.6);

Рисунок 1.6 - ВАХ диода. Пороговое напряжение получается из пересечения касательной с осью напряжений

д) переключатель (тумблер) питания  макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение, освободить контакты мультиметра.

1.4.3 Измерить вольтамперную характеристику стабилитрона. Для этого:

а) присоедините анод стабилитрона к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а катод - отрицательному входу LO;

б) переключатель (тумблер) питания макетной платы Prototyping Board Power - в верхнее положение;

в) в меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Two Wire Current-Voltage Analyzer (двухпроводной вольтамперный анализатор). Появится ИПУ, позволяющая строить вольтамперные характеристики испытуемых устройств. Данный ИПУ прикладывает к диоду пробное перестраиваемое напряжение в определенных пределах и с определенным шагом (все эти параметры задаются пользователем).

Задайте следующие параметры:

- Start –2 В;

- Stop +2.0 В;

- Increment 0.05 В.

Нажмите кнопку запуска Run и наблюдайте за построением ВАХ;

г) присоедините катод стабилитрона к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а анод - отрицательному входу LO.

Задайте следующие параметры:

- Start – 1 В;

- Stop -10.0 В;

- Increment 0.5 В.

Нажмите кнопку запуска Run и наблюдайте за построением ВАХ (см. рисунок 1.8);

д) переключатель (тумблер) питания макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение, освободить контакты мультиметра.

1.4.4  Исследовать схему однополупериодного выпрямителя. Для этого:

а) собрать схему выпрямителя, как показано на рисунке 1.7;

Рисунок 1.7 - Схема однополупериодного выпрямителя

б)  зарисовать осциллограммы напряжений и токов в характерных точках схемы и определить все значения параметров, приведенных в таблице 1.1. Здесь и далее все осциллограммы напряжения снимаются при одинаковом усилении осциллографа, а осциллограммы тока - при одинаковом среднем значении тока в цепи нагрузки и одинаковом усилении осциллографа.

 

Таблица 1.1

Параметры элементов схемы

Осциллограммы напряжений и токов

Нагрузка

Udмин = _____В ; Idмакс =______мА.

Осциллограмма выпрямленного напряжения ud

(гнезда 3-4)

Осциллограмма выпрямленного тока id 

 

 

 

 

 

 

 

 

Диоды

Uобр = _______В ; IVDмакс =________мА

Осциллограмма обратного напряжения на вентиле uVDобр (гнезда 2-4)

Осциллограмма амплитудного значения тока диода iVDmax 

 

uVDобр
 

wt
 

 

 

 

 

 

1.4.5 Исследовать схему параметрического стабилизатора напряжения (ПСН).  Для этого:

а) собрать схему исследования ПСН (см. рисунок 1.8);

Рисунок 1.8

б) присоединить один мультиметр как амперметр – последовательно к стабилитрону (см. рисунок 1.5-б);

в) измерить значение сопротивлений R1 и R2, и выписать их;

г) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в верхнее положение;

д) изменяя напряжение регулируемого источника питания Е от минимального до максимального значения, снять зависимость UR2 = f(E) и заполнить таблицу 1.2. Для каждого значения Е с помощью мультиметра измерить напряжения E, UR1, UR2 и ток  Iст. Рассчитать токи IR1, IR2

 

Таблица 1.4

Е, В

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

UR1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UR2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IR1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IR2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iст

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е) Установить значение входного напряжения Е= 10 В (const) и снять внешнюю характеристику стабилизатора UR2 = f(IR2). Величину IR2 изменяют с помощью потенциометра с надписью RV2 –нагрузка.

Результаты измерений записать в соответствующие таблицы и построить графики зависимости UR2= f(IR2). Определить внутреннее сопротивление и к.п.д. стабилизатора по формулам:

Ri = DUR2/DІR2 и h = РR2/(РR2 + Рi).

Определить коэффициент стабилизации по формуле:

kстU = (DE/E):(DUR2/UR2) = (DE/DUR2):(E /UR2).

 

1.5 Контрольные вопросы и задания к защите работы

 

1.                 Определение, обозначение и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом и МДП типа.

2.                 Стоковая и стоко-затворные характеристики полевых транзисторов.

3.                 Эквивалентная схема полевого транзистора.

4.                 Термостабильная точка. Температурные свойства полевых транзисторов.

5.                 Ключевой режим работы полевого транзистора.

6.                 Частотные характеристики и классификация полевых транзисторов.

7.                 Сравнительная характеристика биполярных и полевых транзисторов.

Лабораторная работа №2

 

1 Исследование биполярного транзистора включённого по схеме

с общим эмиттером

           

                Цель работы

Целью настоящей работы является изучение принципа функционирования и основных характеристик  биполярного транзистора. В данной работе снимаются статические характеристики биполярного транзистора в схемах с ОЭ, по полученным характеристикам определяются его h-параметры.

1.1 Описание лабораторной установки

Исследования проводятся на лабораторном стенде типа NI ELVIS. В данной выполняемой работе, стенд NI ELVIS позволяет проверить работоспособность диодов и стабилитронов, определить их полярность, измерить и построить их вольтамперные характеристики, исследовать схемы выпрямления и стабилизаций напряжения, определить экспериментально их основные параметры и построить их характеристики. Подробное описание универсального комплекса приборов NI ELVIS приведены в приложении А.

В состав лабораторного стенда NI  ELVIS в данной выполняемой работе входят (см.рисунок 2.1):

1)    компьютер, на котором запущен LabVIEW;

2)   DAQ устройство – PCI-6251;

3)   кабель 68-Pin Series;

4)   монтажная панель NI ELVIS;

5)    настольная станция NI ELVIS;

6)    программное обеспечение NI   ELVIS;

7)    блок питания настольной станций NI ELVIS.

Рисунок 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Программное обеспечение NI ELVIS в данной выполняемой работе включает следующие виртуальные приборы:

- Digital Multimeter (DMM) - цифровой мультиметр;

- Variable Power Supplies - регулируемые источники питания;

- Two-Wire Current Voltage Analyzer - двухпроводный вольтамперный анализатор;

- Three-Wire Current Voltage Analyzer - трехпроводный вольтамперный ана­лизатор.

Доступ ко всем виртуальным приборам NI ELVIS реализуется через отдельную программу запуска «National Instruments» в виде интерактивной панели управления (ИПУ). Для загрузки какого-либо прибора необходимо нажать на соответствующую кнопку в ИПУ. Входящие в ИПУ цифровой мультиметр, осциллограф, двухпроводный и трехпроводный вольтамперные анализаторы позволяют измерять напряжение, ток, различные характеристики двухполюсников, строить вольтамперные характеристики.

Виртуальные приборы генератор функций и регулируемые источники питания предназначены для управления источниками сигналов настольной станции программным образом.

1.2 Задания к лабораторной работе

1.2.1 Снять и построить графики семейство статических входных характеристик биполярного транзистора Iб = f(Uб) включённого по схеме

с общим эмиттером, при  двух значениях коллекторного напряжения: Uкэ= 0 и Uкэ = 5,0 В.

1.2.2 Снять и построить графики семейство статических выходных характеристик Iк = f(Uкэ) транзистора при пяти значениях тока базы Iб.

1.2.3 Пользуясь семейством статических входных и выходных характеристик биполярного транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером, построить семейство статических входных и выходных характеристик биполярного транзистора, включённого по схеме с общей базой.

1.2.4 На полученных семействах входных  и выходных характеристик выполнить построения для расчёта h-параметров транзистора. Выполнить расчёты h-параметров, оценить их значения. Сравнить расчётные значения h-параметров со справочными.

1.2.5 Пояснить полученные результаты.

1.3 Подготовка к лабораторной работе

1.3.1 Внимательно ознакомиться с назначением каждого органа управления настольной станций NI ELVIS и указаний мер безопасности.

1.3.2 Все органы управления и коммутации настольной станций NI ELVIS должны быть установлены в положения, обеспечивающие минимальные токи и напряжения (как правило, в положения “ВЫКЛЮЧЕНО”):

- выключатель (тумблер) сетевого питания расположенный на задней стороне настольной рабочей станции NI ELVIS - в положение «0»;

- переключатель (тумблер) питания макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение;

- переключатель Communications (Связь) – положение «Normal»;

- выключатели регулируемых блоков питания- в нижние положения;

- ручка регулирования блоками питания -12 В – в левое крайнее положение;

- ручка регулирования блоками питания +12 В – в правое крайнее положение;

- выключатель функционального генератора – в нижние положения.

1.3.4 С помощью справочника определить и выписать основные параметры и характеристики исследуемого полевого транзистора.

1.3.5 Ответить на вопросы для допуска к работе:

1) изобразить структуры транзисторов p-n-p и n-p-n типа. Объяснить их отличие;

2) изобразить схемы включения транзисторов с ОБ, и с ОЭ. Объяснить полярность питающих напряжений;

3) изобразить семейства входных и выходных характеристик в схемах включения с ОБ и с ОЭ;

4) объяснить порядок и методику выполнения работы.

1.4 Порядок выполнения лабораторной работы и методические указания

1.4.1 Проверить с помощью мультиметра работоспособность биполярного транзистора. Для этого:

а) присоедините базу к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а эмиттер – к отрицательному входу LO. Нажмите кнопку запуска Run.

Положительное напряжение, приложенное к базе - эмиттер, приведет к режиму прямого смещения базы, что вызовет протекание тока. В случае если база не будет пропускать тока, на индикаторе будет отображаться то же значение, что и в отсутствии транзистора. Когда база транзистора пропускает ток, уровень напряжения на индикаторе будет меньше, чем при разомкнутой схеме. Исправный транзистор должен пропускать ток в прямом направлении;

б) присоедините эмиттер транзистора к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а базу - отрицательному входу LO. Нажмите кнопку запуска Run. Исправный транзистор не должен пропускать ток по базе в обратном направлении;

в) присоединить анод стабилитрона к положительному входу контакта;

г) присоедините катод стабилитрона к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, а анод - отрицательному входу LO. Нажмите кнопку запуска Run. Исправный стабилитрон не должен пропускать ток в обратном направлении;

д) переключатель (тумблер) питания макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение, освободить контакты мультиметра.

     1.4.2 Снять семейство входных характеристик Iб = f(Uбэ) при двух заданных значениях напряжения Uкэ= 0,0 В и Uкэ= 5,0 В. Результаты измерений занести в таблицу 2.1.

Для этого:

а) присоедините базу транзистора к положительному входу контакта рабочей станции (current) HI, эмиттер - отрицательному входу LO, а коллектор – положительному выводу SUPPLY+;

б) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в верхнее положение;

в) в меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Variable Power Supplies - регулируемые источники питания;

г) выставить с помощью регулируемого источника  SUPPLY- напряжение на коллекторе Uкэ = 0;

д) в меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Two Wire Current-Voltage Analyzer (двухпроводной вольтамперный анализатор). Появится ИПУ, позволяющая строить вольтамперные характеристики испытуемых устройств. Данный ИПУ прикладывает к базе транзистора пробное перестраиваемое напряжение в определенных пределах и с определенным шагом (все эти параметры задаются пользователем).

Для базы транзистора задайте следующие параметры:

- Start –2 В;

- Stop +2.0 В;

- Increment 0.05 В.

Обратите внимание, что при тестировании можно установить максимальный ток в обоих направлениях. Это позволяет избежать тех режимов работы диодов, когда возможно их повреждение. Нажмите кнопку запуска Run и наблюдайте за построением ВАХ;

 

Таблица 2.1

Uкэ = 0 В

Uкэ = 0 В

Uкэ = 5 В

Uкэ = 5 В

Uбэ , В

Iб , мА

Uбэ , В

Iб, мА

Uбэ , В

Iб , мА

Uбэ , В

Iб, мА

0,0

 

0,5

 

 

 

 

 

0,1

 

0,6

 

 

 

 

 

0,2

 

0,7

 

 

 

 

 

0,3

 

0,8

 

 

 

 

 

0,4

 

0,9

 

 

 

 

 

 

е) выставить с помощью регулируемого источника  SUPPLY- напряжение на коллекторе Uкэ = 5,0;

     ж) повторить все действие 2.5.2-а при Uкэ = 5,0;

     з) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение, освободить контакты мультиметра.

         1.4.3 Снять семейство выходных характеристик Iк = f(Uкэ) при пяти значениях Iб = const. Для этого:

а) Вставьте полученный транзистор у преподавателя  в макетную плату NI ELVIS в разъемы, обозначенные Current +, Current – и 3-wire, как показано в примере на рисунке 2.2 ниже.'

 

 

Рисунок 2.2

   

б) в меню запуска инструментов NI ELVIS выберите функцию Three-wire I-V Curve Tracer (трехпроводной вольтамперный анализатор). Включите питание макетной платы. Выполните настройки тока базы (Base Current) и напряжения коллектора (Collector Voltage) в соответствии со следующим рисунком и нажмите кнопку Run. На графике будут построены зависимости тока коллектора от напряжения коллектора для различных значений тока базы.

 

 

Рисунок 2.3

 

1.4.4 Пользуясь семейством статических входных и выходных характеристик биполярного транзистора включённого по схеме с общим эмиттером, построить семейство статических входных и выходных характеристик биполярного транзистора включённого по схеме с общей базой.

1.4.5  На полученных семействах входных  и выходных характеристик выполнить построения для расчёта h-параметров транзистора. Выполнить расчёты h-параметров, оценить их значения. Сравнить расчётные значения h-параметров со справочными.

 

1.5 Контрольные вопросы и задания к защите работы

 

1. Изобразить структуру транзистора p-n-p (n-p-n) типа, включённого по схеме с ОБ. Объяснить полярность питающих напряжений.

2. Объяснить физические процессы, происходящие в эмиттерном переходе транзистора. Какие составляющие тока эмиттера протекают через эмиттерный переход? Ввести понятие коэффициента инжекции.

3. Объяснить физические процессы, происходящие в базе транзистора. Ввести коэффициент переноса, пояснить его смысл. Рассказать о составляющих тока базы.

4. Объяснить физические процессы, происходящие в коллекторном переходе. Какие составляющие коллекторного тока протекают через коллекторный переход? Объяснить уравнение Iк = aIэ + Iкбо.

5. Какие требования следует предъявить к структуре транзистора, чтобы обеспечить эффективное управление током коллектора ?

6. Изобразить схему включения транзистора с ОЭ. Пояснить полярность питающих напряжений. Объяснить уравнение Iк = bIб + (b+1)Iкбо.

7. Объяснить, почему входные характеристики биполярного транзистора напоминают прямую ветвь ВАХ диода ?

8. Объяснить, почему выходные характеристики имеют пологие участки, где ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе.

9. Объяснить физический смысл h-параметров. На статических характеристиках показать построения для расчёта h-параметров.

 

Лабораторная работа  №3

 

1 Изучение характеристик операционных усилителей

 

Цель работы

Ознакомление с комплектацией NI ELVIS (National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite), с  его основными возможностями и методикой выполнения измерения. Измерение и изучение характеристик операционных усилителей  с помощью инструмента ELVIS software tool.

 

1.1           Описание лабораторной установки

Данная лабораторная работа состоит из 4 частей:

1)     неинвертирующий усилитель;

2)     инвертирующий усилитель;

3)     интегрирующий усилитель;

4)     дифференцирующий усилитель.

Исследования проводятся на лабораторном стенде типа NI ELVIS. В данной выполняемой работе стенд NI ELVIS позволяет проверить работо-способность операционных усилителей, определить их полярность, измерить и построить их передаточную характеристику, исследовать схемы выпрямления, определить экспериментально их основные параметры и построить их характеристики. Подробное описание универсального комплекса приборов NI ELVIS приведены в приложении А.

          Лабораторный стенд NI ELVIS включает:

- Компьютер с программным обеспечением LabVIEW;

- DAQ устройство;

- соединительные кабели;

- монтажная панель  NI ELVIS;

- настольная рабочая станция NI ELVIS;

- операционный усилитель LM 741 (микросхема);

- резисторы 1 kΩ и 2.2 kΩ;

- конденсатор емкость в  100 nF.

А также другие различные конденсаторы и резисторы с необходимыми характеристиками для выполнения различных экспериментов.

          Программное обеспечение NI ELVIS в данной выполняемой работе включает несколько виртуальных приборов.

Виртуальные приборы:

- Digital Multimeter (DMM) – цифровой мультиметр;

- Oscilloscope (Scope) – осциллограф;

- Function Generator (FGEN) – генератор функций;

- Variable Power Supplies – регулируемые источник питания;

- Two-Wire Current Voltage Analyzer – двухпроводный вольтамперный анализатор;

- Three-Wire Current Voltage Analyzer - трехпроводный вольтамперный анализатор;

         1.2 Задания для выполнения  лабораторной работы

         1.2.1 Неинвертирующий усилитель

 

noninverting

Рисунок 3.1 – Схема неинвертирующего усилителя

   

Задание для выполнения работы по исследованию неинвертирующего усилителя

1 Постройте цепь в NI ELVIS Breadboard. Вы можете использовать рисунок в качестве примера.

а) соедините Вход к  “FUNC_OUT”.  Выход пойдет к “ACH0+” . Не забудьте заземлить “ACH0-“; 

б) воспользуйтесь операционным усилителем LM 741;  

в) значения резисторов обоих резисторов равны 1 kΩ.;

г) соедините контактные штыри LM 741 к источнику питания в +-15V.   Здесь необходимо быть предельно осторожным, так как существует угроза замены полярности  V+ и V-  или нарушения операционного усилителя.

 

741IMG_15802

 

Рисунок 3.2 – Экспериментальная цепь на монтажной плате NI ELVIS

 

На рисунке 3.2 показан пример экспериментальной цепи с использованием К140УД. Правая часть макета LM 741 значение NC равно “not connected”. Источниками питания являются зажимы  V+ и V-.

2 Откройте приложение NI ELVIS  на вашем компьютере. Затем откройте панели “Oscilloscope” и “Function Generator”.

д) Function Generator:

- установите частоту на 1 kHz и амплитуду на значение, равному в 1 V.  Установите синусоидальную функцию, смещение установить в 0 V.  Для включения Функции Генератора нажмите кнопку “ON”; 

screen_generator

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Рисунок 3.3 – Лицевая панель Function Generator

 

е) взгляните на панель Осциллоскопа Источником выберите “ACH0”.Select Source “ACH0”. Теперь отрегулируйте Ось времени и Шкалу Напряжения для получения хорошо видимых форм. Установите источник триггера на  SYNC_OUT  для получения стабильного (четкого) рисунка. Выберите Channel B  и воспользуйтесь FGEN FUNC_OUT  в качестве источника. Теперь вы должны увидеть 2 волновых графика. Усиленный сигнал на  Channel A  и отраженный сигнал на Channel B.

3 Воспользуйтесь кнопкой “Meas” для прочтения значения напряжения (разности потенциалов). Высчитайте прирост напряжения. Сравните полученное значения с теоретическими значениями. Поясните, почему возможны различия. Что вы можете сказать о фазе?

Различие к высчитанному значению, равному 2, существует, так как значения резистора неидеальны и могут иметь погрешности (+/- 5%). 

Входящий импеданс  OP-amp не бесконечен также, как и выходящий импеданс не равен нулю. Они оба будут уменьшать усиление. Различие в фазе равно нулю (неинвертирующий усилитель)

4 Теперь поменяем значения сопротивления  R2  для поддержания высокого значения усилителя. Исследуй свои результаты на Oscilloscope Screen. Что произойдет с очень высокими значениями  R2? И почему?

Высоким значениям R2 приращения напряжения будет очень большое вскоре и после снабжение энергией  с ограничивающим фактором на выходе.  Здесь возможны нелинейные искажения – входящая синусоидальная волна уже не целиком выполняется на выходе.

5 Настрой частоту на Function Generator Panel. Какие перепады ты можешь заметить когда выбираешь высокие частоты? Сделай обоснование этой закономерности.

На высокой частоте приращение напряжения будет меньше. Причиной обычно бывает следствие негативной обратной связи пассивного конденсатора.

6 Закрой обе панели Oscilloscope and Function Generator.  Поменяй снова R2 на 1 kΩ. Теперь взгляни на Bode Analyzer Panel. Выбери Start Frequency = 50 Hz и Stop Frequency = 10 kHz. Выбери  10 шагов/частей. Peak Amplitude будет  0.1 V

Сейчас изменим размеры, нажав кнопку  “RUN”. Это займет несколько минут, пока обработка информации закончится. Проанализируй кривые приращения и фазы.

Когда используешь Bode Analyzer всегда делай так, чтобы сигнал на выходе не искажался или не послужил причиной слишком большого входящего сигнала. Проверьте Oscilloscope and Function Generator.

        1.2.2  Инвертирующийусилитель

 

       Задание для выполнения работы по исследованию инвертирующего усилителя

 

 

inverting

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.4 – Схема инвертирующего усилителя

 

 

 

1 Постройте цикл на NI ELVIS Breadboard. Значение компонентов будет  1 kΩ для R1 и 2.2 kΩ для R2.

2 Проверьте  функцию цепи, используя  Функцию Генератора и Осциллоскопа. 

3 Воспользуйтесь кнопкой “Meas” для прочтения Значения Потенциала.  Высчитайте прирост напряжения.

4        Угол сдвига фаз равен 180 градусов ( инвертирующий  усилитель).

5 Повтори шаги для первого эксперимента, измени значения электрического сопротивления R2 ,настраивая амплитуду. Постройте Bode Plot, используя Bode Analyzer Panel. Выбери Полярность Сигнала « Обратный» на Bode Analyzer Settings.

 

1.2.3  Интегрирующий усилитель 

 

integrator

 Рисунок 3.5 – Схема интегрирующего усилителя

 

 

 

 

 

 Задание для выполнения работы по исследованию интегрирующего усилителя

1 Постройте цикл на NI ELVIS Breadboard .

2 Значение компонентов будет 1 kΩ для R1 и 100 nF для C1.

3 Проверте  функцию цепи используя  Функцию Генератора и Осциллоскопа.

4 Установите частоту на 1 kHz и амплитуду на 1 V.  Функция должна быть   « Синус».

5 Воспользуйтесь кнопкой “Meas” для прочтения Значения Потенциала.  Высчитайте прирост напряжения.

6 Теперь поменяйте функцию «Синус» на « Квадрат». Проанализируйте формы волны на выходе.  Сделайте аналогичное с функцией « Треугольник».

1.2.4  Дифференцирующий усилитель

differentiator

 

Рисунок 3.6 – Схема дифференцирующего усилителя

 

 

 

  

Задание для выполнения работы по исследованию дифференцирующего  усилителя

Сделайте аналогичные упражнения как с интегрирующим усилителем!

- Угол сдвига фаз равен 90 градусов ( дифференцирующий усилитель).

- Дифференцирования квадратной функции приведет к  пикам из ребер квадрата. Дифференцирование треугольника приведет к  квадратной функции.

- Дифференцирующее устройство имеет характеристику пропускать сигнал через фильтр верхних частот.

Дифференцирующее устройство в работе: Знак «Треугольник» входной контур. После дифференциации сигнал приобретет квадратную форму, которую вы можете увидеть на выходе в цепи усилителя.

IMG_15812differentiator_oszi

 

Рисунок 3.7 – Характеристики и экспериментальная цепь на монтажной  панели дифференцирующего усилителя

      

Проделав данную работу,  мы уяснили, что характеристики идеального операционного усилителя  отличаются от характеристик  операционного усилителя,  которые мы исследовали. Мы также  поняли принципы работы операционного усилителя на практике.

            1.5 Контрольные вопросы и задания к защите работы

 

1.                 Дайте определение и перечислите основные параметры операционных усилителей (ОУ).

2.     Отличительные характеристики идеальных ОУ от реальных ОУ.

3.                 Приведите схему инвертирующего ОУ. Какой вид обратной связи (ОС) используется в этой схеме, ее влияние на параметры усилителя.

4.                 Приведите схему неинвертирующего ОУ. Какой вид ОС используется в этой схеме, ее влияние на параметры усилителя.

5.                 Приведите схему интегрирующего и дифференцирующего устройств на ОУ.

6.                  Передаточные функции интегратора и дифференциатора. Объяснить по какому закону будет меняться выходное напряжение от приложенного входного.

7.                 Назовите основные факторы, приводящие к появлению температурного дрейфа ОУ.

 

Лабораторная работа №4

 

1 Исследование полевого транзистора с управляющим p-n переходом

 

Цель работы

Целью настоящей работы является изучение принципа функционирования и основных характеристик полевого транзистора. В данной работе снимаются статические характеристики полевого транзистора, включённого по схеме с общим истоком, по полученным характеристикам определяются дифференциальные параметры транзистора.

1.1  Описание лабораторной установки

Исследования проводятся на лабораторном стенде типа NI ELVIS. В данной выполняемой работе, стенд NI ELVIS позволяет проверить работоспособность диодов и стабилитронов, определить их полярность, измерить и построить их вольтамперные характеристики, исследовать схемы выпрямления и стабилизаций напряжения, определить экспериментально их основные параметры и построить их характеристики. Подробное описание универсального комплекса приборов NI ELVIS приведены в приложении А.

В состав лабораторного стенда NI  ELVIS в данной выполняемой работе входят (см.рисунок 1.1):

1) компьютер, на котором запущен LabVIEW;

2) DAQ устройство – PCI-6251;

3) кабель 68-Pin Series;

4) монтажная панель NI ELVIS;

5) настольная станция NI ELVIS;

6) программное обеспечение NI   ELVIS;

7) блок питания настольной станции NI ELVIS.

Рисунок 4.1

Программное обеспечение N1 ELVIS в данной выполняемой работе включает следующие виртуальные приборы:

- Digital Multimeter (DMM) - цифровой мультиметр;

- Variable Power Supplies - регулируемые источники питания;

- Two-Wire Current Voltage Analyzer - двухпроводный вольтамперный анализатор;

- Three-Wire Current Voltage Analyzer - трехпроводный вольтамперный ана­лизатор.

Доступ ко всем виртуальным приборам NI ELVIS реализуется через отдельную программу запуска «National Instruments» в виде интерактивной панели управления (ИПУ). Для загрузки какого-либо прибора, необходимо нажать на соответствующую кнопку в ИПУ. Входящие в ИПУ цифровой мультиметр, осциллограф, двухпроводный и трехпроводный вольтамперные анализаторы позволяют измерять напряжение, ток, различные характеристики двухполюсников, строить вольтамперные характеристики.

Виртуальные приборы генератор функций и регулируемые источники питания предназначены для управления источниками сигналов настольной станции программным образом.

1.2 Задания к лабораторной работе

     1.2.1 Снять семейств стоко-затворных характеристик Ic = f(Uзи).

         1.2.2 Снять и построить графики семейство стоковых (выходных) характеристик Ic = f(Uси).

     1.2.3 На рабочем участке характеристик выполнить построения для расчёта дифференциальных параметров полевого транзистора S, Ri, m.

     1.2.4 Рассчитать максимальную крутизну Smax для исследуемого транзистора.

     1.2.5 Для любых двух значений Uзи, взятых из графика Iс = f(Uзи), вычислить значение тока стока. Сравнить результаты расчёта с экспериментальными данными. Сделать выводы.

     1.2.7 Используя стоковые характеристики транзистора, графически определить максимальное и минимальное сопротивления сток-исток Rси в режиме омического сопротивления. Пояснить полученные результаты.

1.3 Подготовка к лабораторной работе

1.3.1 Внимательно ознакомиться с назначением каждого органа управления настольной станций NI ELVIS и указаний мер безопасности.

1.3.2 Все органы управления и коммутации настольной станций NI ELVIS должны быть установлены в положения, обеспечивающие минимальные токи и напряжения (как правило, в положения “ВЫКЛЮЧЕНО”):

- выключатель (тумблер) сетевого питания, расположенный на задней стороне настольной рабочей станции NI ELVIS - в положение «0»;

- переключатель (тумблер) питания макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение;

- переключатель Communications (Связь) – положение «Normal»;

- выключатели регулируемых блоков питания- в нижние положения;

- ручка регулирования блоками питания -12 В – в левое крайнее положение;

- ручка регулирования блоками питания +12 В – в правое крайнее положение;

- выключатель функционального генератора – в нижние положения.

1.3.3 С помощью справочника определить и выписать основные параметры и характеристики исследуемого полевого транзистора.

1.3.4 Ответить на вопросы для допуска к работе:

1) Что такое полевой транзистор?

2) Изобразить семейства стоковых (выходных) и стоко-затворных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

3) Объяснить порядок и методику проведения работы.

1.4 Порядок выполнения лабораторной работы и методические указания

1.4.1 Собрать схему исследования для снятия семейство стоко-затворных характеристик Ic = f(Uзи).

Для этого:

а) в монтажной плате собрать схему исследования вольтамперной характеристики полевого транзистора (см. рисунок. 4.2);

 

Рисунок 4.2

 

б) присоединить мультиметр как амперметр PА, последовательно к стоку, (см. рисунок 4.2). В значениия в PV-1и PV-2 устанавливаете с помощью регулируемых источников питания. Они обеспечивают настраиваемые выходные напря­жения от 0 до +12 В на выводе SUPPLY+ и от -12 до 0 В на выводе SUPPLY-.

в) включить рабочую станцию NI ELVIS в сеть. Для этого:

1) выключатель (тумблер) сетевого питания расположенный на задней стороне настольной рабочей станции NI ELVIS - в положение «1»;

2) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в верхнее положение;

3) через программу запуска, по пути Пуск => Программы => National Instruments => NI ELVIS 2.0 => NI ELVIS открыть интерактивный панель управления;

4) для загрузки мультиметра, нажать на соответствующую кнопку. Если кнопки запуска виртуальных приборов недоступны и затемнены, это может означать, что есть проблемы с DAQ-устройством либо настольной станцией. Возможно, что DAQ-устройство не сконфигурировано или что настольная станция отключена от питания. Программа выдаст сообщение о том, в чем может заключаться ошибка.

     1.4.2 Снять семейство стоко-затворных характеристик Ic = f(Uзи) при трёх заданных Uси = const. Экспериментально определить Uзиотс . Результаты измерений занести в таблицу 4.1. Для этого:

а) выставить по прибору PV-2 с помощью регулируемого источника  SUPPLY- напряжение на стоке Uси = 0;

б) изменяя значение напряжения Uзи с помощью регулируемого источника  SUPPLY+ от 0 с шагом 0,5 В, до 3 В, записать показания приборов PV-1и PА. Показание приборов занести в таблицу 4.1;

в) повторить все действие 4.5.2-а при Uси = 5,0 и Uси = 10,0;

г) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение;

 

Таблица 4.1

Uси = 0

Uси1 = 5 В

Uси2 = 10 В

Uзи , В

Iс , мА

Uзи , В

Iс , мА

Uзи , В

Iс , мА

0,0

 

0,0

 

0,0

 

0,5

 

0,5

 

0,5

 

1,0

 

1,0

 

1,0

 

1,5

 

1,5

 

1,5

 

2,0

 

2,0

 

2,0

 

2,5

 

2,5

 

2,5

 

3,0

 

3,0

 

3,0

 

 

         1.4.3 Снять семейство стоковых (выходных) характеристик Ic = f(Uси) при четырёх значениях Uзи = const. Для этого:

         а) переключатель (тумблер) питание макетной платы Prototyping Board Power - в нижнее положение;

         б) изменяя значение напряжения Uси с помощью регулируемого источника SUPPLY-  от 0 с шагом 1,0 В, до 10 В, записать показания приборов PV-1и PА. Шаг изменения напряжения на затворе определить как DUзи = Uзиотс = 2,0 В. Первую стоковую характеристику снять при Uзи = 0 В. Результаты измерений занести в таблицу 4.2.

Таблица 4.2

Uзи = 0

Uзи1= Uзиотс

Uзи2=2Uзиотс

Uзи3=3Uзиотс

Uси , В

Iс , мА

Uзи , В

Iс , мА

Uзи , В

Iс , мА

Uзи , В

Iс , мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4.4 По данным таблиц 4.1 и 4.2 построить графики семейств стоко-затворных и стоковых характеристик. Обозначить на них параметры транзистора Icнач и Uзиотс. По виду характеристик определить тип канала.

1.4.5 На рабочем участке характеристик выполнить построения для расчёта дифференциальных параметров полевого транзистора S, Ri, m. Проверить справедливость уравнения m = S × Ri . Сравнить полученные результаты с паспортными данными транзистора.

     1.4.6 Рассчитать Smax для исследуемого транзистора по формуле:

Сравнить значение Smax со значением крутизны, полученным в п.4. Пояснить их различие.

     1.4.7 Для любых двух значений Uзи, взятых из графика Iс = f(Uзи), вычислить значение тока стока по формуле:

Сравнить результаты расчёта с экспериментальными данными. Сделать выводы.

     1.4.8 Используя стоковые характеристики транзистора, графически определить максимальное и минимальное сопротивления сток-исток Rси в режиме омического сопротивления. Пояснить полученные результаты.

1.5 Контрольные вопросы и задания к защите работы

 

1.                 Почему полевые транзисторы называют униполярными ?  В чём основное отличие полевых транзисторов от биполярных ?

2.                 Изобразить структуру полевого транзистора с управляющим p-n  переходом. Подключив необходимые напряжения к электродам транзистора, объяснить его функционирование.

3.                 Почему область канала должна быть легирована слабее, чем область затвора ?

4.                 Почему ширина p-n перехода у стока больше, чем у истока ?

5.                 Изобразить форму канала для точек A, B, C стоковой характеристики.

 

6.  Изобразить семейство стоко-затворных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n переходом. Показать на них значения Uзиотс и Icнач и объяснить физический смысл этих параметров транзистора.

7.  Изобразить семейство стоковых характеристик полевого транзистора. Показать на них области режима омического сопротивления и режима насыщения, объяснить ход характеристик в этих областях.

8.  Как по стоковым характеристикам полевого транзистора с управляющим p-n переходом определить максимальное и минимальное сопротивление сток-исток ? При каких напряжениях на затворе они наблюдаются ?

9.  Какие дифференциальные параметры вводятся для полевых транзисторов ? Дать определение каждому параметру. На статических характеристиках показать построения для определения дифференциальных параметров.

 

Список литературы 

1.     Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – Спб.: КОРОНА принт, Бином Пресс, 2006. – 416 с.

2.     Фолькенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. – М.: Мир, 1985. – 572 с.

3.     Barry Paton     Introduction to NI ELVIS. - National Instruments Corporation, 2005. – 106 c.