Основные теоретические сведения




Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд предназначен для исследования резонансного усилителя мощности, выполненного на биполярном транзисторе КТ602, с простой схемой (часть 1 настоящих указаний) и со сложной схемой выходной цепи (часть 2). На лицевой панели лабораторного стенда приведены его упрощенная схема и необходимые вспомогательные элементы.

Любая из исследуемых схем транзисторного усилителя мощности может быть построена подключением к выводам транзистора соответствующих пассивных элементов с помощью переключателей S1...S5. Лабораторный стенд наряду с исследуемым устройством включает в себя генератор сигнала возбуждения и мультиметр, позволяющий измерять токи и напряжения в контрольных точках каждого из исследуемых усилителей. При измерении переменных токов и напряжений выводятся их действующие значения.

Подключение мультиметра к необходимой контрольной точке осуществляется с помощью кнопок, расположенных под жидкокристаллическим дисплеем (ЖКД), отображающим измеряемую величину и ее значение. Средняя кнопка предназначена для выделения информации, относящейся к выполняемому пункту лабораторной работы. Левая и правая кнопки позволяют "перелистывать" страницы дисплея назад и вперед в пределах этого пункта.

Генератор входного сигнала возбуждения формирует синусоидальный сигнал. Частота сигнала может дискретно изменяться с шагом 1 кГц в диапазоне 180…220 кГц с помощью кнопок, расположенных на лицевой панели лабораторного стенда. Амплитуда сигнала плавно регулируется соответствующим аттенюатором. Регулировка базового смещения осуществляется потенциометром .

Управление переключателями S1...S5 осуществляется с помощью кнопок управления, расположенных в нижней части лицевой панели стенда, однократным нажатием на кнопку и удержанием ее в течение 0,5 с. Текущее положение любого переключателя индицируется зажиганием соответствую­щего светодиода.

В лабораторном стенде предусмотрена возможность подключения двухлучевого осциллографа к необходимым контрольным точкам с помощью соответствующих разъемов, выведенных на заднюю панель стенда. При этом кнопками управления каждый канал осциллографа может независимо подключаться к любой контрольной точке.

 

Основные теоретические сведения

Генератором с внешним возбуждением называется радиоэлектронное устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, равной или кратной частоте входного воздействия. В том случае, когда частота выходного сигнала равна частоте входного воздействия, генератор с внешним возбуждением называется усилителем мощности. Если же частота выходного сигнала в целое число раз больше частоты входного, – речь идет об умножителе частоты.

Основным требованием, предъявляемым к генератору с внешним возбуждением (ГВВ), является получение высокого коэффициента полезного действия (КПД) и коэффициента усиления ГВВ при обеспечении заданной мощности в нагрузке, что накладывает определенные ограничения на выбор режима работы усилительного элемента (УЭ) и параметров согласующей цепи.

Благодаря присутствию высших гармоник в токе УЭ при его работе в нелинейном режиме ГВВ можно использовать в качестве умножителя частоты (УЧ). УЧ предназначены для преобразования колебаний с частотой , в колебания кратной частоты n , где n – любое целое положительное число. Применение УЧ позволяет повысить стабильность частоты задающих генераторов, расширить диапазон рабочих частот или получить множество стабильных частот в синтезаторах частоты, увеличить индекс частотной (фазовой) модуляции, повысить устойчивость работы радиопередатчика.

Согласующая цепь обеспечивает гармоническую форму напряжения на выходном электроде УЭ , трансформацию в общем случае комплексного сопротивления нагрузки в чисто резистивное выходное сопротивление транзистора (сопротивление нагруженного контура) в заданном диапазоне частот, причем имеющего такое значение, при котором обеспечиваются высокие энергетические показатели ГВВ.

Одной из простейших согласующих цепей является параллельный колебательный контур с достаточно высокой добротностью, включенный в коллекторную цепь усилителя мощности (УМ) (рис. 1.1). На резонансной частоте сопротивление нагруженного контура чисто резистивное:

, (1.1)

где – коэффициент включения контура в коллекторную цепь ГВВ; – волновое сопротивление ( – полные индуктивность и емкость контура); – собственное сопротивление потерь в реактивных элементах контура; – сопротивление, вносимое в контур нагрузкой.

При гармонических напряжениях возбуждения (базы) и коллектора коллекторный ток имеет форму периодической последовательности импульсов, которая может быть представлена рядом Фурье:

= + + +…+ +…

Значения постоянной составляющей коллекторного тока и амплитуд n- ой гармоники коллекторного тока на практике обычно определяют через нормированные коэффициенты разложения: = / и = / , являющиеся функциями лишь угла отсечки коллекторного тока , где - максимальное значение импульсов коллекторного тока.

Полезная мощность, выделяемая на контуре 1-й гармоникой коллектор­ного тока: = 0,5 .

Мощность, потребляемая от источника коллекторного питания, определяется как = .

КПД генератора по коллекторной цепи

= / = 0,5( / )( / ) = 0,5 () , (1.2)

где = ()/ () – коэффициент формы импульса тока; = / – коэффициент использования коллекторного напряжения.

В зависимости от степени влияния напряжения выходной цепи на значение и форму импульсов тока УЭ различают три режима работы: недонапряженный, граничный и перенапряженный. Переход от одного режима к другому может быть осуществлен изменением , , , .

Зависимости , , , , , и носят название нагрузочных характеристик генератора. Здесь = – мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора.

При низких значениях ( < – см. рис. 1.2, кривые 1 и 2) амплитуда переменного напряжения = мала; остаточное напряжение велико ( = > ); импульс коллекторного тока имеет форму усеченной косинусоиды, а его амплитуда уменьшается с ростом незначительно вследствие малого значения проницаемости УЭ. В недонапряженном режиме УЭ может быть представлен приближенно в виде генератора тока , и, следовательно, по мере роста от 0 до напряжение , и полезная мощность будут возрастать.

При значении сопротивления = (см. рис. 1.2, кривая 3) оста-точное напряжение на коллекторе = уменьшается настолько, что вызывает уплощение вершины импульса коллекторного тока вследствие возрастания базового тока. В граничном режиме коэффициент использования коллекторного напряжения

= 1 – /( ) ≈ 1 – 2 /( () ),

где – крутизна линии граничного режима.

Для современных мощных высокочастотных транзисторов среднее значение = 0,85…0,95, и, следовательно, КПД генератора, работающего при углах отсечки 75° < < 100°, достигает 0,75…0,85. Высокое значение обусловливает и высокое значение полезной мощности , максимум которой примерно соответствует граничному режиму.

При дальнейшем увеличении ( > ) наступает перенапряженный режим (рис. 1.2, кривая 4). В этом режиме за счет некоторого роста и уменьшения остаточного напряжения ( < ) резко возрастает базовый ток и появляется провал в импульсе коллекторного тока (рис. 1.2, кривая 4).

Рис. 1.2

В перенапряженном режиме из-за искажения формы импульса коллекторного тока с ростом происходит уменьшение постоянной составляющей и более резкое уменьшение , что при незначительном возрастании напряжения приводит к уменьшению полезной мощности , хотя КПД остается при этом высоким и уменьшается лишь при переходе в сильноперенапряженный режим ( > 1).

Таким образом, в граничном режиме УМ отдает максимальную мощность в нагрузку (максимальный коэффициент усиления ГВВ) при высоком КПД. В перенапряженном режиме практически мало изменяется напряжение , полезная мощность уменьшается, но КПД остается высоким. Недонапряженный режим энергетически невыгоден, так как ГВВ отдает малую полезную мощность при низком КПД, и, следовательно, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, = достаточно велика.

Изменение напряженности режима генератора происходит не только при изменении связи контура с коллектором транзистора, но и при его расстройке, когда сопротивление носит комплексный характер и его модуль уменьшается с расстройкой (см. рис. 1.1).

Следовательно, расстройка контура, т. е. выполнение условия = ≠ 0, приводит к переходу в режим с меньшей напряженностью, что вызывает соответствующие изменения , , , , , и . Динамическая характеристика УЭ = f () при расстроенном контуре имеет вид отрезка эллипса, а не отрезка прямой, как при чисто резистивной нагрузке. Зависимости , , , , , и = f () носят название настроечных характеристик генератора.

В радиопередающих устройствах ввиду низких фильтрующих свойств одноконтурная схема выходной цепи УМ (простая схема выхода) находит ограниченное применение (в основном, в простых маломощных устройствах).

Сложная схема выхода обычно представляется в виде системы двух связанных контуров – нагрузочного с реактивным элементом настройки , и промежуточного (коллекторного). В качестве элемента связи между контурами могут выступать конденсатор (см. схему лабораторного стенда), катушка индуктивности или взаимная индуктивность между катушками двух контуров.

Сопротивлением связи между контурами определяется сопротивление, вносимое из нагрузочного контура в промежуточный: = / , где = + j – сопротивление нагрузочного контура; = + + , = + + .

При настройке нагрузочного контура в резонанс, когда = 0, вносимое в промежуточный контур сопротивление будет чисто резистивным:

= = / .

Эквивалентное сопротивление настроенного в резонанс промежуточного контура = /( + ) = , где , – волновое сопротивление и сопротивление потерь промежуточного контура; = = /( + ) – добротность нагруженного промежуточного контура.

Вводя понятия коэффициентов полезного действия промежуточного = /( + ) и нагрузочного = / контуров, можно найти мощность, передаваемую в нагрузку , при известной мощности , отдаваемой генераторным прибором в промежуточный контур:

= .

Преимущества сложной схемы выхода перед простой заключаются в существенно лучшей фильтрации высших гармонических составляющих, возможности получения большей полосы пропускания (при одинаковой добротности контуров). Обычно используют следующий порядок настройки сложной схемы выхода.

1. Устраняется связь между контурами и настраивается в резонанс промежуточный контур. Поскольку при = 0 вносимое сопротивление становится равным нулю и эквивалентное сопротивление промежуточного контура существенно возрастает, генератор переходит в заведомо перенапряженный режим. Поэтому настройку контура в резонанс можно контролировать, измеряя постоянную составляющую коллекторного тока.

2. Установив связь между контурами минимальной, но обеспечивающей возможность регистрации тока в нагрузке (нагрузочном контуре), изменением сопротивления настраивается в резонанс нагрузочный контур по максимуму тока в нем. Если на первом этапе не было возможности установить нулевую связь между контурами, то при настройке нагрузочного контура произойдет расстройка промежуточного (за счет изменения реактивного компонента вносимого сопротивления). В этом случае может понадобиться повторная настройка сначала промежуточного контура (при уменьшенной связи), затем нагрузочного.

3. Изменением связи между контурами добиваются максимального значения тока через нагрузку, достижение которого и будет означать окончание процедуры настройки выходной цепи генератора.

 

Цели работы

1. Изучение принципов построения и работы транзисторного усилителя мощности.

2. Определение влияния угла отсечки коллекторного тока транзистора на энергетические характеристики транзисторного усилителя мощности.

3. Снятие нагрузочной и настроечной характеристик транзисторного усилителя мощности при простой и при сложной схемах выхода.

4. Наблюдение осциллограмм токов и напряжений в контрольных точках транзисторного усилителя мощности при различных режимах работы транзистора.

Часть 1. Исследование транзисторного генератора
с внешним возбуждением с простой схемой выхода

Порядок выполнения 1-й части работы следующий.

1. Ознакомиться с расположением органов управления стендом и поставить потенциометры, регулирующие уровни напряжений смещения и возбуждения, в крайнее левое положение. Включить для прогрева лабораторный стенд и осциллограф. На экране ЖКД в правой верхней части лицевой панели должна появиться надпись, указывающая на работоспособность встроенного мультиметра, а на светодиодном индикаторе установки частоты генератора сигнала возбуждения высветится текущее значение частоты. Перед началом работы, нажимая кнопки клавиатуры мультиметра, следует изучить последовательность вывода информации на экран ЖКД.

2. Исследовать влияние угла отсечки коллекторного тока транзистора на основные энергетические характеристики усилителя. Для этого с помощью органов управления стендом "собрать" усилитель мощности с простой схемой выхода (S1 – положение 1, S2 – 1). Установить напряжение смещения = 0,65 В, напряжение возбуждения = 0,15 В, а частоту сигнала возбуждения f – равной резонансной частоте выходного контура. При этом ток контура должен достичь своего максимального значения, а формы импульсов коллекторного и эмиттерного токов будут представлять собой косинусоидальные импульсы с углом отсечки, близким к 90°. Увеличивая напряжение возбуждения, выставить постоянную составляющую коллекторного тока = 20 мА и зафиксировать с помощью осциллографа максимальное значение импульса коллекторного тока.

Изменяя напряжение смещения от 0,35 до 0,85 В и поддерживая постоянной максимальное значение импульса коллекторного тока изменением напряжения возбуждения , снять зависимости , и тока контура от напряжения смещения. С помощью соотношения (здесь = 0,65 В – напряжение отпирания транзистора) пересчитать полученные зависимости как функции угла отсечки. Полученные данные свести в таблицу. Рассчитать потребляемую , отдаваемую , рассеиваемую на коллекторе транзистора мощности и КПД усилителя = / , где = ( = 11 В – напряжение источника коллекторного питания); = ( = 30 Ом – сопротивление нагрузки контура); = . По полученным данным построить графики , , и как функции угла отсечки .

3. Снять нагрузочные характеристики усилителя мощности с простой схемой выходной цепи, т. е. зависимости , , и в функции от эквивалентного сопротивления контура = 1/[ ], где ω = 2π f – частота входного сигнала, равная резонансной частоте контура; – емкость связи.

Для снятия указанных зависимостей установить значение напряжения смещения = , переключатель S1 в положение 3 и, изменяя напряжение возбуждения, добиться граничного режима работы, контролируя форму импульса коллекторного тока с помощью осциллографа. Далее, изменяя с помощью переключателя S1 коэффициент связи с контуром в возможных пределах и поддерживая постоянными напряжения смещения и возбуждения, снять зависимости , , от положения переключателя. В недонапряженном режиме настройку контура в резонанс регистрировать по максимуму контурного тока, а в перенапряженном – по симметричной форме импульсов коллекторного тока. Полученные данные свести в таблицу, определить для каждого положения переключателя значение , рассчитать , , и и построить соответствующие графики. При расчете воспользоваться приведенными далее значениями , соответствующими различным положениям переключателя.

 

S1          
, нФ   6,7   3,3 2,5

 

Для случаев недонапряженного, граничного и перенапряженного режимов работы транзистора с помощью осциллографа снять осциллограммы импульсов базового, коллекторного и эмиттерного токов УЭ.

4. Снять настроечные характеристики усилителя, т. е. зависимости , , и в функции от частоты входного сигнала. Эксперимент провести для двух значений коэффициента связи с контуром, соответствующих на резонансной частоте граничному (S1 – 3) и перенапряженному (S1 – 4) режимам работы транзистора при постоянных значениях напряжений смещения и возбуждения, установленных в п. 3. Одновременно (аналогично п. 3) наблюдать и изменение форм импульсов токов. Частоту входного сигнала f менять в пределах от 180 до 220 кГц.

Экспериментальные , , = F (f) и расчетные , , , = F (f) зависимости свести в таблицу и построить соответствующие графики.

 

Часть 2. Исследование транзисторного генератора
с внешним возбуждением со сложной схемой выхода

Порядок выполнения 2-й части работы следующий.

1."Собрать" усилитель со сложной схемой выхода, поставив переключатели S1 в положение 3 и S2 в положение 2. При постоянных значениях напряжений смещения и возбуждения, установленных в п. 3 первой части работы, снять зависимости , , и в функции от значения емкости связи между контурами , определяемой положениями переключателей S3 – S5 (см. далее).

 

S3 Выкл. Вкл. Выкл. Вкл. Выкл. Вкл. Выкл. Вкл.
S4 Выкл. Выкл. Вкл. Вкл. Выкл. Выкл. Вкл. Вкл.
S5 Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Вкл. Вкл. Вкл. Вкл.
, нФ                

 

При каждом положении переключателей S3 – S5 необходимо подстраивать частоту сигнала возбуждения, добиваясь резистивного характера выходного сопротивления транзистора. Контроль осуществлять с помощью двухлучевого осциллографа. При этом середине импульса должно соответствовать минимальное напряжение на коллекторе транзистора. Определить значение емкости связи между контурами, вызывающее переход усилителя из недонапряженного режима работы в перенапряженный.

Данные, полученные из эксперимента , = F () и расчетные зависимости , = F () свести в таблицу и построить соответствующие графики. Отметить, при каком режиме работы транзистора достигается максимальная мощность в нагрузке ( = / , = 5 Ом).

2. Снять настроечные характеристики усилителя со сложной схемой выхода, т. е. зависимости , = F (f). Эксперимент проводить при постоянных значениях напряжений смещения и возбуждения, установленных в п. 3, и емкости связи , обеспечивающей при настройке в резонанс недонапряженный режим работы транзистора, а при расстройке – перенапряженный. Частоту входного сигнала изменять в пределах 180… 220 кГц. В ходе эксперимента наблюдать и зарисовывать формы импульсов эмиттерного тока.

Экспериментальные данные , = F (f) и расчетные зависимости , = F (f) свести в таблицу, и построить соответствующие графики.

 
 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-08 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: