Лабораторные работы по основам промышленной электроники [Виктор Григорьев. Герасимов] (pdf) читать онлайн

ЛАБОРАТОРНЫЕ
РАБОТЫ
ПО ОСНОВАМ
ПРОМЫШЛЕННОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ПЕРЕР АБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
..

>�

1 ПЕРЕВIРЕНО>�J �>
-----=

1\

•

]П�рено 201�

'r �l('iT�:k

·

tt"C/•JJ'}'

МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА:. 1989

ББК

32.85
Л12

УДК

621.38

Р е ц е н з е н т - кафедра общей н специальной электротехники
Университета дружбы народов им. П. Лумум бы (зав. кафедрой - д-р
техн. наук, пр оф. Л. М. Саликов)
О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский, П. С. Культиасов, А. Д. По­
кровский, Л . А. Чернов

' .

Л12

".

Лабо раторньiе работы по основам промышленной ЭJ�ектроники: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов/
О. М. К нязь ков, А. Е. Краснопольский, П . С. Культиасов
и др.; Под ред. В. Г. Герасимова. -2-е изд., перераб. и
доп.-М.: Высш. шк., 1989.-175 с.: ил.
ISBIN 5-0(,)-000109-1

Пособ ие соответствует программе по элек тро техническим дис ц иплинам дJiя
неэлектротехнических спе ц иальнос т ей в ысших уче б ных за в едений.
Во втором и з д а нии нскл·ючены л абора торные ра боты по электро ва куу мным
электронным и нонным при борам . А к цен т сделан н а и з учение современны х полу­
про водниковых приборо в, аналоговых н цифровых интегральных микросхем, опт­
роно в. микропроцессоров и т. д.
Пособи е содержит нео бходимые уче б н ые материалы дл я подготовки и в ы­
пол н е н и я лабораторн ых работ, а та ·к же вопросы дл я само!j:онтрол я .
л

2202070500(4�09000000)-393
001(01)-89

I S BN 5-06-000109-1

ББК

167-89
© И з д ател ьс тв о

32.85
6ФО.3

«Высшая школа», 1977

© Издательство «Высшая школа», 1989,
с

из менениями

ПРЕДИС Л О ВИ Е
В настоящее время в прогр а м м ы электротехнических дис­
циплин большинства неэлектротехнических специ альностей ву­
зов включен р а здел «Основы электроники», изучение которого
предполагает выполнение студента м и нескольких л а бор аторных
р а бот. Количес:гво л а бор аторных з анятий по этому разделу
з ависит от специальности. Для большинства специальностей
студенты выполняют 3-5 л а бор аторных р а бот по электронике,
а для специальностей, связанных с автом атизацией р азличных
от р аслей народного хозяйства, их м ожет быть 7-8 .
Лаборатор ный пра ктикум игр а ет важную рол ь при изучении
основ электроники. Л а бораторные з анятия дают студентам на­
глядное представление о ра боте полупроводниковы х п р и боров
и интегр альных м икросхем в устройствах промышленной
электроники, их свойствах, характеристиках и возм ожностях. Во
время занятий студенты должны приобрести полезный для их
будущей р а боты опыт исследования современных электронных
измер ительных при боров, широко п р именяемых в н а стоящее
время в системах измерения и регулирования неэлектрических
величин и многих технологических процессов .
В предлагаемом учебном посо бии приведено описание 1 1 л а ­
бораторных р абот по основа м промышленной электроники . Ла­
бораторные р а боты составлены н а основе опыта преподавания
дисциплины « Электротехника и электроника » в Московском
энергетическом институте. Кол ичество и перечень л а бор аторных
р а бот, выполняемых студентами, должны определяться кафед­
р а м и в зависимости от специальности будущих инженеров .
Авторы н адеются, что предл агаемое учебное пособие ока­
жется полезным не только студента м, но и преподавателям,
ведущим занятия по электронике, и окажет помощь пр и nоста­
новке л а бор аторных р а бот по электронике в вузах стр а н ы . Ав­
торы благодарят рецензентов, а также преподавателей и сотруд­
ников кафедры электротехники и интроскопии МЭИ, особенно
доц. М. С. Цепляеву и ст. преподавателя О. В. Никол аеву, з а
ценные з а мечания и советы .
Матер иал книги р аспределен м ежду автор а м и следующим
образом : общие м етодические рекомендации по выпол нению
3

л а бораторных р а бот, техника безопасности п р и проведени и л а­
бор аторных р а бот, л а бораторные р а боты № 1 4 6 и П риложе­
ния 1 , 3 написаны О. М. Князьковы м , л а бор аторные р а боты № 7,
1 1 , Пр иложение 2 - А. Е. Краснопольским, л а бораторные р а бо­
ты № 8, 9 П. С. Культиасовым, л а бораторная р а бота № 5
Л. А. Черновым, л а бор аторная р а бота № 1 0- А . Д . Покров­
ски м .
Авторы пон и мают, что подготовленное уче бное пособие н е
лишено недостатков, поэтому с благодарностью примут все за­
мечания и пожелания по его улучшению, которые просят направ­
лять по адресу: 1 01430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул ., д. 29/ 1 4,
издательство « Высшая школа».
-

-

,

-

Редактор

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ Р ЕКОМ Е НДАЦИИ
П О ВЫ ПОЛ Н Е НИЮ
Л АБОРАТОР НЫХ РАБОТ

П р о м ы ш л е н н о й э л е к т р о н и к о й называется отр асль
н а ук и и техни к и, связанная с изучением пр инципа действия, ха ­
р а кт еристи к эле ктрова к уум ных и полупроводни к овых при боров,
использованием их в п ромышле нных устройствах и системах.
В зависимости от о бл а сти применения этих устройств п р омыш­
ленн ую электронику подразделяют н а инфор м а ционную, энерге­
тичес ку ю и технологичес к ую.
В информационной промышленной электронике основное
внимание уделяется получению, передаче, преобр азованию, хр а­
нению и испол ьзованию инфор мации о производственных пр о­
цессах с целью осуществления к онтроля и упра вления . Энерге­
тическая промышленная электроника связана с получен и ем, пе­
редачей, преобр азованием и потре блением эле к тр ичес к ой энер­
гии. Технологическая промышленн ая электроника охватывает
к руг вопросов , связанных с воздействием пуч к ов эле ктр онов,
ионов и к вантов эле к тромагнитного поля н а вещество. В се тр и
направления пр омышленной эле ктрони к и имеют важное значе­
ние для р азличных областей пром ышленности, автоматизации
производственных пр оцессов.
Изучение пр омышленной эле ктрони к и эффе ктивно лишь
тогда, к огда н аряду с овладением теорией студенты в условиях
проведения л а бор аторного э к спер имента зна к омятся на пр а кти­
к е с основны м и хар а ктеристи к а м и эле ктронных устройств. Дан­
ный л а бор атор ный пр а кти к ум содержит р а боты, связанные в
основном с первыми двумя н а пр авлениями промышленной элект­
роники, имеющими отношение к большин ству неэле ктротехниче­
с к их специальносте й .
В ходе выполнения л а бор аторных р а бот студенты должн ы :
научиться читать схемы н а и более р аспростр аненных эле кт­
ронных устройств, р азличать условные обозначения полупровод­
ни к овых при бор ов, интегр альных л инейных и циф ровых ми к ро­
схем и оптоэле ктронных приборов ;
озна ком иться с устройством и внешним видом полупроводни­
ковых и оптоэле ктр онных пр и бор ов, интегр альных м и кр осхем и
не к отор ых измерительных эле к тр онных пр и боров ;
понять п р инцип действия основных эле ктронных устройств :
5

выпрямителей, усилителей, автогенер аторов, логических элемен­
тов, тр игге ров, регистров, дешиф р аторов, АЦП, ЦАП и м и кр о ­
процессоров ;
приобрести н авыки опр еделения хар а ктер истик и пар аметр ов
основных электронных устройств ;
получить предст а вление о воз можностях использования тех
или иных полупроводниковых при боров, интегральных микро­
схем и оптоэлектронных при боров при решени и определенных
пра ктических зада ч .
Учебное посо бие составлено пр именительно к л а бо р атории
основ промышленной электроники МЭИ , рассчитанной н а одну
учебную группу. В ее состав входят 1 5 универсальных стендов,
на каждом из которых м огут выполняться все л а бор аторные
р а боты . Ла бор атор ные занятия проводятся «фронтальным мето­
дом», т. е. все студенты учебной гр уппы выпол няют одновремен­
но одну и ту же р а боту. П реи мущество фронтального метода
состоит в том, что л а боратор ные р а боты выполняются после
соответствующих лекций всеми студента ми одновременно.
Количество и пер ечень л а бор аторных ра бот, которы е выпол­
няются студента м и в зависимости от их специальности, зафик­
сированы в графиках проведения л а бор аторных занятий .
Пр иведенные в данной книге теоретические сведения охваты­
вают минимум учебного м атер иала, необходимый для подготов­
ки и выполнения соответствующей л а бораторной ра боты.
Подготовка
к л а бор аторной
р а боте предусматривает
изучение теоретического м атериала, а та кже выполнение расч ет­
ной части задания. З адание включ ает расчет п а р а м етров и ре­
жи мов р а боты электронных устройств, исследуемых в л а борато­
рии. Результаты выполнения задания заносятся в бл а н к отчета ,
состоящий из титульного листа, схем электронных цепей и
устройств, исследуемых в р а боте, т а блиц для результатов изме­
рений . В бланке отчета должно быть предусмотрено м есто для
гр афиков экспер иментально полученных з ависимостей и перечня
использованных в р а боте приборов.
На титульном л исте должны быть указаны н аименование
кафедры, название р а боты, ф а м илия студента и его группа, эта­
пы выполнения р а боты : « Коллоквиум сдан», « Р а бота выполне­
н а », « Р а бота защищена» . После выполнения каждого этапа щш­
ло соответствующих слов ставится подпись преподавател я .
Хорошая подготовка к л а бор аторной р а боте - непременное
условие ее эффективности, так как проведение л ю бого экспе р и­
мента имеет смысл только в том случае, если экспери ментатор
отчетливо представляет себе цель э ксперимента и характер
ожидаемых результатов .
О бщие правил а в ыпол нения э кспериментал ь ной рабо ты. Пе­
ред выполнением р а боты в л а бор атор ии необходимо вниматель­
но озн а комиться с измерительными прибор ами, установленными
н а стенде, и с объектами исследования, смонтированными на
6

съемной испытательной панели, предназначенной для данной
р а боты. Перед н ачалом р а боты все регуляторы и делители н а­
пряжения, регул ир овочные р еЗистор ы и устройства до.пжны
быть поста влены в положения, обеспеч ивающие м и н и м альные
токи и напряжения.
Пр и сборке электронных цепей р еком ендуется вначале вкл ю­
ч ать элементы цепи с последовательным соединением, а затем
осуществлять подкл ючение п а р аллельных ветвей . С оединитель­
ные провода к вольтметру и осциллогр афу включаются в послед­
нюю очередь . П р и этом провод, соединенный с корпусом измери­
тельного п р и бор а , должен обязательно включаться в одно из
стенда (обозначено значгнезд, имеющих п отенциал корпуса
.
ком J_).
Прежде чем производить запись результатов измерений, не­
о бходимо определить диапазон измеряемых вел ичин, кол ичество
измерений и н а м етить зн ачения, которые будут устанавл иваться
для независимой переменной . Количество этих значений зависит
от ха р а ктер а снимаемых зависимостей . Для плавных м онотон­
ных за висимостей достаточно и м еть 5-6 значений независимой
переменной, р а вномерно р аспределенных по всему диапазону ее
изменения. При снятии з а висимостей, и меющих резкие экстре­
мумы ( как, н а п р и мер , у резонансных кр ивых ) , кол ичество экспе­
р иментальных значений измеряемых величин в окр естностях
осо бых точек Д{)ЛЖно быть больше, что позволит получить н а и­
более достоверную з а в исимость .
Поскольку в л а бор атор и и используются универсальные стен­
ды, н а котор ых р аспол ожены м ногопредельные п р и боры, обеспе­
чивающие выполнение всех л а бораторных р а бот, перед началом
выполнения каждого пункта р а бочего задания нео бходимо вы­
брать нужный для данного эксперимента при бор и соответствую­
щие предел ы измерения. Результать1 измерений необходимо
заносить в заготовл енные дома та блицы в виде делений, отсчи­
танных по п р и бору. В т а бл ицах должны быть предусмотрены
колонки для результатов измерений, пересчИ танных в единицы
измеряемых величин ( вольты, милливольты, миллиа мперы
и т. д . ) . Эти колонки заполняются после проведен ия определ ен­
ной сер и и измерений . Все измерения, относящиеся к одному
р ежиму р а боты электронного устр ойств а, должны пр оводиться
без перерыва, за короткий промежуток времени во избеж ание
погрешностей в измерениях, о бусл овленных разл и ч н ы м и ф а кто­
р а м и , напри мер нагр евом электронного устройств а . П р и прове­
дени и большинства экспер и м ентов одним из основных режи мов
р а боты электронного устройства является ном инальный режим,
поэтому измерение номинальных значений электрических вел и ­
чин для большинства л а бор аторных ра бот к р а й н е нео бходимо.
П олупроводниковые приборы и микросхемы характеризуются
р ядом м а ксим ально допустимых п а р а м етров, превы шение кото­
р ы х п р и п роведени и эксперимента недопустимо.
7

При построени и некоторых характер истик, н а п р имер ампли­
тудно-частотной, пользуются логар и ф м ической шкалой для
частот, откл адываемых по оси а бсцисс. При этом измерения,
проводимые в широком диапазоне частот, следует осуществлять
на частотах, кратных 1 , 2 и 5, т. е. п р и f = 20 ; 50; 1 00 ; 200; 500;
1000 Гц и т. д.
После снятия зависимостей , относящихся к данной сер и и
измерений ( выполнение определенного пункта задан ия ) , следует
построить соответствующие кривые (ха р а ктер исти ки ) и пока­
зать их преподавател ю . После выполнения л а бор аторной р а бо­
ты титульный лист отчета около слов «Ра бота выполнена» нуж­
но подписать у п реподавател я . П осле этого можно разобрать
электр ические цепи и отключить измерительные п р и бор ы .
ТЕХН ИКА БЕЗО П А С Н О СТ И П Р И П РО ВЕДЕН И И
Л АБОРАТОРНЫХ РАБОТ

На л а бор атор ном стенде имеются р азъемы, клеммы, элект­
ронные измер ительные п р и бор ы и другие элементы цепи, кото­
р ы е п р и выполнении л а бор атор ной ра боты могут находиться
под н а пряжением . Поэтому согл асно «Пр авила м техники безо­
п асности при эксплуатации электроуста новок потре бителем»
такие стенды считаются действующими электроустановка м и и
для их эксплуатаци и нео бходимо знать и стр ого соблюдать сле­
дующие правила техники безоп асности:
1 . Л а бораторную р а боту можно выпол нять только на исправ­
ном стенде.
2 . Перед началом р а боты н а стенде необходимо убедиться,
что все выключатели стенда н аходятся в пол ожении « Выклю­
чено» .
3. П р и сборке электрических цепей особое внимание следует
обр атить на испра вность изоляции соединительных проводов,
наличие изолированных держателей на штырях. Об обнаружен­
ных неисп р авностях необходимо сообщить л а бор анту.
4 . Категор ически запрещается включ ать стенд без разреше­
н и я преподавател я .
5. При проведении опытов н а испытательной панел и стенда ,
находящейся под н а п ряжением, в с е переключения, р егулировки
с помощью переключателей и переменных резисторов, вкл юче­
ние и выключение тум блеров и другие подобные опер ации
должны производиться одним человеком и только одной рукой .
Втор ая рука должна быть сво бодной и не должна касаться
а п п а р атуры стенда. Недопустимо прикасаться к л ишенным изо­
ляции элементам цепей, находящимся под напряжен ием.
6 . Н а испытательной п анели стенда, н аходящейся под напря­
жением, запрещается производить какие-л и бо переключения с
помощью соединительных проводов. Перед л ю бым изменением
исследуемой цепи испытательная па нель должна быть обесто8

чена . Для этого соответствующие выключатели должны быть
поставлены в положение « В ы ключено».
7 . При проведен и и опытов с использованием электронных
п р и боров (генератора, осциллогр аф а , электронного вольтметра
и т. д.) необходимо остерегаться одновременного касания рука­
ми, кар андаш а м и и другим и предметам и испытательной панел и,
находящейся под напряжением, и корпуса прибора, соединенно­
го с клеммой .l. При использовании нескольких электронных
устройств одновременно корпусы п р иборов следует соединить
между собой провода ми с помощью этих кле м м .
8. П р и обнаружении любых повреждений или неисправно­
стей электр ического оборудования стенда л и бо испытательной
панел и , а также пр и появлении дыма, искрения, специф ического
з а п аха перегретой изоляции нужно немедленно обесточить стенд
и соо бщить об этом п репода вателю или л а боранту.
9 . В случае поражения человека электрическим током следу­
ет немедленно о бесточить стенд, выключив его питание. Если
отключение напряжения не может быть произведено быстро,
н ужно принять меры к отделению постр адавшего от частей
оборудования, находящихся под н апряжение м . Для этого необ­
ходимо· воспользоваться резинов ы м и перчатками, резиновым
ковриком, а при их отсутствии можно п р именять такие подруч­
н ы е средства, ка.к сухая одежда , сухие доски, палки и другие
хорошие изоляторы .
10. Пр и потере сознания fi дыхания н еобходимо освободить
постр ада вшего от стесняющей одежды и делать искусственное
дыхание до п р и бытия вр а ч а .
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА .№

1

И сследован и е источ ни ков в торич ного электропитания

Ц е л ь р а б о т ы. Изучение п р и нципа р а боты и исследование
характер ист и к неупра вляемых и управляемых источн и ков вто­
ричного электропитан ия ( И ВЭ ) , а также ста билизаторов н а
дискретных эл ементах и с использованием интегральных м икро­
схем .
Краткие теоретические сведения

П итание эл ектр онны х устройств осуществляется с помощью
источников вторичного электропитания ( И ВЭ) .
Н а и более р аспространенным И В Э я вляется устройство, пре­
образующее переменное на пряжение в постоянное. Та кой И ВЭ
(рис. 1.1) состоит из выпр я м ител я , в котор ы й входят сил овой
тра нсфор м атор Тр, диод ил и совокупность диодов Д, сгл ажива­
ющий ф ильтр СФ, и ста билизатор а Ст. После изменения напря­
жения сети Ис до нео бходимого зн ачения с помощью трансфор9

м атора Тр диодам и Д выпрямляют переменное напряжение.
Сглаживающий ф ил ьтр СФ умень шает пульсации выпрямлен­
ного напряжения до тре буемого значения. Установленный после
сглаживающего ф ильтра ста билизатор Ст поддерживает неиз­
менным напряжени е на нагрузочном устройстве или р езисторе с
сопротивлением Rн п р и изменениях напряжения сети или сопро­
тивления Rн.

Рис. 1.1. Структур ная схема источника вторичного эле­
ктропитания

В зависимости от условий р а боты и требований, предъявляе­
мых к выпря м ител я м, отдельные узлы их могут отсутствовать.
Например, если напряжение сети соответствует требуемому зна­
чению выпрямленного напряжения, то можно н е использовать
трансфор м атор . В трехф азных выпрям ител ях могут отсутство­
вать сгл аживающие ф ильтр ы, так как пульсации в них сравни­
тельно небольшие. В некоторых случаях может отсутствовать
ста билизатор .
I
и

и

Р ис. 1 .2. Схема однополупери­
одного выпрям ителя

а)

о)

Рис. 1.3. Вольт-ам перные характери­
стики р еального (а) и идеального
(6) диодов

О дно фа зные неупр авля емы е в ыпрямит ел и. Для выпрямления
переменного напряжения одноф азны х цепей шир око п р именяют
два типа одноф азных выпрямителей : однополупер иодный и двух­
п олупериодный.
Схема однополупериодного выпрямителя с трансф орматором
приведена на р ис. 1.2. Д иод Д включен последов ательно с н а ­
грузо•шым устройством ( резисторо м ) Rн и вторичной обмоткой
трансформатор а Тр.
10

Анализ р а боты выпрямителей проводят при допущении, что
диод идеален. Это ·означает, что:
1 ) сопротивление диода в прямом направлении равно нул ю ;
2 ) обр атное сопротивление диода бесконечно велико.
В настоящее время в выпрям ителях используются полупро­
водниковые диоды, вольт- амперная хар актеристика (БАХ ) котоUz
Иzт
а

t
а)

Ua

t

...

Р и с. 1.4. Временнь1е диаграммы то­
ков и напряжений однополупер иод­
ного выпрям ителя
Ин.ер
I н.ср
о

iн,Uн

Рис. 1.5. Схем а ( а) и временнь1е
диаграмм ы токов и напр яжений (6)
мостового в ыпрям ителя

.._.,___..
_.__.____.
._
_.��.___
._
....

о)

рых и меет вид, п р иведенный н а р ис. 1 .3, а. БАХ идеального
диода показана на р ис. 1 .3, б.
Р а боту выпрямителей удобно р ассматривать с помощью
временнь1х диагр а м м . На рис. 1 .4 изображена временная диа­
г р а м м а однополупериодного выпр я м ител я . В течение первого
полупер иода напряжения и2, когда потенциал точки а положи­
телен по отношению к потенциалу точки Ь , диод открыт и в на­
грузочном р ез исторе появляется ток. Если считать, что сопро­
тивление диода в прямом н а п р авлении р а вно нулю, то все
напряжение будет приложено к нагрузочному резистору, т. е.
Uн=и2. Во второй полупериод полярность напряжения и2 н а
втор ичной обмотке трансформ атора изменяется н а противопо­
л ожную, т . е . потенциал точки а ста новится отр ицательным по
отношению к потенциалу точки Ь. П р и такой полярности диод
включен в обр атном напр авлении . Если считать, что сопротив­
ление закр ытого диода р авно бесконечности, то все напряжени е
1l

и2 втор ичной обмотки трансформ атора будет приложено к за­
крытому диоду, т . е . Иа=И2, и его м аксим альное значение
Иобр max= V2 И2.

Из временнь1х диагра м м видно, что ток iн в нагрузочном
резисторе и н апряжение Ин на нем имеют пульсирующий харак­
тер и значительно отличаются от постоянных.
Выпрямленное н апряжение м ожет быть р азложено в ряд
Ф урье :
и

(

2

2

)

ин=� 1 +-cosшt +-cos2шt--cos4шt + ... .
Э1

Э1

2

3

15

(1.1)

Эффективность ра боты лю бого выпрямителя определяется
коэфф ициентом пульсаций р, т. е. отношением а м пл итуды первой
(основной ) гармоники Иосн m к среднему выпря мленному напря­
жению Ин.ер. Для однополупер иодного выпрям ителя р=л/2�
�1.57.
Широкое применение нашли двухпол упер иодны е выпрямите­
л и, в которых в отличие от однополупериодных выпрямителей
выпрямленное напряжение Ин создается в оба полупериода н а ­
пряжения сети. Н а и большее распростр анение получил мостовой
двухполупериодный выпрямитель ( р ис. 1.5, а ) , в состав которо­
го входят трансфор м атор Тр, диоды Д1-Д4, включенные по·
мостовой схеме, и нагрузочный резистор Rн.
В один из полупериодов напряжения сети Ис, когда вывод а
вторичной обмотки трансформатор а имеет положительный по­
тенциал по отношению к выводу Ь , диоды д1, дз откр ыты, а
диоды Д2, Д4 закрыты. Ток в этот полупер иод имеет направле­
ние: вы вод а вторичной обмотки тр ансформатор а, диод д1 , н а­
грузочный резистор Rн, диод Д3 и вывод Ь .
В другой полупериод, когда вывод а имеет отрицательный
потенциал по отношению к выводу Ь , диоды д1, дз закрыты,
а диоды Д2, Д4 откр ыты, ток и меет направление о т вывода Ь
через диод Д4, н агрузочный резистор Rн, диод д2 к выводу а
втор ичной обмотки тра нсформатор а . При этом в течение всего
периода ток iн в н агрузочном резистор е Rн и напряжение Ин н а
нем имеют одно и то ж е направление ( р ис. 1.5, 6) . Ряд Фурье
та кой кривой имеет вид
ин=

2Иmах (i +�cos2шt-2 cos4шt+ ...) .
1'

3

(1.2)

15

Коэф фициент пульсаций р=Иосн т/Ин.ср=2/3�0,67.
Основными показателям и р а боты выпрямителей являются:
среднее значение нап ряжения на нагрузочном устройстве

Ин.ер;
12

( резисторе )

среднее значение тока в нагрузочном устройстве lн.ср;
максимальное обратное нап р яжение на запертом диоде Иобр max;

\

максим альные выпрямленные ток 1 н max и напр яжение Ин max;
коэффициент пульсаций р= Иосн т/Ин. ер;
условия эксп.�уатации (диапазон изменения темпер атуры окружающей
среды, влажность, ви брации и т. д.) ;
КПД выпрямителя;
габариты и м асса в ыцрямителя.
Условия работ ы в ыпрямительных устройств и предъявляемые к ним
требования определяют в ыбор диодов.
Выбор диодов для выпрямительных устройств производят так, что б ы
основные пара метры соответствовали основным показателям р а боты выпря­
мительного устр ойства .
Основные параметры диодов подразделяются на эл ектрические И предель­
ные Эксплуатационные. К электри чески м параметрам отн осятся:
средний ток пр и прямом в ключени и диода /пр.ер;
среднее падение напр яжения на диоде при прямом включении Ипр.ер
(эти два параметра определяют коэффициент полезного действия в ыпрями­
теля; чем меньше Ипр.ер при заданном /пр.ер, тем выше КПД) ;
средний обр атный ток диода iобр.ерПредельными эксriлуатационными параметр ам и, характер изующими пре­
дельный электрический режим р а боты диода, являются:
допустимое обр атное напряжение Иобр.доп;
допустимый ( максим альный) прямой ( в ы пр ямленный) ток lпр.до11 ( или
/выnр max}.

Кроме указанных параметров часто нужно знать ди апазон р а бочих тем­
ператур, относительную влажность, постоянные и ударные ускорени я, в и б­
рационные ускорения в определенном диа пазоне частот.

Сравнение двух типов выпрямителей при одинаковых значе­
ниях И2 и Rн позволяет выявить их преимущества и недостатки.
Мостовой выпрямитель более эффективен : среднее значение.
выпря мленного тока и напряжения у него' в два раза больше,
а пульсации значительно меньше,
чем у однополупер иодного
выпрямителя. Недостатком мостового выпрямителя является
применение четырех диодов.
В настоящее время в м остовых выпрямителях ч а сто приме­
няют кремниевые диффузионные блоки КЦ402-КЦ405 (от А
до И ) , которые р а ссчитаны н а токи /пр.ер от 0,6 до 1 А и напря­
жения Иобр.доп от 1 00 до 600 В . Они выпускаются в пластмассо­
вом корпусе с размерами, не превышающими нескольких санти­
метров, и м ассой от 7 до 20 г .
Сгл ажив ающие фил ьтр ы . Коэффициент пульса ций напряже­
ния, п итающего электронные устройства, должен составлять
доли процента, поэтому пульсации стремятся уменьшить до за­
данного ур овня с помощью устройств, называемых с г л а ж и­
в а ю щ и м и ф и л ь т р а м и.
В зависимости от типа фильтрующего элемента различают
индуктt�вные, емкостные и электронные (тр анзисторные) ф ильт­
р ы . Их основными элемента ми являются соответственно индук13

тивные катуШки, конденсатор ы и тр анзисторы, сопротивлени'я
которых р азличны для постоянного и переменного токов.
Для индуктивных катушек сопротивление п остоянному току
м ало, а индуктивное сопротивление переменному току XL=L(J)
увел ичивается с ростом частоты. Т аким образом, для перемен­
ной составляющей тока индуктивное сопротивление катушки
значительно больше сопротивления постоянной составляющей .
П оэтому п р и включении индуктивной катушки ( индуктивный

/

б!

г)

Рис. 1.6. Схемы ( а, в) и временные диаграмм ы токов и напря­
жений (6, г) однополупериодного и мостового в ы прям ителей с
е м костным фильтром

ф ильтр ) последовательно с нагрузочным устрой ством падение
напряжения на нагрузочном устройстве от переменной состав­
ляющей тока снижается, т . е. пульсации выпря мленного напря­
жения уменьшаются .
Основным п а р а метром, хар а ктеризующим эф фективность
действия сгл аживающего ф ильтр а, является к о э ф ф и ц и е н т
с г л а ж и в а н и я, р авный отношению коэффициентов п ульсаций
н а входе и выходе ф ильтра:
(1.3)
q= Рвхf Рвых·

Е м костный фильтр СФ включают пар аллельно н агрузочному
резистору Rи (рис. 1 .6, а ) . При таком включении конденсатор
СФ з аряжается через диод до а м пл итудного значения напряже­
ния и2 в моменты времени, когда напряжение и2 н а втор ичной
обмотке тр ансфор м атора превышает напряжение ис н а конден­
саторе (рис. 1 .6, 6) . Этому режиму соответствует интервал вре­
мени t1-t2. В течение интервала времени l2-tз н апряжение
ис>и2, диод з а крыт, а конденсатор р азряжается через нагру­
зочный резистор Rи с постоянной времени 'Тразр= СФ Rи. П р и
этом напряжение ин снижается д о некоторого н а именьшего зна­
чения по экспоненциальному закону. Н ачиная с момента време­
ни tз напряжение ис н а конденсаторе становится меньше напря­
жения и2. Диод откр ывается, конденсатор СФ снова начинает
14

�

ряжаться, и п р оцессы повторяются . Как показывают времен­
ные диагр а м м ы рис. 1.6, 6, п р и включении емкостного ф ильтра
н аh1 р яжение Ин не уменьшается до нуля во втор ую половину
п ериод а, а п ульсируют в некоторых пределах, увел ичивая среднее 1 значение выпря мленного напр яжения по ср авнению с одно­
полупер иодны м выпрямителем без фильтр а. Отметим, что п р и
этом к закр ытому диоду приложено напряжение Иобр max, зна­
чение которого м ожет п р и бл ижаться к удвоенному з начению

U8.r

.!:..Р.

1

Cq;

i

а)

Rq;

ин\�

Rн

инх�
1

Сер

oJ

Ин�

Rн

Рис. 1.7. Схемы Г- образных фильтров LС-типа (а) и RCтипа (6)

И2т. Ан алогично р а ботает емкостный ф ильтр в мостовом выпря­
м ител е ( рис. 1.6, в, г).
Е мкость конденсатора СФ выбир ают та кой, чтобы выполня­
лось соотношение
(1. 4)

г д е Т= l/f осн
пер и од основной гармоники .
Коэфф ициент пул ьсаций выпрямителя с ем костны м ф ильт­
ром может уменьшаться до 1 0-2• Е м костный фильтр целесооб·
разно применять с высокоомным нагр узочным резистором Rн
при м ощности Рн не более нескольких десятков в атт.
Есл и требуется бол ее высокий коэфф ициент сглаживания, то
пр и бегают к сложным сглаживающим фильтр а м . К ним отно сятся Г о б р а з н ы е ф и л ь т р ы LC- и RС-типов.
Подключение индуктивной катушки LФ к емкостному ф ил ьт­
ру СФ ( р ис . 1.7, а) п р иводит к тому, что з а счет п адения напря­
жения н а индуктивной катушке LФ значительно уменьшается
доля переменной составляющей выпрямленного напряжения.
Падения напр яжения от постоянной составляющей тока практи­
чески нет, так как активное сопротивление индуктивной катуш­
к и ст р е м ят с я делать очень м алым.
В маломощных выпрямительных устройствах, когда требует­
ся значительно уменьшить массу, га бариты и стоимость фильт­
ра, вместо индуктивной катушки обычно вкл юч а ют резистор RФ
(рис. 1 .7, 6 ) . «Ф ильтрующее» действие резисто р а RФ заключает­
с я в том , ч то при ХсФ «: Rн на RФ происходит большее паден и е переменной составляющей выпря мленного напряжения, чем
постоянной.
-

-

15

_

/
J

Можно показать, что коэфф ициент сглаживания RС-фильт а
п р и бл иженно определяется по формул е
q=

Рвх
--

Р вых

Иоситвх/Ин.ср.вх

=

Иоснтвых/Ин.ср.вых

�

V R� + Х�Ф
Хсф

Rн
Rн + Rф

/l б
G.)

Чтобы уменьшение постоянной составляющей выпрямленного
напряжения было не очень большим, значения Rн и R.Ф выбира­
ют соизмер имыми, т. е .
( 1. 6)

Если Г-образные ф ильтры н е позволяют уменьшить пульса­
ции до необходимого уровня, то применяют м ногозвенные фильтр ы . О бщий коэф фициент сгл аживания м ногозвенного 11(
lк п

}1,;и

п

15=0

Ux

U кп

Рис. 1.8. Выбор
точки транзистора
ронном фильтре

ра б очей
элект-

в

Рис. 1.9. Схема простейшего
электронного фильтра

ф ильтр а равен произведению коэф фициентов сглаживания
ф ильтров, из которых он состоит .
В последнее время в с е чаще н а ч а л и применять электронные
фильтры, в котор ых вместо индуктивных катушек включают
транзисторы.
Применение транзисторов в ф ильтр ах основано на различии
их сопротивлений для постоянной и переменной составляющих
коллекторного тока . При вы боре ра бочей точки П на пологом
участке выходной характеристики (рис. 1.8 ) сопротивление про­
межутка коллектор - эмиттер постоянному току ( статическое
сопротивление) Rст= Икпf 1 кп
н а два-три порядка меньше
сопр отивления этого промежутка переменному току· ЛИк/Л/к
(динам ического сопротивления ) . Электронные ф ильтры снижа­
ют пульсации примерно в 3-5 р а з .
Н а р и с . 1.9 изображена схе м а простейшего электронного
фильтра, в котором транзистор включен последовательно с на­
грузочным резистором Rн. В этом фильтре для о беспечения
положения р абочей точки на пологом ( ра боче м ) участке выход­
ной характеристики в базовую цепь включается R С-цепь, посто­
янная времени которой -rs=RsCs
должна быть много больше
16

периода основной гармоники выпря мленного напряжения:
Н агрузочный резистор Rн включен в эмиттер­
R5С5))Тосн·
ную цепь, что позволяет получить низкое выходное сопротивле­
ние выпрям ителя с ф ильтром . Следовательно, электронные
ф ильтры м ало чувствительны к изменениям тока fн, темпер ату­
ры и _1, В

400
1 00
1 00
200

Б. В ы п о л н я е т с я в л а б о р а т о р и и .
1 . Собр ать однополупериодны й или двухпол упериодный вы­
п р я м ители (табл . 1 . 1 ) , снять и п остроить внешнюю характери­
стику выпрямителя Ин.ср = f (/и.ер ) . Начертить осциллогр а м м у
напряжения на нагрузочном резисторе .
Измерить переменную составляющую напряжения н а нагру­
зочном резистор е и определить коэфф ициент пульсаци й .
2 . Подсоединить к выпрямителю ем костный фильтр, повто­
р ить все измерения и р асчеты п . 1 , п остроить внешнюю х а р а к­
тер истику.
3. За менить в исследуемых И ВЭ емкостный ф ильтр R С­
ф ильтром (см . рис. 1 .7, 6) , повтор ить все измерения и р а счеты
п. 1 , рассчитать коэффициент сгл аживания R С-фильтра и по­
строить внешнюю характер истику.
4 * . Подсоединить к выпрямителю транзистор ный фильтр (см .
р ис. 1 .9 ) и повтор ить все измерения и р асчеты п . 3 .
5* . К И ВЭ с выпрямителем и ф ильтром подсоединить ком пен­
сационный ста билизатор с ОУ ( с м . рис. 1 . 1 1 ) , снять вне ш нюю
характер истику п р и И2= const и Ивых= f (/н) , определить гра­
ницы ста бил изации и р ассчитать коэфф ициент ста билизации по
формул е ( 1 .8 а ) .
6 . Собр ать упр а вляемый выпр я м итель ( см . рис. 1 . 1 5, а ) ,
сн ять регулир овочную характер истику Ин= f (а) , начертить
осциллогр а м м ы для а =О и 90° и измер ить для этих з начений а
нагрузочный ток.
П р и м е ч а н и е . Пункты зада ния, обозначаемые з вездочкой
( * ) , в ы пол няются ф а культативно .
Методические указания по выполнению л абораторной работы

1 . С р еднее зн ачение вьтрямленного напряжен ия, р а вное
постоя нной составляющей , измеряют электрон н ы м вольтметр о м .
2 . Нап ряжение пульсаций определяют с помощью осцилло­
граф а .
3 . В у п р а вл яемом выпрямителе установлены тир исторы типа
КУ- 1 0 1 Б (/пр.доп = 75 мА, Иобр mах=50 В, Рк max = 1 50 м Вт.
24

/упр = 1 5 м кА ) . На исп ытательной п а нели схема и мпульсно-ф азо­

вого блока уп р а вления изобр ажена не в полном о бъ е м е. На
па нели изобр ажены элементы мостового ф азовращателя : кон­
денсатор С и переменный резистор R, с помощью которого изме­
няется угол сдвига фаз выходного напряжения моста по отно­
шению к его входному напряжению, а следо в ател ь но, время
пр ихода и м п ульсов на управляющие эл ектроды тиристоров, т . е .
угол упр а вления а . Остальная часть схемы ( с м . р и с . 1 . 1 5, а ) , в
котор ую входят диоды Д 1 , Д2, транзистор ы Т1 , Т2, а также дио­
ды дз-дв в м есте с дифференцирующими ц е п оч к а м и R1 C1 , R 2 C2,
о бозначена И Ф Б .
В ком пенсационном ста билизаторе постоянного напряжения
использов а н ы транзистор :КТ80 1 А типа п-р-п, ОУ 1 40УД8 и
ста билитрон КС2 1 2Ж . :Коэфф ициент обратной связи � регули­
р уют переменным резистором R2, ручка котор ого находится на
внутрен ней стор оне испытательной панел и .

Контрол ьные

вопросы

1 . Начертите осциллогр аммы н а п р яжения на н а гр узочном резисторе одно­
двухполупер иодного выпрям ителей.
2. Какие приборы необходимо в ключить для снятия в нешней х а р а ктер и­
стики выпрям ительного устройств а ?
3. Прибором какой системы измер яют постоянную составляющую тока
и напр яжения?
4. В каком из выпрямителей постоянная составляющая тока ! н в н а­
грузочном .р езисторе больше?
5. В каком из выпрямителей посто янная составляющая напр яжения Ин
на на гр узочном резисторе меньше?
6. Какие п а р аметры диодов огр аничивают м ощность нагрузочного уст­
ройств а ?
7. К а к измерить напр яжение пульсаций?
8. Как изменится напр яжение н а н а гр узочном резисторе выпрямителя,
если пар аллельно R н включить конденсатор СФ достаточно большой ем­
кости?
9. Как изменятся пульсации н а пр я жения в нагрузочном устройстве, если
увеличить емкость СФ фильтра?
1 0. Как изменится максим альное обр атное напряжение, п риложенное к
запертому диоду, при в ключении конденсатора пар аллельно н агрузочному
резистор у ?
1 1 . Как изменится постоянное напряжение н а нагр узочном р езисторе Rн,
е сли увеличить сопротивление ,рези с тора RФ RС- фильт р а ?
1 2. К а к и м должно быть оптимальное соотношение емкос � ного сопротив ­
ения
С- фи льтр а и сопротивления на грузочного устройства Rн ?
л
1 3. Ка ков ы преимуществ а и недостатки RС-фильтра по срав нению с
тра нзисторным ф ильтром?
и

25

1 4. Как изменится коэффициент сглаживания Г-образного ф ильтра при
фил ьтр о в ( коэффициент сглажива­
ния каждого из них q 1 и qz) ?
1 5. Как изменится коэффициент стабилизации Кст и компенсацион ного
ста билизатора , если уменьшить коэффициент усиления усилителя, собран­
последовательном соед и н е н и и двух таких

ного на О У ?

1 6 . Как изменится напр яжение н а выходе стабилизатора п р и уменьше­
нии опор ного напр яжения в компенсационном ста билизаторе?
1 7. Как изменится выпрямленное н а пряжение управляемого в ыпрями·
теля п р и изменении угла упр авления а от О до тс/2?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА Nt

2

И сследован ие простейших транз исто р н ых ус илителей

Ц е л ь р а б о т ы . Изучение пр инципа р а боты и исследование
характеристик простейших усил ителей н а биполярных, полевых
и сост авных транзисторах, вкл юченных по схемам ОЭ, ОК
(ОИ, О С ) .
Краткие те оретические сведения

В современной технике при решении м ногих инженер ных
задач возникает необходимость в усилении сл а бых электр иче­
ских сигн а л ов , что осуществляется электронн ы м и усилител я м и .
Э л е к т р о н н ы м у с и л и т е л е м назы вают устройство, пред­
назначенное для усиления напряжения, тока и мощности элект­
рических сигналов .
В н астоящее время в электронных усилителях используются
биполярные и полевые транзисто ры. Исследуемые в да нной ра­
боте электронные транзисторные усилители являются основны­
ми вида м и усил ителей как н а дискретных элементах, так и в
интегр альных м и кросхемах.
Ус и л и т ели н а биполя р н ых тра нзисторах. Одним из н а иболее
р аспростр аненных усил ителей на биполярных транзисторах
является усил итель с о б щ и м э м и т т е р о м ( ОЭ ) . В этом уси­
лителе (рис. 2 . 1 , а ) э миттер является о бщим электродом для
входной и выходной цепей . Входное напряжение Ивх от источни­
ка усил иваемого сигнала подается на усил ительный каскад че­
рез конденсатор связи Сс 1 .
Усиленное выходное напряжение может· быть снято как с
р езистор а Rк, так и с транзистор а, поскольку переменные со­
ставляющие этих напряжений равны ( но противоф азны ) . Одна­
ко н а практике выходное напряжение удо бнее сним ать с тран­
зистора , так как в усилителях ОЭ эмиттер заземляется и выход­
н ое напряжение сни м а ется м ежду заземленной точкой корпуса
.L (землей ) и коллектор ом транзистор а . В этом случ ае вход
и выход усил ител я имеют общую точку .L . Если выходное на·

26

п р яжение сним ать с резистор а Rк, то о бщей точки между входом
и выходом усил ителя не будет, что вызывает большие неудобст­
ва, поскольку анализ р а боты и измерения в усилителях и дру­
гих электр онных устройств ведут относительно «земли».
Анализ р а боты усилителя О Э удобно п роводить с помощью
вольт- амперных характеристик транзистора ( р ис. 2.2) : входной
характеристики I в = f ( И в ) {на рис. 2.? она повернута на
А

--------о + Ек
Rк

к �.1

"�х ) �Rн

3

-0-----1----0- _J

о)

а]

Рис. 2. 1 . Схема усилительного каскад а с общим эмиттером ( а ) ,
упрощен н а я схема

(6)

угол 90°) и семейства выходных характеристик lк = f ( Ик ) при
р азных токах баз ы . Для коллекторной цепи усилителя ( р ис.
2 . 1 , 6) в соответствии со вторы м законом Кирхгоф а можно
записать Ик = Ек-Rкlк . Графическое решение этого уравнения
показано на рис. 2 . 2 .
П р я м ая MN, называемая л и н и е й н а г р у з к и, построена
по двум точкам, соответствующим режиму холостого хода и ко­
р откого замыкания ( координаты точки N : /к ;= О, Ик = Ек ; коор­
дин аты точки N : Ик = О, lк = Ек/Rк ) . Точки пересечения линии
нагрузки с выходны м и характер истиками транзистора определя­
ют ток Iк и напряжение н а транзисторе Ик при любом заданном
значении тока базы I в .
Сопротивление резистор а Rк вы бирают исходя из требуемо­
го усиления входных сигн алов. Но при этом н адо иметь в виду,
чтобы линия нагрузки п роходил а л евее и н иже допустимых
з начений Ик max, Iк max и Р к max и о беспечивался достаточно
протяженный л инейный участок переходной характеристики .
С целью выполнения этих требований сопротивление R к должно
составлять 0,2-5 кОм для транзисторов малой мощности и
,..._. 1 00 Ом для транзисторов средней мощности.
Переходная, ил и передаточная, характер истика усил ителя
lк = f (! в ) построен а по точкам пересечения л инии н агрузки с
выходны м и хар актер истиками транзистор а . И з рис. 2.2 видно,
что передаточная характеристю 1 00 МОм .
5 . В ы х о д н о е с о п р о т и в л е н и е R вых· Это сопротивле­
ние, измеренное со стороны нагрузочного устройства, п р ед55

ставляет собой выходное сопротивление выходных каскадов
ОУ, построенных на эм иттерных повторителях. З н ачения Rвых =
= 20-:- 2000 О м .
Усиление сигналов р азличных частот определяется ампли­
тудно-частотной хар а ктеристикой ОУ (рис. 4.3, а) , а усиление
импульсных (обычно прямоугсльных) сигналов скоростью н а ­
р астания выходного напряжения (рис. 4.3, 6) .
В соответствии с этим вводят динамические п а р а метры ОУ:
1 ) ч а с т о т у с р е з а fе р , значению которой соответствует
снижение модуля коэфф ициента усиления ОУ в V 2 р аза
(3 дБ ) ;
2 ) ч а с т о т у е д и н и ч н о г о у с и л е н и я f т, п р и которой
модуль коэффициента усиления ОУ уменьшается до един ицы
(для современных ОУ f т= 1 5-:- 20 МГц) ;
3) м а к с и м а л ь н у ю с к о р о с т ь н а р а с т а н и я в ы ­
х о д н о г о н а п р я ж е н и я vu в ы х , определяющую н а и большую
скорость изменения выходного напряжения ОУ (рис. 4.3, 6)
п р и воздействии прямоугольного входного импульса ; скор ость
н а р а стания определяется как отношение Л Ивых к Л t (для совVu
= 0 , 1 -+- 1 00 В/мкс) ;
ременных ОУ
вых
4 ) в р е м я у с т а н о в л е н и я tуст, определяющее изменение выходного напряжения ОУ от уровня 0, 1 ( р ис. 4.3, 6) до
уровня 0,9 от установившегося выходного напряжения при воз­
действи и на вход прямоугольного и мпульса (для ОУ широкого
применения tуст = О,05 -:- 2 мкс) .
Одним из важных достоинств ОУ является подавление син­
ф азных сигналов . Поэтому ОУ характер изуется к о э ф ф и ц и е н Т О м о с л а б л е н и я с и н ф а з н ы х с иг н а л о в Кос.сф =
= 20 l g ( КсФIКи ) (для ОУ общего назначения Кас.сф = 70-:- 1 20 дБ ) .
Выпускаемые в настоящее время интегр альные ОУ кл асси­
ф ицируют по следующим группа м :
ОУ общего назначения, составляющие н а и более м ногочис­
ленную группу универсальных ОУ;
прецизионные ОУ, позволяющие поддерживать с высокой.
точностью бо льшой коэфф ициент усиления Ku; они и м еют вы ­
сокое входное сопротивление и м алое напряжение смещения
(Исм�О,5 м В ) ; типичным прецизионны м ОУ является инте­
гральная микросхе м а 1 53УД5 ;
быстр.одействующие ОУ, хар а ктер изующиеся повышенной
скоростью нар астания выходного напряжения И малым време­
нем уста новления ; они имеют частоту единичного усиления 1 520 М Гц ( н апример , ОУ 1 40УД 1 0 и КР544УД2 ) ;
м икромощные ОУ, потребляющие н а именьшую энергию от
источника питания (напр имер, ОУ 1 40УД 1 2, Iпстр�О, 1 8 мА пр и
И и.п = + б В ) .
Н а и более широко используются ИМС сер ий 1 40 и 1 53 .
56

Операционные усил ител и рассчитаны н а применение симме­
тричных р азнополярных источ ников питания напряжением от
+ 5 д о ± 2 7 В . В настоящее время чаще всего используют нап­
ряжения + 5 и ± 15 В с допускаем ым отклонением ± ( 5-:-- 1 0 ) % .
Применение подо бных источников питания уп рощает з адачу
компенсации смещения нуля ОУ и предотвращает появление
ненужной постоян ной составляющей тока в нагрузочном уст­
ройстве.
Рис. 4.4. Схема заме­
щения ОУ.
Рис. 4.5. Схема ин­
вертирующего усили­
т еля (а) и инверти­
р ующег о усилителя с
«вырав нивающим:. ре­
зист ором ( 6)

Нос

"

- -'

а)

Ro c

Usьixt

_у_

tи вх

Ri

f Uбых

_у_

_у_

о)

Для а н ализа р а боты ОУ часто пользуются схемой з а м еще­
ния, изобр аженной на р ис. 4.4. Входная часть схемы з а м еще­
ния определяется входным дифференциальны м сопротивлением
Rвх.д, а выходная часть содержит источник ЭДС Ku (f ) Uвx и рези­
стивный элемент с сопротивлением Rвых·
Для удобства р асчетов устройств с ОУ вводят понятие иде­
ального ОУ, у которого :
коэфф ициент усиления стрем ится к бесконечности в беско­
нечно широкой полосе частот ;
входное Дифференциальное сопротивление Rв х.д стрем ится
к бесконеч ности ;
выходное сопротивление :R вых стремится к нул ю ;
выходное напряжение р а в н о нулю при нулевом входно м н а­
пряжении.
П рименение опера ционн ых усилителей . П р и испо.11ьзовании
О У в качестве инвертирующего усилителя (рис. 4.5, а) выход­
ное напряжение сдвинуто по отношению к в ходному на 1 80°.
Входное напряжение Овх подается на инвертирующий вход че­
рез р езистор R 1 . С помощью резистор а Roc осуществляется
57

отр ицательная параллельная обратная связь по н апряжению .
Неинвертирующий вход усил ителя п р и этом заземлен. В соот­
в етстви и с перв ы м з а коном Кирхгоф а для узла а уравнение
для токов записывается в виде

(4 . 1 )

Анализ рассматр иваемой �хемы включения ОУ значительно
упрощается при допущении, что ОУ идеален. Тогда при любом
з н ачении Rн=t= O и конечном значении выходного н апряжения
(оно не мож е т быть больше напряжения питания ОУ) входное
напряжение будет р авно нулю . В этом случае инвертирующий
и неинвертирующий входы при Овх = О как бы замкн уты н а ко­
р отко . Это так называемое виртуальное з а мыкание. В отличие
от обычного короткого за мыкания при виртуальном з а м ыкании
ток между входами ОУ отсутствует, т . е . loy= O и lвх = l ос ­
Тогда Овх = R 1 lвх И Овых = -Rос l ос.
Коэфф ициент усиления инвертирующего усилителя
Uвых
к
(4 .2)
. -U oc - - -Ивх
Знак «-» в выражении (4.2) означает, что в инвертирую­
щем усилителе входное и выходное напряжения н аходятся в
противоф азе.
Нетрудно убедиться, что входное сопротивление инвертиру­
ющего усил ителя
_

_

-·

(4.3)

Rвx .oc ;::;;:, R1 .
Выходное сопротивление
Rвы х.ос :=:::::

Rвы х ( 1

+

Roc lR1 )

Ku

(4. 3а )

П р и Ku-+ oo значение Rвых. ос будет стремиться к нулю. Дл я
устр а нения р азличия сопротивлений во входных цепях по ин­
вертирующему и неинвертирующему входам ОУ, вызванного
подключением к инвертирующему входу резисторов R 1, Roc, в
цепь неинвертирующего входа включают рези с тор R2 =
= R 1 Roc/ (R 1 + Roc) ( р ис. 4 . 5, 6) .
Есл и входной сигнал подать н а неинвертирующий вход ОУ,
а на инвертирующий вход с помощью цепи обр атной связи R 1,
R oc подать ч асть выходного напряжения, т. е : осуществить пос­
ледовательную отрицательную обр атную связь по н апряжению,
то получится неинвертирующий усилитель ( рис. 4.6, а ) . При
таком виде обратной связ и в соответствии со вторы м законом
Кирхгоф а для входной цеп и ур авнение запишется так:
.

.

.

Ивх = Ио + Иных
58

�

R i + Roc

·

(4 4 )
·

Вследствие «виртуального замыкания»
неинвертирующего входов 00 = 0 и тогда

(Jвх = U в ых

инвертирующего

Ri

и

(4. 5 }

R1 + Roc

.Коэфф ициент усиления неинвертирующего усилителя
Ku � c = 1 + RocfR1 .

(4.6)

Входное сопротивление этог о усил ителя
Rt Ku
Rвх .ос = Rвх .д ( 1 + �Кu) -;::;:, Rвх .д
,
R1 + Rос
где � = R 1 / (R 1 + Roc) - коэфф ициент обр атной связи .

Иох�
l

и6ых

ц6х

(4. 7)

7 ----4
o-f l-['4

1�

Rz

•

а)
Рис. 4.6. Схемы неинвертирующеrо усилителя (а) и низко­
неинвертирующеrо усилителя ( б)

частотного

Пр и Ku-+oo входное сопротивление стре мится к бесконеч­
ност и .
Из фор м улы (4.7) в идно, что входное сопротивление неин­
вертирующего усилителя довольно большое. Отметим, что зна­
чение Rвх. о с у неинвертирующего усилителя значительно боль­
ше, чем у инвертирующего.
Выходное сопротивление неинвертирующ е го усилителя
Rв ы х .ос = Rв ы хЮ + �К u) .

(4 . 8)

П ри Кr.г+оо выходное сопротивление стрем ится к нул ю .
Учитывая, ч т о у неинвертирующего усил ителя сопротивлец ие R вх . о с очень большое, а Rв ых. о с м ало, такой усилитель при­
;Меняют ч а сто как согла сующий элемент п р и р а боте с высоко­
омным источником сигнала и н изкоо м н ы м н а грузочным устрой­
ство м .
О бычно д л я усил ителей большое входное сопротивление не
нужно, т а к как при этом они оказал ись бы весьм а чувствитель- .
ным и к изменениям входного тока флуктуационного происхож­
дения. Поэтому во входную цепь усил итеJJя включают резистор
R2 � Rвх.д, который и должен определять входное сопротивление
неинвертирующего усилителя. З н ачение сопротивления R2 вы би­
рают в предел ах 0,5- 1 МО м .
Н а рис. 4.6, 6 изображена схема низкочастотного неинвер­
тир ующего усилителя, в котором введена р а здельная обратная
59

связ ь по переменной и постоя нной составляющи м . Для полезно­
го ( усиливае мого ) сигнала . коэфф ициент обр атной связ и � =
= 1R 1 / (R 1 + 1R oc), так как емкость конденсатор а С2 выбирают
т а кой, чтобы можно было пренебречь его сопротивлением в ч ас­
тотном диапазоне усил иваемых н а п ряжений (Х с. (( R1 н а са­
м ой нижней ч а стоте ч а стотного диапазон а ) . Для постоянной
составля ющей, определяемой напряжением Исм, бл агодаря тому,
что Хс2= 00 , действует 1 00 % -ная отр ицательная обратная связь
'( Киос = I ) . Если н е предусмотреть подавления н а пряжения смещения Исм, то тр анзисторы ОУ могут войти в режим насыщения,
что вызовет нелинейщ,1е иска­
жения
в р а боте усилителя и
R,
и,
снижение коэфф ициента уси­
ления .
· у�транение Исм в усилите­
лях на ОУ произ водится чаще
подкл ючением потенциомет р а
R б а л к специальным вывод а м
1
ОУ.
Как отмечалось, н а основе
дву х О У - инв е р т ирующего и
Рис . 4.7. Схема сумм ато р а на
неинвертирующего - при
ис ­
ОУ
пользов а нии р а зличных цепей
о б р а тных связей строят разнообразные электронные устройства.
На основе инвертирующего усил ителя можно построить с у м м а ­
т о р ( р ис. 4 . 7 ) .
&л и по-прежнему считать ОУ идеальным, то п р и подаче н а
и н вертирующий вход О У через рез истор ы .R 1, R 2 , , R n входных
напряжений И 1 , И2, . . . , И п выходное напряжение в соответствии
с вы р ажением (4.2) будет р а в но сум ме входных напрщкений :

�

• • •

(4 . 9)

:- де Ro = R 1 ' = R 1 " = . . . = R n , Rо < ·R вх.д·
Есл и в инвертирующем усил ителе ( см. рис. 4.5 ) резистор
R.cc � а менить конденсатором Сос, то получится и н т е г р а т о р
( рис . 4 . 8, а ) . Действительно, Uвx = .R 1 iвx, а Ив ых = Uc. Так ка к
.

t вх

=

.
- to
c= -

с

ос

Сл едовательно,
U вы

d u B '1 X

dt

_
_
_

R1�oc s

•

ТО

U вх

п
; �1

=

- сос

duB N X

dt

_
_
_

·

(4. 10)

Uх

и di.
Пр и з амене резистор а R , конденсатором С 1 схема рис. 4 . 5
превр ащается в схему д и ф ф е р е н ц и а т о р а (рис. 4.9, а) .
х

=

т ак Ка к Uвx = Uc, а Uвы х = - R o c l. o c ,
60

ТО,

уч итывая,

Ч'I'О

.

lac =

С

1

dи

вх
м•

получим
Uв ы х ".=

-

Rос С1

-.dи вх ·

(4. 1 1 )

dt

Как известно из электротехники, в интегрирующих и диф­
фер енцирующих R С-цепях степень точности интегрирования и
дифф е ренцирования входного сигнала зависит от степени вы С ос

R

o--c::::i--..---

Rr

а)

С'

t> 00

5)

Рис. 4.8. Схема иитегр атора на ОУ ( а) , эквивалентная схема ( 6)

полнения неравенства Uвых�Ивх· Чем точнее R С-цепь произво­
или иную названную операцию, тем меньше должно
быть выходное напряжение. Нетрудно убедиться, что интегр а­
тор н а ОУ эквивалентен интегрирующей R С'-цепи (рис. 4.8, 6),
где C' = C K u, на Пряжение с выхода которой усил ивается ОУ в
Ku р а з .

дит ту

Рис. 4.9. Схема дифференциатора на О У (а) ,
ная схема (6)

эквивалент­

Т а кж� можно проанализировать р а боту дифференциатора
на ОУ, схе м а которого эквивалентна дифференцирующей R'С­
ц епи ( р ис. 4.9, 6) , где R' = R!K u, напряжение с выхода которо й
усил ивается ОУ в Ки р а з .
Интегр атор ы и дифференциаторы н а О У в настоящее время
полностью вытеснили соответствующие R С-цепи из импульсной
и вычислительной техн ики из-за более вы сокой точности .
Если ввести интегродифференцирующую обр атную связь в
ОУ, как показано н а рис. 4 . 1 0, а, то получится избир ательный
R C- y с и л и т е л ь . Такой усилитель на частоте квазирезонанса
61

fo = 1 / ( 2 nR 1 R 2 C 1 C2) имеет ма ксим альный коэфф ициент усиле­
ния (рис. 4 . 1 0, 6) , определяемый по формуле
(4. 12)
Koc max = R2C2/R1 н а пряжение определенных
питания
зн ачений и ф азы, нео бходимое для поддержа­
ния нез атухающих колебаний, поступает с вы­
хода усилителя н а его вход .
Вследствие нелинейности хар актеристик
усилительного элемента коэфф ициент усиле­
н ия при увел ичении входного н апряжения н а ­
чин ает уменьш аться, если а м пл итуда входно­
го н апряжения превысит н екоторое значение.
Рис. 5. 1 . Функцио­
нальная схема ав­
Если предположить, что н апряжение Uвх по­
тогенератора
дается от внешнего источника и цепь обр атной
связи не соединена со входом усилителя ( р а ­
зомкнута ) , то н а выходе усилителя появится н а пряжение К Овх,
а н а выходе цепи обр атной связи � н апряжение КОвх � Если
К� = 1 ,
(5 . 1 )
т . е.
К� = 1 ( условие бала нса а м плитуд )

'Р + Ф = 2л:п , n = O , 1 , 2 , . . . ( условие бала нса ф а з ) ,

(5 . 2)
( 5 . 2а)

то н а пряжени е на выходе цепи обр атной связи будет одинаково
по зн ачению с н а пряжением внеш него источника Uвх, совпадая
с н и м по ф азе. Если з а м кнуть цепь обр атной связи, то устройство
н ачнет р а ботать как автогенер атор . Поэтому выр ажение ( 5 . 1 )
является условием существования н ез атухающих (стацион арных)
колебаний в а втогенер аторе . П р и �< 1 /К н апряжение н а выходе
цепи обр атной связи слишком м ало, н апряжение на выходе
уменьш ается и коле бания исчез ают. П р и � > 1 /К н ап ряжение н а
выходе увел ичивается д о тех пор, пока нелинейность характери­
стики усил ителя не приведет к уменьшению К до зн ачения , пр и
котором выполняется условие ( 5 . 2 ) .
Если условие ( 5 . 1 ) выполняется для одной ч а стоты, то авто­
генер атор является генератором га рмон ических колебаний, есл и
для полосы частот, то в генераторе возникают несинусоидальные
колебания.
В зависи мости от используемого усил ительного элемента
(интегр альные микросхемы, транзисторы ил и электронные л а м ­
п ы ) различ ают полупроводниковые и л а м повые автогенераторы,
68

в зависи мости от применяемых п ассивных элементов (индуктив­
ные катушки и ко·нденсаторы или рез исторы и конденсатор ы ) ­
L C - и R С- а втогенерато ры. В некоторых случ аях ( бол ьшая выход­
н а я мощность, р а бота при · высоких темпер атур ах ил и уровня х
р адиации ) используют л а м повые автогенер аторы, но ч а ще авто­
генераторы строят на полупроводн иковых п р и борах ил и инте­
гральных микросхемах. Более ста бильные по ч а стоте L С- а втоге -

iк kl\
ддгfЬ �
о

Рис. 5.2. Принципиальная схе­
м а LС-автогенератора на би­
полярном транз исторе

т

а)

t

В)

Рис. 5.3. Гр афики, поясняющие
процесс установления коллектор­
ного тока тра нзистор а ( а ) , тока
в емкостном элементе (6) и вы­
ходного напряжения (в)

нер аторы служат для пол учения синусоидального н а пряжения
ч астотой от десятков килогерц до сотен м егагерц.
Для ч а стот 1 0- 50 кГц L С- а втогенер атор создать трудно, т а к
как добротность индуктивных кат у шек н а этих ч а стотах м ал а .
Поэтому для получения синусоидальных колебаний ч а стотой от
единиц герц до сотен килогерц используют R С.· а втогенер аторы.
Он и и меют меньшую ста бильность ч а стоты, но являются бол ее
просты м и и дешевы м и .
L C - а в т о г е н е р а т о р ы . В р а боте изуч ается а втогенер атор
на биполяр ном транзисторе, со бранный по ем костной трехточеч­
ной схем е ( р ис. 5 . 2 ) . Р езонансный усилитель (схема ОЭ) с . кон­
т у ром Lк С 1 С2 , ч астично включенн ы м в колл екторн у ю цепь т р а н ­
зистора с помощью конденсато р а С 1 , · охв ачен положительной об­
р атной связью . Н а пряжение о бр атной связи U с . подается в ба­
зовую цепь транз истор а с конденсатора С2 . Резисторы Rк, R 1 , Rz,
Rэ = R� + R; обеспечивают норм альный режим р а боты тран­
зистор а по постоянному току. За счет введен ия небол ьшой отри­
цательной обр атной связи, о бусловл енной н ал ич ием резисторов
69

R; , R� , и ее регул ировки (R� ) можно в некоторой степени ре­
гул иров ать а м пл итуду выходного н апряжени я . Конден.сатор С3
р азделительный.
П ри включении источника питания + Ек в коллекторной цеп и
транз истора появляется т о к i к ( р ис. 5 . 3 , а ) , а т а кже токи ic,, ic,
(рис. 5.3, 6) и ток iL в элементах контур а . Ток i c, . создает н а
з ажимах конденсатора С2 н а пряжение ис" ф а з а которого таков а,
что оно способствует возрастанию токов i к , i c ic" что еще
больше .увел ичив ает н апряжение ис: и т . д. ( положительная об­
р атная связь ) . П р и этом больше всего усил ивается составляющая
коллекторного тока с ч астотой
••

w0= l;VL кСэ.., где Сэ = С1С2/ ( С1 + с2),
н а которой коэфф ициент усиления м аксим ален . Возр астание
входного и выходного н апряжений сопровождается уменьшением
коэфф ициента усиления усил ительного каскада до тех пор, пока
не начнет выполняться условие ( 5. 1 ) . При этом в а втогенер аторе
устан авлив ается режим стацион арных колебаний, амплитуда и
ч астота которых остаются постоян н ы м и .
Н а р ис. 5 . 3 граф ически показан описанный процесс установ­
ления стационарных колебаний. Б л агодаря высокой до бротности
контур а L к С 1 С2 фор м а выхедного н апряжения синусоидальна,
его а мплитуда в установившемся режиме (рис. 5.3, в) определя­
ется ЭДС источника питания + Ек, коэфф ициентом обр атной
связи р, п а р а м етр а м и транз истора (h 1 1 , h2 1 , h22) и контур а ( L к ,
С1 , С;) и активн ы м сопротивлением катушки R'к. Регулировка
а м плитуды колебаний автогенер атор а производится изменением
н апряжения источника ЭДС + Ек или сопротивления резистора
R; . Частота колебаний определяется по формул е
Wo = ---;:==:=:=::=-1

( 5 . 3)

С1С2
'1 fL
V к С1 + С2
Регулировка ч астоты осуществляется изменением п а р а м етров
контур а L к С 1 С2 .
Коэффициент обр атной связи � - это отношение входного н а пряжения усил ителя U0x = Uв = Vc . к н апряжению н а выходе
автогенер атор а Uвых = Uк = Uс . :
.

и_с.

z i�·
;:::::: -С·

= - С2 = С 2 ef".
(5 . 4)
С1
-�с /с .
С1
Если учесть, что коэфф ициент усиления усилительного каска­
· да на резон а нсной ч а стоте = -:rt, то
сум м а ф азовых углов [см . условие (5.2а ) ] будет р а в н а нулю, т . е .
б а л а н с фаз будет выпол няться только д л я одной ч астоты .

�=
-

70

Uc .

R C - а в т о г е н е р а т о р ы. Рассмотри м R С-генер атор синусо­
идальных колебаний с мостом Вин а , схем а которого изображена
н а рис. 5.4. Если считать, что к входным з ажим а м ас моста Ви н а
п риложено напряжение Сас с частотой ffi = 2nf, то д л я н апряже­
н ия Uьс на выходных зажимах моста можно записать
.

.

Иьс'= Иас

*
Зw* - J ( l
w

2)

(5 . 5)

- w
"

где ffi. = ffi/l(J)o; ffio= 1 / ( CR ) .
Рис. 5.4. Схема моста Вина

ч-----

Рис. 5.5. Зависимость модуля
коэффициента передачи f1 (а) и
угла фазового сдвига (б) мос­
та Вина от частоты

f

1/1

2

л

f
с

с

6)

Н а основ ании формул ы ( 5.5) коэфф ициент передачи моста
Вина � UьcIOac = �e N, где

�=

w*
V. (3w*) 2 + ( 1 - ы;) 2

tg Ф = ( 1 - w;);Зw* .

(5 . 6)
(5 . 7 )

Н а р ис. 5.5 приведен а з а висимость модуля коэфф ициента пе­
редачи 1 � 1 и угл а ф азового сдвига 1jJ от ч а стоты. Н а ч а стоте
fо = 1/ (2n CR ) , н азыв аемой ч а стотой кв азирезон анса, коэфф ици­
ент передачи � имеет м а ксим альное з н ачен ие:
(5. 8)
�о= 1/3 ,
а ф азовый сдвиг 1jJ между входным и выходным напряжения м и
р а вен н ул ю . Можно показ ать, что эквив алентная добротность
моста В и н а Qэк = 1/з .
Для самовоз буждения усилителя с мостом Вина в цепи об­
ратной связи необходимо, чтобы усилитель обл адал достаточн ы м
коэфф ициентом усиления д л я компенсации потерь напряжения
в цепи обр атной связи ; кроме того, угол ф азового сдвига м ежду
выходным и входным н а пряжения м и усилителя должен быть р а 71

вен нулю. Эти м условиям удовлетворяет неин вертирующий уси­
л итель н а ОУ с мостом Вина в цепи положительной обр атной
связи. (ПОС ) (рис. 5.6) . Частота генер ируемых синусоидальных
колеба ний
(5 . 9)
/0 = 1 /(2л СR) .
Частоту колебаний можно изменять с помощью переменных
р езисторов.
Согл асно выр ажениям (5. 2 ) , ( 5 .8 ) , для обеспечения нор м аль­
ной р а боты автогенер атора коэфф ициент усиления должен иметь
зн ачение

(5 . 1 0)
г - - - - - --,
с
а1
1
1

:

1

R

/

\;1 1 ь �-__._�
1
11
11
1
1
1
L_

1
1
1

1
.J

1

_ _

[>

оО

'------.;.-i

-

-

Ц ель 00[
------ --

IR
1 4
1
+ Uи. п
L _ - -· -

- -

Рис. 5.6. Схема RС-автогене.ратора
усилителе

---

на

-

_

...,

1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
_ _ .J

операционном

Т а кой незначительный коэфф ициент усиления можно легко
реализов ать с помощью нелинейной цепи отрицательной обр ат­
ной связи (ООС) (Roc' > 2Roc", рис. 5.6 ) . Если предположить, что
сопротивление канала сток - исток полевого транзистор а r си =
= 0, то
(5 . lOa)
К = 1 + R�c/R�c > 3.
Т а ки м о бр азом, в случ ае rси = О при включении автогенер а­
тор а будут возрастать колебания с частотой f о = 1 / (2л СR ) , на
которой м акси м альн а положительная обратная связь (ПОС ) .
Это возрастание будет огр аничив аться только нелинейностью
выходной характер истики ОУ ( ум еньшением коэфф ициента уси­
ления при большом входном напряжении ) . Ввиду м алой до брот­
ности цепи ПОС фор м а выходного н апряжения получ ается не­
синусоидальной ( большое содержание высших г ар моник) . Для
72

улучшения фор м ы выходного н апряжения нео бходимо автом ати­
чески поддержив ать условие ( 5 . 1 0) н а линейном уч астке выход­
ной хар а ктеристики ОУ. С этой целью в водят цепь нел инейной
ООС, в которой полевой транз истор используется как эл емент с
перемен н ы м сопро1·ивлением .r си ( р ис . 5.6) . Сопротивл ение кана­
л а r с и · воз растает, есл и н а пряжение з атвор а Изи становится
более отр ицательн ы м . Начальным положением движка потенцио­
метр а регулируют зн ачения сопротивлений R'ac и R '' ac та ки м
обр азом, что бы K = l + R'acl (R"ac + rcи ) = 3 при некотором фик­
сированном зн ачении н а пряжения И з и < 0.
t>

00

le 1 �0 °

с

R

а)

�)

Рис. 5.7. Структурн а я схема трехкаскадного автогенератор а
(а) и каскад единичного усиления ( 6)

Выходное н апряжение генер атор а после выпря мления сгл а­
живается ф ильтром C2R2R3, в результате ч его получается ·посто­
ян ное отр ицательное упр авляющее н апряжение, пропорцион аль­
ное а м пл итуде колебаний. В момент включения генер атор а это
упр авляющее н апряжение р авно нулю, н апряжение на затворе
И.з и = И оп > О, сопротивление r с и мало и коэфф ициент усиления

К = 1 + R�c/(R�c + rc и ) > 3.
Колебания автогенер атор а нар астают до тех пор, пока вы­
пря мленное напряжение не превысит зн ачение Иап- П р и этом
н апряжение И3и = И0п
Ин < 0 , сопротивление r си возр астает,
пока не н ач нет выпол няться условие ( 5 .2 ) . Конденсатор С 1 р аз­
делител ь н ы й . Для повышения эффективности регул ировки в
цепь ООС вводят усилитель, что еще больше улучшает форму
выходного н а пряжения .
ОУ позволяют реал изов ать схем ы автогенер аторов с улуч­
шенной формой н а пряжения . Одн а из таких структур ных схем
представлена на рис. 5 .7, а . Он а содержит два усилителя с ко­
эффициент а м и усиления K 1 e i900 и K2e i 90 0 и инвертирующий кас­
кад с коэффициентом усиления K3e -i 180 0 • Т а ким образом, рез у ль­
цепи
тирующий
з а мкнутой
коэффициент
передачи
K 1 K2K3ei< 9 0•+ 90• - 1 вo· > = Kei 00• Если вы бр ать К1 = К2 = Кз = 1 ( кас­
кадьi единичного усиления ) , то такая схема будет явл яться а вто­
генератором, его выходное напряжение имеет частоту, на которой
-

,

73

в ыполняется баланс а м плитуд и фаз . Первый и второй усилители
можно реал изовать по схеме рис. 5.7, 6, в которой R 1 = R2 . Тогда

{j

вых

j{j

=

вх

1е

.

1

arc t g

2wCR
( wC R ) ' - 1

(5. 1 1 )

Н а р а бочей частоте wo = 1 / ( CR ) ф азовый сдвиг р авен 90°.
И нвертирующий каскад также имеет единичное усиление и цепь
R6

Рис. 5.8. Принципиальная схема трехкаскадного автогенератора

ООС для ста билизации выходного напряжения, как в схеме
рис. 5.6. Полная принципиальная схем а автогенератор а представ­
лена н а рис. 5.8. Здесь R 1 = R2 = Rз = R4. Резистором Rs можно
в неко�:орых предел ах регул ировать амплитуду выходного н апря­
жения . Коэфф ициент усиления инвертирующего каскада
_!!2_
= Ив ы х = Гси (Rs + Rб)
Кз

(5. 1�)

Rs (R1 + rc и)
Rs
Ивх
где г с и - сопротивление канала транзистор а Т, регул ируется
цепью ООС таким обр азом, что К1К2Кз = 1 .
Частота выходного напряжения определяется формулой ( 5.9)
и регулируется сдвоенным потенциометром R .

О писание лабораторно й па нели

С хем а испытательной панели л а бор аторного стенда приведе­
на на рис. 5.9. На биполярном транзисторе Т смонтиров ана цепь,
которая может быть использова н а как резон ансный усилитель
с контуром L к С 1 С2 , л и бо как L С - автогенер атор по емкостной
трехточечной схеме. Н а пряжение обр атной связи снимается с
конденсатор а С2. Регулировка напряжения питания транзистор а
производится с помощью потенциометр а Rп («Регул ировка
Ии.п») .
Исследование RС-автогенератора с мостом Вина производит­
ся на базе ОУ ДА 1 и собранных рядом элементов положительной
( конденсаторы С и резисторы R по схеме моста Вина ) и оrри·

74

цательной (выпрямитель и полевой транзистор Т1 ) обр атных
связей . Н апряжение питания ОУ ДА 1 (а т а кже ОУ ДА2-ДА 4)
можно изменять ручкой «Регул ировка Ии . и » .

Р и с . 5 . 9 . Схема испытательной панели лабораторного стен д а

Н а базе трехкаскадного усилителя (ОУ ДА 2-ДА 4) можно
со бр ать автогенер атор с ф азосдвигающим и R С-цепями, включен­
н ы м и в первый и второй каскады, и цепью регул ировки коэффи­
циента усиления в третьем каскаде .
Задание

А. В ы п о л н я е т с я п р и п о д г о т о в к е к р а б о т е.
1 . Н а чертить схемы автогенер аторов : L С-типа по схем е ем­
костной трехточки и R С-типа с мостом Вина.
2. Рассчитать резонансную частоту и сопротивление на этой
частоте ко н тура ,L к С1 С2 усил ителя (см. рис. 5.2 ) при Lк = З,2 м Гн,
С1 = 3,2 н Ф , С2 = 3,2 н Ф , Rк ' = 82 Ом.
3 . Р а ссчитать пределы изменения частоты колебаний а втоге­
нераторов по схе м а м рис. 5 .6 и 5.8 п р и С = 1 000 пФ, R = ( 1 0 4 -;­
-;- 2 . 1 06 ) о м .
Б . В ы п о л н я е т с я в л а б о р а т о р и и.
1 . Собр ать схему р езон ансного усилителя с контуром Lк С 1 С2 •
Определить добротность и резонансную ч а стоту f0 контур а, а так­
же коэфф ициент усиления н а этой частоте.
2. З а м кнув цепь обр атной связи, преобр азовать усилитель в
L С- а втогенер атор по емкостной трехточечной схеме. Определить
н апряжение Иг и частоту fг генерируемых колебаний. Зарисовать
75

форму выходного н а п ряжения, а также н апряжен ия в цепи базы.
С р авн ить величины fг и f О ·
3 . Из меняя н апряжение источника п итания, определ ить изме­
нение Иг и fr.
4 . Определ ить ч а стоту кваз ирезонанса f 0 , коэфф ициент пере­
д ачи �о и эквивалентную до бротность моста Вина (при м а кси­
м альном сопротивлени и резистор а R регул и ровки частоты ) .
5. Собр ать схему из бир ательного усилителя с мостом Вина
в цепи положительной о бр атной связи опер ационного усил ител я .
Коэффициент усиления регул иров ать цепью отрицательной о б ­
р атной связ и . Определить квазирезонансную ч а стоту усил ителя,
коэфф ициент усилен ия и эквивалентную добротность усилите.Ля
н а этой ч а стоте. С р авнить с результат а м и п . 4 .
6 . Регулировкой степени ООС перевести избир ательный уси­
л итель в режим генер ации . З а р исов ать форму выходного напря­
жения.
7 . Включить цепь ста билизации а м пл итуды генер ато р а . Регу­
лируя сопротивление сдвоенного рез истора, определ ить диапа­
зон изменения ч а стоты автогенер ато р а . З а р исовать форму вы­
ходного напряжения .
8 . Определить диап азон регул ировки н апряжения н а выходе
а втогенер атор а (с помощью резистора в цеп и з атво р а полевого
тр анз исто р а 1' 1 ) .
9 . Выясн ить з а висимость н апряжения и частоты колебаний
а втогенератора от н апряжения источ ника питания .
1 0 * . Включ ить трехкаскадный R С-генер атор с двумя ф азо­
сдвигающи м и цепя м и и выполнить п . 6, 7, 9 (этот пункт задания
выполняется ф а культативно ) .
Методические указания по выполнению л а б о раторн ой ра б оты

1 . Резон ансный усил итель с ч астичным включением контура
L к С 1 С2 собр ан н а биполярном транзисторе . И сследов ания сле­
дует производить при м а кси м альном зн ачении Ии.п · Ко входу
усил ителя н а п ряжение подают от звукового генератор а . К выхо­
ду усил ителя присоединяют осциллогр аф и вольтметр . Напря­
жение Uвых составляет лишь ч а сть на пряжения н а контуре Ок
(Ок = Uс1 + Ос, = Uв ы х + Ос,) .
Поддерживая неизменным входное напряжение усил ителя
( Овх = 20-;.- 50 м В ) , изменяют с помощью звукового генер атора
ч астоту входного н апряжения в предел ах 2-40 кГц и определя­
ют м а ксим ал ьное зн ачение выходного н а п ряжения Ивыхо- После
этого можно рассч итать коэффициент усиления Ко= Ивыхо/ Ивх­
Чтобы точнее определить резон ансную частоту f0 , нужно зафи к­
сировать две частоты f 1 и f2, на которых входное на пр яжение
имеет значение О,7 1 Ивыхо U i > fo > bl ; пр и этом fo = U i + bl /2.
Добротность контур а Q = fo/ (f1 - f2 ) .
76

2 . Чтобы преобразов ать резонансный усил итель в автогене­
р атор , достаточно подать н апряжение с з ажимов конденсатор а
С 2 н а вход усилителя. Ч а стоту колебаний а втогенер атор а можно
изм ерять тремя спосо б а м и : а ) с помощью калиброванной р аз­
вертки осциллограф а по гор изонтал и ( время/см ) определяют пе­
р иод колебания Тг и р а ссчитывают частоту fг = I /Тг ; б) с помо­
щью ф игур Л иссажу по экр ану осциллог р аф а . П р и этом н апря­
жение с выхода автогенер атор а подают, к а к о бычно, н а вход
ус илителя канал а вертикального
([
отклонения ( канал У) . На вход
канала горизонтального отклоне­
н ия ( ка н ал Х) подают нап ряже­
ние от звукового генер атор а . Ге­
нер атор р азвертки осциллогр аф а
необходимо отключ ить . И з м еняя
[
ч а стоту н а п ряжения звукового ге­
нер атор а, фиксируют ее зн ачение
при возникновении н а экр ане эл­
с
липса ( круга ) , что свидетельствует о р а венстве ч астот н а пряже- Рис. 5. 1 0. Схема для исследования
ний, п р иложенных к пл асти н а м моста Вина
вертикального и гор изонтально.г о
отклонений электронного луча осциллог р аф а ; в) с помощью элек­
тронного ч а стото мер а л ю бого типа, подключаемого к выходу
генер атор а . Пер вые два способа имеют огр аниченную точность
(особенно первый ) , но позволяют контролировать форму выход­
ного н а пряжения . Из мерения частотомером н а и более точ н ы .
Из мерение частоты колебаний автогенер атор а при изменении
Ек следует производить вторым и третьим способами, как более
точ н ы м и .
;
Что бы з а рисов ать с экр ана осциллогр афа форму н апряжения
в цепи базы и н а выходе автогенер атора, требуется (если осцил­
лограф использовал ся для измерения ч а стоты с помощью ф игур
Л иссажу) .включить генер атор развертки осциллографа и получ ить н а экр ане устойчивое изобр ажение.
3 . Для исследования моста Вина нужно собр ать схему рис.
5 . 1 О (С= 1 000 пФ , R= 2 · I OA О м ) . Н а пряжение звукового гене­
р атор а, подаваемое н а вход моста Вина, установить р а вн ы м
Uвх = 37 5 В и, поддерживая это значение постоянным, опреде­
л ить ч а стоту квазирезон анса моста f0 и коэфф ициент передачи
f3o = Ивыхо/Ивх, где Ивыхо - н а пряжение на выходе моста при ч а ­
с тоте fo ; И вх - н апряжение н а входе мост а .
4 . Д л я включения моста В и н а в цепь положительной обр ат­
ной связи усил ителя вход моста Вина необходимо соединить с
выходом усилителя , а выход моста Вина - с неинnертирующим
в ходом усил ителя ( с м . рис . 5.6 ) . Движок потенциометр а Roc
пр исоединяют к инвертирующему входу ОУ (цепь ООС ) , а зву­
ковой генер атор - к точке т этого потенциометра (см . р ис. 5.9) .
·

77

·

·

.
Вольтметр и осциллогр аф пр исоединяют к выходу ОУ. Из мерение
ч а стоты производят так, как было описано р а нее. Регул ировкой
положения движка потенциометр а R oc добиваются, что бы напря­
жение И вых = О (отсутствие генер ации ) .
5 . Чтобы перевести избир ательный усил итель в режиме гене­
р ации, точку т ( с м . р ис. 5.9) соединяют с общей точкой схем ы
( ..l ) и регул ируют R oc так, что бы И вых =F О (что означ ает преоб ­
л_адание в усилителе положительной О С ) . Обр атить вним ание н а
ф о р м у выходного н а пряжения.
6 . Для включения цепи ста бил изации ампл итуды выходного
н апряжения генер атор а точку т потенциометр а (см. рис. 5.9 )
соединяют со стоком полевого т р а нзистор а согл асно рИс. 5.6.
7. Трехкаскадньiй усил итель можно тр ансфор м ировать в ав­
тогенер атор з а м ыканием цепи ОС (выход ОУ ДА 4 и вход ОУ
ДА2 ) . При этом каскад ОУ ДА 4 м ожно охватить нерегул ируемой
( с помощью рез истор а R oc на рис. 5.9 ) л и бо регулируемой цепью
ОС (как на рис. 5 . 8 ) .
Контрольные вопросы

1 . Ка ково назначение резонансного усилителя в LС-автогенераторе?
2. Какова роль цепи обратной связи в автогенер аторе?
3. Каковы услов и я возникновения колебаний в автогенераторе?
4. Каковы услов ия существования незатухающих колебаний?
5. Что та кое баланс ам плитуд и баланс ф·а з?
6. Ка ков а р оль источника питания в автогенераторе?
7. В каких случаях используют R С-автогенер атор ы?
8. В каких случаях используют LС- автогенер атор ы?
9. Для чего служа т р езистор ы R1, R2, R э в генер аторе, схема которого
изобр ажена на р ис. 5.2?
1 0. Что произойдет, если в генераторе параллельно резистору Rэ вклю­
чить конденсато р ?
1 1 . Как изменится частота колебаний LС-автогенер атора (см. р и с . 5 . 2 ) ,
если емкости конденсаторов С1 и С2 уменьшить в четыр е р а з а ?
1 2. О ч е м св идетельствует отличие фор м ы изображения на э кр а не ос­
циллогр афа от эллипса ( круга) п р и измерении частоты автогенератор а с
помощью фигур Лиссажу?
1 3. Какое зн ачение имеет коэффliциент усиления усилителя в LС-авто­
rенераторе?
14. Почему изменяются ампл итуда и частота генерируемых колебаний
при изменении н а п ряжения питания автогенер атор а ?
1 5. Как изменится частота колебаний .RС-автогенер атора , если емкость
конденсаторов С (см. р ис. 5.6 и 5.8) уменьшить в четыре р а з а ?
1 6. Почему отличаются значения добротностей моста Вина и избиратель­
ного усилнтеля н а его основе (см. п . 4 и 5 задания) ?
1 7. Для чего необходима цепь ООС в RС-автогенераторе ( с м . р ис. 5.6) ?
1 8. Может ли н а п р я жение RС- автогенер атора (см. р ис. 5.6, 5. 8 ) превы­
шать напряжение источника питания?
78

19. ' Как влияет подключение измер ительных п р и боров на режим р а боты

·

( з начения Ивых и f ,) LC- и RС-автогенераторов ?

ЛАБО РАТО Р НАЯ РА Б ОТА

.№ 6

И 1,: следование им пул ь сн ых устро й ст в

Ц е л ь р а б о т ы . Изучение принцип а р а боты и исследов ание
х арактеристик ком пар атор а, мультивибратора ( в автогенер атор ­
ном и ждущем режи м ах) и генер атор а л и нейно изменяющегося
н апряжения ( ГЛ И Н ) .
Краткие теоретические сведения

В вы ч исл ительной технике, автом атике, промышленно й элек­
трони·ке широко применяются импульсные устройства. Н а и боль­
шее р а сп р остр анение н аходят ком п а р аторы, а также генер аторы
пря моугольных, п илоо бр азных, треугольных и других и м пульсов,
относящиеся к кл ассу рел аксацион ных генер аторов, в которых
и спользуются процессы з а рядки и р азрядки конденсатор а .

�---�

· -

Ug,.-(t)t

9
.J_

Иа п

'+'1 Ц6ых

j_

i

�:гг·
� ·:
U&,, x

1

и/ых ma�I-----..
о

а)

t

1

и -Sыk

l-----!+----3t�
--- - · - - -

max

-

л t3ад

5)
Рис. 6. 1 . Схема ( а ) и времен нь1е диагр а м м ы (б) ком п а рато­

р а: на ОУ

Ком п а р атор - устройство, предназначенное
сравнения измеряемого входного напряжения ( и вх ) с опор­
н ы м н а пряжением ( Иап = Е ап ) , которое должно быть строго по­
стоя·н ны м ( р ис. 6 . 1 , а ) . При р авенстве входного и опорного на ­
пряжений происходит скачкообр азное изм енение полярности вы ­
х одного нап ря ж ения ОУ, например с U +вых ша х н а и -в ы х m a x
( рис. 6 . 1 , б) . Перекл ючение происходи т с некоторой задержкой
�tз ад. Это одновходовый компар атор общего назначения. О н имеl(омпараторы .

дл я

79

ет огр ан иченное входное сопротивление и позволяет ср авнивать
большие по а м пл итуде входные сигналы, но не превышающие
допустимых зн ачений Ивх max .
Тр иггер Шмитта. Если в компар атор вводится положительная
о братная связь, то такое им пульсное устройство назыв ают триг­
гером Шм итта ( р ис. 6 .2, а ) . Благодаря тому что характеристика

{· Ll6ь1x

1_
Ив.,.

Uo m/

J6:ix

Uc
p

Uomn

max

Ur
-

Г'Uc Usx
p

о

Uв�1х mt:x

UВх

::

о)

6)

Рис. 6.2. Схема (а } и амплитудная характеристика ( 6) триггера
Шм итта на ОУ; временные диаграммы, поясняющие р а боту про­
стейшего формирователя импульсов ( в}

Ивых = f ( Ивх ) имеет гистерезисный характер (рис. 6 .2, 6) , пере­
кл ючение тр иггер а Шм итта в положение И-вых mах происходит
при достижени и входны м н апряжением Ивх н апряжения с р а б а­
а возвращение в положение
Ис р = � И+вых mа х,
тывания
И+вых mах -при снижении Ивх до н апряжения отпускания Иотn =
= - � И-вых mах, где � = R 1 / ( R 1 + R oc ) - коэфф ициент положитель­
ной обратной связи. Тр иггер Шм итта достаточно помехоустойчив.
Его помехоустойчивость определяется зн ачением н апряже­
ния гистерезиса Иг = И с р- Uотп = ( U4·вых max + И-вых max) � · Поло­
жительная обр атная связь уменьш ает также Лtзад, т. е. увел и­
чив ает скорость изменения полярности выходного напряжения .
В р ассматр иваемом триггере Иоп = О . Такой тр иггер является
основным устройством для создания импульсных генер аторов н а
О У . С его помощью можно получить простейш ий формирова­
тель прямоугольных импульсов из синусоидального на пряжения
(рис. 6 .2, в) . Подавая на вход синусоидальное н апряжение Ивх,
ампл итуда которого не превыш ает Ивх max, можно получить вы­
ходное н а пряжение прямоугольной формы, скачкообразно изме80

ня ющееся от И+вь1 х шах до И-вых шах и н аоборот. С помощью триг ­
гер а Шм итта бл агодаря регенер ативным процессам можно по­
лучить импульсы прямоугольной формы, имеющие крутые
ф ронты и срез ы . Промышленность выпускает специализирован­
ные интег р альные микросхемы, например компаратор ы 52 1 СА 1 .
52 1 СА2 и 52 1 С А5, у которых Лfзад составляет нескоJ:Iько десятков
н аносекунд.
Мул ьтиви б раторы. Для получения пр ямоугольных им.пульсов
широко применяют мультивибр атор ы . Мультивибр аторы в ыпу•

ибых
+

,

1

t

ft
и&и

u;ЬIX

1' U,;;"

и
тох
max

та:

Uiыx mox

t
tи
i------�

'

а)

Рис. 6.3. Схема ( а) и временнь1е диаграммы (6) мультивибра­
тор а н а ОУ,. ра ботающего в р ежиме автоколебаний

скаются в в иде интегр альных микросхем и ч а сто выполняются
н а опер ационных усилителях, в отдельных сJiуч аях - н а дис­
кретных элементах: тр анзистор ах, резистор ах и конденсатор ах.
Л ю бой мультивибр атор к а к рел а ксационный генер атор состо­
ит из усилителя и R С-цепей. Мультив ибр аторы могут р а ботать
в режиме а втоколебаний и в ждущем режиме.
В мультивибр аторе, р а ботающем в режиме автоколебаний, на
выходе непрерывно возн икают импульсы прямоугольной фор м ы .
У ждущего мультивибратор а прямоугольный импульс н а выходе
появляется только тогда, когда на вход подается запускающий
импульс. При Uвх = О н а выходе ждущего мультивибр атор а
Uвых = О.

Н а рис. 6.3, а представлена схема мультив и бр атор а н а опер а­
ционном усилителе, р а ботающего в режиме автоколебаний, т. е.
мультивибр атор генерирует импульсы прямоугольной формы.
Р а ссм атриваемый мультивибр атор явля ется симметр ичным.
т . е . дл ительности импульса
i и и п аузы t п р авны (р ис. 6 .3, 6) .
Основной частью его является тр иггер Шмитта, имеющий пере­
даточную хар актер истику, изобр аженную на рис. 6 . 2, 6. Из рис.
6.2, 6 следует, что н а выходе мультивибратор а н а пряжение мо­
жет быть р а вно И+в ых mах л и бо И-вых mах- П усть выходное н а пря­
жение мультивибр атор а р авно U+вых шах· Оно подается, с одной
сторон ы , на •R 2С-цепь, а с другой - на R 0с R 1 -цепь ( цепь положи­
тельной о бр атной связи ) . Как только н апряжение н а конденса 81

торе С дрстигнет з н ачения � И+вых mах, где � = R 1 ! (R1 + R ac) , вы­
ходное н апряжение мультивибр атор а скачком перейдет из поло­
ж ения . И+в ых m ax в положение И-вых m ax . С этого момента време­
ни конденсатор С перезаряЖается через резистор R2, а н апряже­
ние на конденсаторе стрем ится к И-в ы х max · Но когда н апряже­
ние н а нем станет равным � И-в ых m a x , выходное н апряжен ие
мультивибратор.il изменит знак и процессы н ачнут повторяться
в новь.
Частота следов ания им пульсов симметричного мультивибра­
тор а
д,
J = 1/Т 1 /(tи + fп) l/(2fи). (6. 1 )
=

=

1>

00

Е сли И+в ы х m a x = и-в ы х m a x .
fи = fп = т: ln ( 1 + 2 R1/R oc ) , а

то

1

(6.2 )
! = 2• ln ( 1 2
+ R1 ! Roc)
где т: = СR 2 .
Н а рис: 6.4 · изображена схе м а
н е с и м м е т р и ч н о г о м у л ь т и в и­
б р а т о р а , у которого fи =l= fn. Это
нер ав енство обеспечивается разны­
б.4.
Рис.
Схема несиммет·
ми постоянными времен и · t RС-це­
р нчноrо мультивибратора
пей мультивибр атора для fи и fп.
Из рис. 6.4 видно, что разные постоянные времени получ а ются
за счет включения двух пара ллельных цепей, состоящих из рези­
сторов и диодов ( R'д1 и R"д2 )·. В таком мультивибр ато р е ток
появляется в ветви R'д 1 , когда выходное н а пряжение им еет з н а­
чение U+вых mах. а в ветви R "Д 2 - когда в ыходное напряжение
равно и- вых m a x · С уЧ етом этого можно записать
fи= триггер а
Шм итта определяют по осциллогр а м м а м , как показано н а
рис. 6 . 2 , в. П р и этом Иг = Ис р + Иотп. Входное н апряжение долж­
но быть в предел ах 0,3-0,5 В .
3 . Приводя в отчете осциллогр а м м ы п о ося м а бсцисс и ор­
дин ат, необходимо указ ать м асшт а бы ( по оси а бсцисс - мкс/см.
по оси ординат - В/см ) . Усиление сигн ала осциллографом сл е­
дует вьt бир ать таким, что бы изображение занимало по вертикали
около 2/з экр а н а .
4 . Р асчет коэффициента использования ЭДС источника пита­
ния г л и н осуществляют по фор мул е КЕ = Ивых шах/Еи.п, где
Ивы х m a x изм е ряют с помощью осциллогр аф а .
Для уменьшения времени, п р и котором ключ (тр анз истор Т )
открыт, прямоугольные импульсы с генератор а низкой ч а стоты
( ГЗ-36А) предв ар ительно должны поступ ать на дифференцирую­
щую R С-цепь.
С выхода этой цепи сн имаются упр а вляющие и мпульсы Uу пр .
форма которых представлена н а р ис. 6 .8, в.
К оитJ! ер,

I

�------,-- {/J= O
ик
Рис. 9.7. В ыходные характеристи­
ки фотот,р анзистора

Рис. 9.8. Типичные вольт-ам перные
характеристики фоторезистора при
р азличных освещенностях

стве излучателя - спектрально согл асующиеся с ними светодио­
ды на основе фосф ида или арсенида-фосф ида галлия (GaP,
G a AsP) . Б ы стродействие фоторезисторных оптронов целиком
опр еделяется быстродействием фотоп р иемника, которое состав�
ляет единицы миллисекунд. Типичные вольт- а м перные хар акте­
ристики фоторезистора для р азличных световых потоков Ф изо­
бр ажены на рис. 9.8.
Ф о т о т и р и с т о р н ы й о п т р о н ( р ис. 9 .2, г). Вкл юч ает в
себя фототиристор - четыр ехсл ойный полупр оводниковыи при­
бор с тремя р-п-переходами, р а ботающий как ключ, упр авляе­
мый светом . П ринцип действия фототиристор а и его вольт- ам­
перные характеристики такие же, как у обычного тиристора,
только рол ь управляющего тока играет световой поток. Б ы стро­
действие ф ототир истор а определяется временем выключения, в
течение котор ого п р и бор пер еходит из открытого состояния
в з а кр ытое, оно составляет десятки микросекунд.
О сно вн ы е п араметр ы оптронов . В ходны м и п а р а метр а м и
оптронов являются: номинальный входной т о к в прямом н а п р ав­
лении ! вх.ном светодиода и падение напряжения н а нем в прямом
н а п р авлении Ивх при номин альном значении входного тока ;
входная ем кость Свх в заданном режиме; м а ксимально допусти­
мый входной ток fвх m a x ; м а ксимально допустимое обр атное
напряжение на входе Ивх.о бр m a x 1 09

Выходными пара м етр а м и оптронов являются : м а ксимально
допустимое обр атное н а пряжение Ив ых .об р ma x, п р икладыв а е мое
к выходу; м а ксим а льно допустимый выходной то к lв ых ma x ; вы­
ходна я емкость С вых ; световое Rсв и темновое Rт выходные со­
противления (дл я ф оторезистор ных оптронов ) .
И з передаточных пара метров основными являются коэфф и­
циент передачи тока К1 = (/вых/fвх ) 1 00, л и бо д ифференциальный
коэффициент передачи тока К1 д = ( dlвыx/dlвx) 1 00, выраженные
в процентах.
Быстродействие оптрона оценивают при подаче н а его вход
прямоугольного импульса по времени задержки tэд от момента
подачи и мпульса до момента достижения выходны м током
зн ачения 0, 1 lвых ma x, а также по времени н а р астания lна р выход­
ного тока от 0, 1 до 0,9 его м а ксимального значения . Сум м арное
время задержки и нар астания называют временем включения
tвкл- Б ы стродействие фотоприемника характеризуется его частот­
н ы м и свойства м и, т . е. такой частотой синусоидально м одулиро­
ванного светового потока, при которой чувствительность фотоприемника вследствие инерционности уменьшается в V 2р аз,,.
Значения основных параметров некоторых типов оптронов при­
ведены в т а бл . 9 . 1 .
П рим е н ен и е оптронов . В зависи мости от типа фотоприемни­
ка оптроны могут пр.и меняться в электронных устройствах для
переключения, преобразования, согласования, модуляции и т. д ­
Они могут использова·ться также в качестве м алога бар итных
импульсных трансф ор м аторов, реле для ком м утации напряже­
ний и токов, в автогенер аторах, цепях обр атной связи и т. д.
Следует подчеркнуть, что, несмотря на наличие р азвязки между
входом и выходом, полоса пропускания оптрона начинается с
нулевой частоты.
Оптроны с откр ытым. оптическим каналом служат в качест­
ве различных датчиков ( перемещения, «края объекта » и др . ) .
В устройствах передачи инфор мации часто применяют опто­
электронные интегр альные м и кросхемы, в которых в одном
корпусе объединены оптрон и интегр альная м и кр осхема . Фото­
приемник такой микр осхемы может быть изготовлен в том же
кристалле кремния, что и транзистор н а я м и кросхема, как одно
целое .
На рис. 9.9 изображена схема генератор а и мпульсо,в , в кото­
ром в качестве импульсного трансфор м атор а . в цепи положи­
тельной обр атной связи использован диодный оптрон. Генератор
ра ботает следующим образом . В момент подачи напряжения
питания в резистор е R 1 и в базе транзистор а появляется ток.
Если произведение коэфф ициентов передачи тока транзистора Т
и диодного оптр она ОД больше единицы, то благодаря положи­
тельной обр атной связи транзистор л а винообр азно переходит в
режим насыщения. Коллекторный ток транзистора ста новится
м а ксимальным, сопротивление фотодиода оптрона резко умень·

·

·

1 10

Т а б Jr

Тип оптрона

l(оэ ффнциеит п е :р еда чн
тока
Кр %

Время вклю ч е н и я , выключення
tвкл , выкп •
IМКС

Время
н араста НИЯ' СПада
f н ар. с п •
нс

.

АОД 1 20А ( бескорпусный)

1 ,0
1 ,0

ХОДОМ И

входом
R и эо л • Ом
•·

Фотодио.Дный :

AOД l O I A,

Сопротивление изоляции
м ежду вы-

Выходные сопротивления темновое, световое Rт!R с в • Ом

-

1 00
30

1--

АОТ 1 23А,
АОТ I 10Г (составной)
Фоторезистор иый:
ОЭП-2 ( излучатель - лампа накаливания) ,
ОЭП-7 ( излучатель - светодиод)

0,6
50

800

-

_.

:s:;; 5

-

5000 /500
(между базами
пр и
раз омкнутом эмиттере )

-

2000

-

;;; 50/ :s:;; 1 00

-

-

:s:;; 200

-

:s:;; 1 20

-

� 3 · 107 /500
;;a. I 06/ :s:;; 2 · 1 03

2
2

-

-

� 1 09
� 1 03

-

-

-

-

· -

-

1 5/ 1 00

-

-

Обла�тн применения

Изолированны й исtочник, гальваническая развязка, а налоговый элемент
Переключение логических сигналов, цифровые
уст,р ойства

-

Элементы автоматики
измерительной т�хникн, а налоговые преобр азователи

и
-

-

-

3

Фототиристорный:

АОУ 1 03А

ц а 9. 1

-

� 109
� 1 010

·

Фотоrра нзисторный :
АОТ 1 02Б (однопереходный двухбазовый) ,

Проходная е м кость
Спр• пФ

и

Коммутация
ТОКОВ

больших

шается, конденсатор начинает заряжаться . По мере его зарядки
ток базы уменьшается, а ток коллектора не изменяется, посколь­
ку транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения .
Когда ток заряд�и уменьшится до значе н ия, соответ.ствующего
гра нице на-сыщени.я , транзисrrор переходит ·в обычный усилитель­
ный реж и м . Благодар я положительной обр атной связи происхо­
дит резкий переход транзистора в режим отсечки и конденсатор
перезаряжается по цепи R 1 - C-R2, стремясь зарядиться до
напряжения источника питания . Как только потенциал базы

R,

В ыхоq

Рис. 9.9. Принципиальная
схем а оптронного генер ато­
ра импульсов

Рис. 9. 1 0. Схема
коммутатора
на
К249КН I А- Е

электронного
м икросхеме

поменяет знак, п роисходит лавинообразный переход транзистора
в режим насыщения и процесс снова повторяется .
П р и ведем пр иближенные фор мулы для р а счет а длительно­
стей импульса i и и паузы tп при R 1 -:P R2 [8] : i и ::::::: R2 C l п ( � К1 ) ;
fп ::::::: ( R 1 + 1R2 ) C Jпi[ l + {R2/�R3 ) ( � K1- l ) ], где � - коэфф ициент пе­
редачи тока транзистора, а К1 - коэффициент передачи тока
оптрона .
Н а рис. 9 . 1 0 приведена электрическая схема оптоэлектронной
м икросхемы типа К249 КН 1 А- Е . Микросхема предназначена для
коммутации ан алоговых сигналов, в частности сигналов от
измер ительных датчиков. Ф отодиоды оптронов О Д1 и ОД2 р а ­
ботают в фотогенер аторном режиме, а поскольку Э Д С одного
фотодиода недостает для н адежного отпир ания транзисторов
Т 1 и Т2, в упр авляющую цепь включены последовательно два
оптрон а . Оптроны в данном устройстве игр ают роль импульсного
трансформ атор а, однако п о сравнению с ним о бл адают таким
преимуществом, как возможность передачи сигналов постоян ­
ного тока при полном отсутствии помех с выхода н а вход. Кон­
структивно ф отодиоды оптронов изготовляют н а том же кр исталле, что и транзисторы , как единое целое.
·

1 12

Широкое применение при построени И логических устр· ойств
находят также оптронные и нтегральные схем ы (ОИС ) для согл а ­
еования интегральных микр осхем между собой и с дис­
кретны м и элементами. Так,
например, цифровая О И С
К249Л П 1 ( рис. 9. 1 1 ) пред­
ста вляет собой объединен ­
ные в одном корпусе диод­
н ы й оптрон и сложный ин­
вертор н а базе ИМС серии
1 55. Уп р а вление осуществля­
ется входным током свето­
диода опт·р она fвх, наличие
или отсутствие которого о бу­
словливает появление н а в ы ходе напряжения Ивых вы- Рис. 9. 1 1 . Схем а переключателя на мисокого
(логическа я « 1 » ) , кросхеме К249Л П 1
либо низкого (логический
«0» ) уровня. Высокое быстродействие устройства, п р а ктически идеальная развязка между
вход ом и выходом, а также наличие на выходе стандартного пе­
репада н а п ряжений позволяют при согл асовании обойтись без
дополнител ьных устройств.
О пис а ние л аб о раторной п анели

Схе м а испытательной панели л а бор аторного стенда изобра­
жена н а р ис. 9. 1 2. Н а п анел и размещены исследуемые оптрон ы :
резисторный, диодный, транзисторный, с составным транзисто­
ром. Электрические выводы светоизлучателей и фотоп рием н и ков
оптронов соединены с гнездам и н а л ицевой стороне панел и .
В левой верхней час'rи п анел и расположен согл асующий
усил итель с известным коэфф ициентом передачи (указан н а
панел и ) для подачи переменного сигн ала с генер атора низкой
частоты ( например, ГЗ-36А) н а вход исследуемого оптрона
( светодиода ) . В усилителе предусмотрена регулировка началь­
ного тока оптрон а . И ндикатором ра боты усилителя служит вы­
веденный н а панель светодиод, вкл юченный последовательно с
нагрузочным устройством ( оптроном ) . Ампл итуда тока свето­
диода оптрона устанавливается с помощью регул ятора выходного
напряжения генер атор а низкой частоты ( ГЗ-36А) с учетом коэф ­
ф ициента передачи согл асующего усил ителя . Начальный ток
светодиода оптрона можно контрол ировать с помощью вольт­
метра ил и осциллогр аф а путем измерения падения напряжения
н а резистор е R01 сопротивлением 10 Ом, вкл юченном последова­
тельно со светодиодом исследуемого оптрона .
В пр авой верхней части па нели смонтирована электрическая
цепь для иссл едования в ыходн ых хар а ктер истик оптронов. Цепь
5-9 1 8

1 13

состоит из нагрузочного переменного резистор а Rн и измери­
тельного резистора R 02 сопротивлением 1 О О м дл я исследоваuия
выходных сигналов оптронов, в том ч исле диодных оптронов
в различных режимах (фотопреоб р азовательном, фотогенера ­
торном ) , с помощью осциллограф а .

R,

�
�Iо

Рис. 9. 1 2. Схема испытательной панели лабораторного стенда

В н ижней части панели р асположены полусборки исследуе­
мых электронных устройст в : генератора импульсов с диодным
оптроном в цепи обратной связи, м одулятора н а основе опера ­
ционного усил ителя с упр а вляем ы м по оптическому каналу
сопротивлением в цепи обратной связи и транзисторного ключа
для ком м утации аналоговых сигн алов, управляемого диодными
оптрон а м и . Для сравнения частотных характеристик кл юча п р и
различных способах .управления предусмотрено тр ансф ор м атор ­
н ое упр а вление кл ючом . Для генератора им пульсов и модулято­
р а используются оптроны, установленные н а панел и .
В верхней ч асти панел и вы ведены гнезда источника постоян­
ного напряжения + 1 2,5 В .

Задание
А. В ы п о л н я е т с я п р и п о д г о т о в к е к р а б о т е.
1 . Изучить основные ха рактеристики оптронов.
2. Изобразить схемы включения исследуемых оптронов для
определения коэффициента передачи, быстродей ствия, а та кже
характеристик диодного оптрона в ф отогенер аторном р ежиме.
3 . Определить минимальный коэффициент передачи тока
тр анзистор а в схеме генер атор а импульсов при использовании
диодного оптрона АОД 1 0 1 А. Рассчитать длительность импульсов
и пер иод их повторения для схемы с транзистором КТЗ42Б . Ис1 14

ходны·е данные для р асчета выходных параметров оптронного
генератор а импульсов приведены в т а бл . 9 . 2 .
Т а б л и ц а 9.2

о

Н м е р б р иг а д ы
Элемент с х е м ы
1

С, п Ф
R i , кОм
R2 , к О м

41 700
11

430

1

2

4 700
33
680

1

3

61 800
11

680

1

4

1

5

6 800 1 0 000
11
33
430
430

1

6

10 ООО
33

680

1
.

7

1

6

20 000 20 ООО
33
11
430
680

'

Б. В ы п о л н я е т с я в л а б о р а т о р и и.

1 . Определить диапазон изменения сопротивления ф оторези­
стор а резисторного оптрон а .
2 . Определить коэфф ициенты передачи и быстродействие
оптро но в : диодного, транзистор ного и ·с ,с оставным транз И!с­
тор ом.
3 . Снять и построить а мплитудно-частотные характеристики
диодного и тр �нзисторного оптронов.
4 . Собр ать цепь для исследования диодного оптрона в ф ото­
генер аторном режиме. Определить ЭДС и ток короткого з а м ы­
кания ф отодиода для входных токов fвх = fпх. иом и fвх =
-троника.

- М.: В ысшая школа,
1 982.
3. Интегральные микросхемы: Справочни!(/Под ред. Б. В. Та ра б рина .
М. : Р адио и связь, 1 984.
4. Полупроводниковые приборы : диоды, тиристоры, оптоэлектронные при­
бор ы : Спр авочник/Под р ед. Н. Н. Гор ю нов а. - М.: Энергоиздат, 1 982.
5. Справочник по микроэлектронной импульсной технике. В. Н. Я ковлев ,
В. В. В оскресенск ий, С. И. Миро ш ничен к о и др. - Киев : Техника, 1 983.
6. Тра нзисторы для аппар атур ы широкого применения : Спр авочник/Под
ред. Б. Л . П ерель м а н а. - М.: Р а дио и связь, 1 98 1 .
7 . Ш ил о В. М . Функциональные а налоговые интегр альные микросхемы.­
М.: Р адио и связь, 1 982 ( Советско-венгерская библиотека по р адиоэлектро­
нике) .
8. Ч ур б а к ов А. В. Диодный оптрон в генераторах прямоугольных им­
пульсов. - В сб.: Полупроводников ая электроника в технике связи/Под ред.
И. Ф. Н и кол аевского. Вып. 2 1 . М.: Р адио и связь, 1 98 1 .
9. Гор б а чев Г. Н., Ч апл ы г ин Е. Е. Промышленная электроника.
М.:
Энергоатомиздат, 1 988.
-

-

-

О ГЛ А В Л Е Н И Е
Предисловие
. . . . . . . . . . . . . .
Общие методические рекомендации по выполнению лабор аторных р а бот
. . . . .
Техника безопасности J!РИ проведении л а бор аторных р а бот
Л а борат орная ра б от а NI 1 . Исследование источников вторичного электропитания
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . .
Л аборатор ная работа NI 2. Исследование простейших тра нзисторных
усилителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Л аб оратор ная ра бота NI 3. Исследование дифференциального усили теля и бестр ансформ аторного усилителя мощности . . . . . . . . .
Л аборат орная р а бот а NI 4. Исследование опер ационных усилителей
Л абораторная р а бота NI 5. Исследоващ1е автогенераторов синусо идальных колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Л а б ораторная ра бо та NI 6. Исследов ание импульсных устройств . .
Л а бора т ор ная р а б ота NI 7. Исследование логических элементов и уст. . . - . . . . . . . . . . . . . .
ройств
. . . . .
Л абораторная ра бота NI 8. Исследование регистров, счетч�ков и деш ифр аторов
.
.
Л абораторная ра бот а NI 9. Исследование оптоэлектронных приборов
и устройств
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Л а б ора т орная р а б ота NI 1 0. Исследов ание аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразов ателей
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Л а борат орная ра бота NI 1 1 . Исследование микропроцессора . . . . .
Приложения
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
П р и л о ж е н и е 1 . Описание универс ального л абораторного стенда
П р и л о ж е н и е 2. На бор команд м икропроцессор а КР580ИКВО
П р и л о ж е н и е 3. Параметры комплементарных транз исторов .
Список литер атуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

..

•

.

.

.

.

.

.

.

.

..

.

.

.

.

.

.

.

.

_.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

-

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

•

•

.

.

•

.

.

.

.

.

.

3
8

5

9

26'
42

52

67
79

88

98
1 04

1 17

1 26'
1 42

J. 42
1 43

1 73
1 74

У че бное изд ание

Князьков Олег Михайлович
Краснопольск и й Александр Евгеньевич
Культиасов Петр С ергеевич
П окровск ий Алексей Дмитриевич
Ч ернов Леонид Андреевич
Л АБОРАТО Р Н Ы Е РАБОТЫ
П О ОСНОВА М
П РОМЫШ Л Е Н НО А Э Л Е К ТРО Н И К И

Зав. редакцией В. И. Трефилов
Редактор Т. И. Артемова
Мл. редактор В. В. Пащенкова, Т. Ф. А р тюхина
Художественный редактор Т. М. Скворцова
Обложка художника А. И. Шавар д а
Технический редактор Е. И. Герасимов а
Корректор Г. И. Кос трикова
И Б № 8027

Изд. № Э Р -472. Сда н о в н а бор 04..1 1 .88. Подп. в печать 1 2 -06.89. Фор м а т 6 0 Х 881/".
Б у м . кн. -журн _ Гар нитура литературна я . П ечать офсетная. Объе м 1 0,78 усл. п еч. л .
1 1 ,03 усл. кр. -отт. 1 0,28 уч. -нзд. л . Ти р аж 30 000 экз. З ак. № 9 1 8. Цена 3 5 ко11.
Издательство •Высшая школа» . 1 0 1 430, Москва, ГСП-4, Негл нн н а я ул. , д. 29/ 1 4 .
Московская ти погра фи я № 8 Союз п олигр а фпром п ри Госуда рственном ком и ­
тете СССР по дел а м изда тельств, полиг р а фи и и книжной то рг овли. 1 0 1 898, Моск­
ва , Центр, Хохловскнй пер". 7.