С обратной связью по току нагрузки
| f, Гц | |||||||
| UBЫX, В | |||||||
| KUн(f) |
3) по данным таблицы 2.4 построить график АЧХ усилителя с ОС по току нагрузки.
2.5 Сводка основных формул (методики расчета).
Усилители, схема которых содержит два транзистора и более, соединенных таким образом, что изменение выходного тока (напряжения) одного транзистора полностью или частично приводит к изменению входного тока (напряжения) другого транзистора, называются многокаскадными (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Структурная схема многокаскадного усилителя
Многокаскадные усилители применяются в тех случаях, когда одиночные каскады не обеспечивает требуемое усиление сигнала. Для повышения коэффициента усиления по напряжению многокаскадный усилитель составляют из нескольких последовательно соединенных одиночных каскадов. Для соединения каскадов применяют RC-цепи, трансформаторы, резонансные контуры и резистивные (гальванические) связи.
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, так как выходное напряжение предыдущего каскада равно входному последующего.
.
Коэффициент усиления по напряжению одиночного каскада зависит от частоты усиливаемого сигнала. Объясняется это наличием в нем реактивных элементов – конденсаторов или (и) индуктивных катушек. В одиночном каскаде с разделительным конденсатором (рис. 2.7) напряжение на базе при усилении синусоидального сигнала равно
, 
, 
.
Рис. 2.7. Закрытый ёмкостный вход транзистора
То есть чем меньше частота, тем больше сопротивление конденсатора и падение напряжения на нём. Наблюдается снижение напряжения на базе транзистора и, соответственно, снижение коэффициента усиления. Аналогичное влияние оказывает выходной конденсатор.
С другой стороны, на высоких частотах коэффициент усиления зависит от, так называемых, «паразитных емкостей». К ним относятся емкости монтажа и p-n-переходов транзистора (рис. 2.8).
Рис. 2.8. Паразитные ёмкости транзисторного каскада
На очень высоких частотах даже при малых значениях величин емкостей Cбэ , Cбк , Cкэ , транзистор шунтируется этими емкостями и превращается для токов высокой частоты в одну проводящую точку
Из этого следует, что коэффициент усиления усилителя с RC-связью на частоте равной нулю, т.е. при постоянном токе, равен нулю, т.к. сопротивление разделительных конденсаторов бесконечно велико для постоянного тока и конденсаторы вообще не пропускают ток. При очень высоких частотах коэффициент усиления так же падает до нуля, т.к. сказывается шунтирующее влияние паразитных емкостей. Следовательно, максимальный коэффициент усиления усилителя с RC-связью будет где-то на средних частотах, а именно на квазирезонансной частоте w 0 , когда
, 
, 
, 
,
где tн и tв – постоянные времени усилительного каскада на низких и высоких частотах, с; Cн – разделительный конденсатор , Ф; Cв – учитывает выходную емкость транзистора Cкэ , емкость монтажа и входную емкость следующего каскада (нагрузки), Ф; Rвых – выходное сопротивление каскада, Ом; Rвх – входное сопротивление следующего каскада (нагрузки).
Если K0 - максимальное значение коэффициента усиления на квазирезонансной частоте, то коэффициент частотных искажений равен:
.
График зависимости коэффициента усиления от частоты получил название амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Его легко можно построить по экспериментальным данным (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Типичный вид АЧХ усилителя
По АЧХ можно определить максимальный коэффициент усиления K0, верхнюю fв и нижнюю fн граничные частоты, полосу пропускания Dfв = (fв - fн). Граничные частоты выбираются из условия, чтобы M = 
.
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя можно целенаправленно изменить введением обратной связи (ОС), т.е. подачей выходного сигнала или его части на вход усилителя. Различают положительную обратную связь (ПОС), когда выходной сигнал усиливает входной (сигналы совпадают по фазе), и отрицательную обратную связь (ООС), когда выходной сигнал ослабляет входной (сигналы в противофазе).
Если напряжение обратной связи подается последовательно входному напряжению, связь называется последовательной, если параллельно - параллельной. Обратная связь бывает по напряжению и току.
В схемах усилителей с ОС по напряжению (рис.2.10) напряжение ОС Uос пропорционально выходному напряжению.
Рис. 2.10. Последовательная обратная связь по напряжению
Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом передачи цепи обратной связи b, равный для схемы
.
В схемах усилителей с обратной связью по току (рис. 2.11) напряжение обратной связи пропорционально выходному току
,
где коэффициент передачи цепи обратной связи 
.
Рис. 2.11. Последовательная обратная связь по току
Так как Uвх = U1 ± Uос , то коэффициент обратной связи будет
,
или после деления числителя и знаменателя на Uвх
.
Знак "минус" в формуле соответствует положительной обратной связи, а знак "плюс" – отрицательной обратной связи. ПОС увеличивает коэффициент усиления, но ухудшает его стабильность и сужает полосу пропускания. Поэтому в усилителях положительная ОС применяется редко
ООС снижает коэффициент усиления, однако, применяется в усилителях очень часто. При ООС повышается стабильность коэффициента усиления, расширяется частотный диапазон, снижается уровень нелинейных искажений, повышается входное сопротивление усилителя и снижается (для связи по напряжению) выходное сопротивление.
Фотоэлектрические приборы
3.4.1 Ознакомиться с устройством стенда ЭС-6 для исследования различных фотоэлектрических приборов и фотоэлектрического реле.
3.4.2 Измерить и построить семейство вольт-амперных характеристик электронного (вакуумного) фотоэлемента СЦВ-3, руководствуясь принципиальной схемой, которая приведена на рисунке 3.1.
Рис. 3.1. Принципиальная электрическая схема (упрощенная)
для снятия ВАХ электронного фотоэлемента
Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:
1) на коммутационной панели стенда с мнемосхемой, изображенной на рисунке 3.2, переключатель S1 установить в верхнюю позицию, переключатель двухлампового источника света SA (рис. 3.1) установить в позицию "0", тумблер S2 выключить, ручку настройки регулируемого источника постоянного тока установить в начальное (нулевое) положение;
Рис. 3.2. Схема стенда для исследования фотоэлементов
2) при позиции "0" переключателя SA (лампы осветителя выключены) снять и построить ВАХ фотоэлемента СЦВ-З (напряжение изменять в пределах 0 – 250 В с шагом 20 В);
3) при позиции "1" переключателя SA (включена одна лампа осветителя) снять и построить ВАХ фотоэлемента СЦВ-З (напряжение изменять в пределах равных 0 – 250 В с шагом 20 В);
4) при позиции "2" переключателя SА (включены обе лампы осветителя) снять и построить ВАХ фотоэлемента СЦВ-З (напряжение изменять в пределах равных 0 – 250 В с шагом 20 В).
3.4.3 Измерить и построить семейство вольтамперных характеристик ионного (газоразрядного) фотоэлемента ЦГ-3, руководствуясь принципиальной схемой, которая приведена на рисунке 3.3.
Рис. 3.3. Принципиальная электрическая схема (упрощенная)
для снятия ВАХ ионного фотоэлемента
Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:
1) на коммутационной панели стенда с мнемосхемой, изображенной на рисунке 3.2, переключатель S1 установить в нижнюю позицию, переключатель двухлампового источника света SA (рис. 3.3) установить в позицию "0", тумблер S2 выключить, ручку настройки регулируемого источника постоянного тока установить в начальное (нулевое) положение;
2) при позиции "0" переключателя SА (лампы осветителя выключены) снять и построить ВАХ фотоэлемента ЦГ-3 (напряжение изменять в пределах 0 – 250 В с шагом 20 В);
3) при позиции "1" переключателя SA (включена одна лампа осветителя) снять и построить ВАХ фотоэлемента ЦГ-3 (напряжение изменять в пределах 0 – 250 В с шагом 20 В);
4) при позиции "2" переключателя SA (включены обе лампы осветителя) снять и построить ВАХ фотоэлемента ЦГ-3 (напряжение изменять в пределах 0 – 250 В с шагом 20 В).
3.4.4 Измерить и построить семейство вольт-амперных характеристик фоторезистора ФСК-Г1, руководствуясь принципиальной схемой, которая приведена на рисунке 3.4.
Рис. 3.4. Принципиальная электрическая схема (упрощенная)
для снятия ВАХ фоторезистора
Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:
1) на коммутационной панели стенда с мнемосхемой, изображенной на рисунке 3.2, переключатель S1 установить в среднюю позицию (фотоэлементы ЦГ-3 и СЦВ-3 отключены), переключатель двухлампового источника света SA (рис. 3.4) установить в позицию "0", тумблер S2 включить, ручку настройки регулируемого источника постоянного тока установить в начальное (нулевое) положение;
2) при позиции "0" переключателя SA (лампы осветителя выключены) снять и построить ВАХ фоторезистора (напряжение изменять в пределах 0 – 250 В с шагом 20 В);
3) при позиции "1" переключателя SA (включена одна лампа осветителя) снять и построить ВАХ фоторезистора (напряжение изменять в пределах 0 – 250 В с шагом 20 В);
4) при позиции "2" переключателя SA (включены обе лампы осветителя) снять и построить ВАХ фоторезистора (напряжение изменять в пределах 0 – 250 В с шагом 20 В);
3.4.5 Измерить и построить семейство вольт-амперных характеристик фотодиода ФД-1 в режиме фотопреобразователя, руководствуясь принципиальной схемой, которая приведена на рисунке 3.5.
Рис. 3.5. Принципиальная электрическая схема (упрощенная)
для снятия ВАХ фотодиода в режиме фотопреобразователя
Данный этап исследования выполняется в следующей последовательности:
1) на коммутационной панели стенда с мнемосхемой, изображенной на рисунке 3.6, переключатель S3 установить в верхнюю позицию "Фотопреобразователь", переключатель двухлампового источника света SA (рис. 3.5) установить в позицию "0", переключатель S резисторов нагрузки установить в начальное (нулевое) положение;
2) при позиции "0" переключателя SА (лампы осветителя не горят) снять и построить ВАХ фотодиода (напряжение ИПТ изменять в пределах равных 0-12 В с шагом 1 В);
Рис. 3.6. Мнемосхема стенда для исследования фотодиода
3) при позиции "1" переключателя SA (включена одна лампа осветителя) снять и построить ВАХ фотодиода при сопротивлении резистора нагрузки (переключатель S находится в одном из положений 1-8) (напряжение ИПТ изменять в пределах равных 0-12 В с шагом 1 В);
4) при позиции "2" переключателя SA (включены обе лампы осветителя) снять и построить ВАХ фотодиода при сопротивлении резистора нагрузки (переключатель S находится в одном из положений 1-8) (напряжение ИПТ изменять в пределах равных 0-12 В с шагом 1 В);;
5) при позиции "2" переключателя SA и нижней позиции тумблере S3 "Фотогенератор" снять и построить нагрузочную характеристику фотодиода в режиме фотогенератора – зависимость фототока от величины сопротивления нагрузки Rн (сопротивление резистора Rн изменять с помощью переключателя S в пределах равных 1-300 кОм);
6) по полученным данным определить фото-э.д.с. прибора Eф;
3.5 Сводка основных формул (методики расчета).
К фотоэлектрическим приборам относятся электронные, ионные и полупроводниковые фотоэлементы (ФЭ), у которых под воздействием светового потока образуются свободные электрические заряда – электроны и ионы (фотоэффект).
К числу основных характеристик фотоэлементов относятся:
1) интегральная чувствительность (ИЧ) – отношение фототока к вызывающему его световому потоку при номинальном анодном напряжении (у вакуумных фотоэлементов) или при короткозамкнутых выводах (у полупроводниковых фотоэлементов.). Для определения ИЧ используют, как правило, эталонные источники света (например, лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой температуры нити, обычно равным 2840 К). У вакуумных фотоэлементов (с сурьмяно-цезиевым катодом) ИЧ составляет около 150 мкА/лм, у селеновых – 600–700 мкА/лм, у германиевых – 3×104 мкА/лм.
2) спектральная чувствительность – величина, определяющая диапазон значений длин волн оптического излучения, в котором практически возможно использовать данный фотоэлемент. Так, у вакуумных фотоэлементов с сурьмяно-цезиевым катодом этот диапазон составляет 0,2–0,7 мкм, у кремниевых – 0,4–1,1 мкм, у германиевых – 0,5–2,0 мкм.
3) вольт-амперная характеристика – зависимость фототока от напряжения на фотоэлементе. При постоянном значении светового потока; позволяет определить оптимальный рабочий режим фотоэлемента. Например, у вакуумных фотоэлементов рабочий режим выбирается в области насыщения (область, в которой фототок практически не меняется с ростом напряжения).
4) К.п.д. или коэффициент преобразования солнечного излучения (для полупроводниковых фотоэлементов, используемых в качестве преобразователей энергии) – отношение электрической мощности, развиваемой фотоэлементом при номинальной нагрузке, к падающей световой мощности. У лучших образцов фотоэлементов к.п.д. достигает 15–18%.
Электронные ионные и вакуумные фотоэлементы содержат помещенные в стеклянную колбу анод и катод. Анод выполняется в виде проволочного кольца, а катод представляет собой тонкий слой проводника, например, окиси цезия, напыленного на внутреннюю поверхность стеклянного баллона.
Рис. 3.7. Внешний вид вакуумного ФЭ
Если на катод вакуумного или газоразрядного фотоэлемента подать световой поток Ф, то под действием квантов света вблизи катода образуется электронное облако (внешний фотоэффект). При отсутствии напряжения между анодом и катодом ток через фотоэлемент практически равен нулю. С увеличением анодного напряжения электрическое поле анода оказывает все большее влияние на электронное облако - все большее и большее число электронов устремляется на анод. Характеристики наиболее распространенных типов вакуумных и газоразрядных фотоэлементов приведены на рисунке 3.8.
Рис. 3.8. Характеристики вакуумных и газоразрядных ФЭ
У вакуумных ФЭ при увеличении анодного напряжения наступает ограничение тока. Это объясняется тем, что при значительных напряжениях между электродами все электроны, находящиеся в колбе, достигают анода. Если на катод подать больший световой поток, то ограничение тока произойдет на более высоком уровне.
При эксплуатации фотоэлементов важно знать диапазон световых волн, в пределах которого фототок максимален. Фотоэлементы с сурьмяно-цезиевыми катодами имеют максимальную чувствительность к синему свету, с кислородно-висмутно-цезиевыми катодами – к зеленому, с кислородно-цезиевыми – к синему свету и инфракрасным лучам.
ВАХ газонаполненных (ионных) ФЭ существенно нелинейны (см. рис. 3.8, а). При малых Uа анодный ток газонаполненного ФЭ меньше чем вакуумного – часть электронов после упругих столкновений с молекулами газа, находящегося в колбе, возвращается на катод.
По мере увеличения напряжения скорость движения электронов возрастает. Их энергия становится достаточной для того, чтобы при соударении с молекулами газа выбить из них три-пять вторичных электронов и образовать положительный ион. Это приводит к дополнительному увеличению фототока IФ, так как общее число подвижных носителей заряда в колбе возрастает.
В полупроводниковых фотоэлектрических приборах (фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах) используется явление внутреннего фотоэффекта.
Фоторезистор представляет собой прибор, изготовленный из полупроводника p-типа или n-типа.
Рис. 3.9. Внешний вид фоторезисторов
При отсутствии освещения ток через фоторезистор обеспечивается собственными и примесными дырками (p) и электронами (n). При освещении в полупроводнике образуется дополнительное число электронов и дырок. Это приводит к увеличению электропроводности полупроводникового материала. Величина тока фоторезистора не зависит от полярности приложенного напряжения, поэтому фоторезисторы могут использоваться при питании переменным током.
Наклон вольт-амперной характеристики (рис. 3.10,б) определяет темновое сопротивление Rт фоторезистора (Rт » ctg a).
Устройство, схема включения, вольтамперные характеристики и спектральная характеристика наиболее распространенных фоторезисторов приведены на рисунке 3.10.
а – устройство; б – схема включения;
в – семейство ВАХ; г – спектральная характеристика
Рис. 3.10. Характеристики фоторезистора
Фотодиод (рис. 3.11) – это полупроводниковый диод на p или n-область которого подается световой поток. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника питания (режим фотогенератора или вентильный режим) и с внешним источником (режим фотопреобразователя).
Рис. 3.11. Внешний вид типичных фотодиодов
Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения U, смещающий p-n-переход в обратном направлении, то в цепи нагрузки Rн будет протекать небольшой обратный ток Iоб, обусловленный перемещением неосновных носителей p и n-областей. Темновая вольт-амперная характеристика фотодиода совпадает с вольтамперной характеристикой обычного p-n-перехода.
При освещении фотодиода в n-области под действием квантов света образуются дополнительные подвижные носители дырки (p*) и электроны (n*). Их перемещение создает дополнительный ток через фотодиод, который называется фототоком IФ . Отсюда темновая вольт-амперная характеристика фотодиода при Ф = Ф1 сместится вверх на IФ1 (рис. 3.12 б, в).
По сравнению с фоторезисторами, фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность. В этом следует убедиться при выполнении лабораторной работы.
Рис. 3.12. Характеристики типичных фотодиодов
Фототранзисторы и фототиристоры имеют соответственно два и три p-n-перехода и в отличие от обычных транзисторов и тиристоров в цепь включаются как диоды (рис. 3.13). Они имеют чувствительность выше, чем фотодиоды, но их быстродействие заметно ниже.
Рис. 3.13. Устройство и схемы включения фототранзистора
и фототиристора
Маркировка фотоэлектрических приборов выполняется буквенно-цифровым кодом.
Обозначения полупроводниковых фотоэлементов состоят из четырех элементов.
Первый элемент обозначения полупроводниковых фотоэлектрических приборов – буквы, означающие группу приборов: ФР – фоторезисторы, ФД – фотоприемники с p-n-переходами без усиления (фотодиоды).
Второй элемент обозначения – буквы, означающие материал, из которого изготовлен прибор: ГО – германий; ГБ – германий, легированный бором; ГЗ – германий, легированный золотом; ГК – германиево-кремниевый сплав; К – кремний; КГ – кремний, легированный галлием; РГ – арсенид галлия; КА – селенид кадмия, и т. д.
Третий элемент обозначения – цифры от 001 до 999, означающие порядковый номер разработки прибора.
Четвертый элемент обозначения – буква, означающая подгруппу полупроводниковых фотоэлектрических приборов: У – фототранзисторы униполярные; Б – фототранзисторы биполярные; Л – фотодиоды лавинные; Т – фототиристоры и т. д.
Пример обозначения:
ФДГЗ-001К – фотодиод из германия, легированного золотом, координатный, номер разработки 001.
Обозначения электровакуумных фотоэлементов состоят из трех элементов.
Первый элемент обозначения – буквы, указывающие тип фотокатода (СЦ – сурьмяно-цезиевый, Ц – кислородно-цезиевый).
Второй элемент обозначения – буквы В и Г, означающие соответственно вакуумный и газоразрядный фотоэлементы.
Третий элемент обозначения – цифра, определяющая порядковый номер разработки фотоэлемента. Фотоэлектронные умножители обозначают буквами ФЭУ и не снабжают вторым элементом.
Примеры обозначений электровакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей:
СЦВ-3 – вакуумный фотоэлемент с сурьмяно-цезиевым катодом, номер разработки 3;
ЦГ-4 – газоразрядный фотоэлемент с кислородно-цезиевым катодом, номер разработки 4;
ФЭУ-19 – фотоэлектронный умножитель, номер разработки 19.
Дата добавления: 2016-03-20; просмотров: 1798;