Лабораторная работа Исследование работы однофазных неуправляемых выпрямителей

• Название: Лабораторная работа Исследование работы однофазных неуправляемых выпрямителей
• Анкор: 312312321
• Дата: 16.06.2022
• Размер: 1.91 Mb.
• Имя файла: Lab_asoiz (2).doc
• Тип: Лабораторная работа; #595412
• страница: 2 из 4

Содержание отчёта
Отчёт по работе должен содержать: цель работы, исходные данные, схему выпрямителя, расчёт, результаты моделирования в среде Multisim, осциллограммы напряжений, выводы по работе.
Лабораторная работа № 2. Исследование схем на основе операционных усилителей
Цель работы: изучение принципа работы, методик расчёта, характеристик устройств на базе операционных усилителей.
Общие сведения
Операционным усилителем (ОУ) называют усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения различных операций над аналоговыми и импульсными величинами.

Основу всех ОУ составляют дифференциальные каскады. Первый каскад обеспечивает коэффициент усиления, лежащий в диапазоне от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов. Входной каскад обеспечивает входные характеристики ОУ, в частности его высокое входное сопротивление. Выходным каскадом является двухтактный усилитель мощности (эмиттерный повторитель, работающий в режиме усиления В или АВ). Таким образом, достигается согласование высокого выходного сопротивления первого дифференциального каскада ОУ с низкоомной нагрузкой (ОУ имеет низкое выходное сопротивление). Современные ОУ, как правило, содержат цепи защиты от перенапряжений по входу и от превышения выходного тока по выходу.

В настоящее время интегральные операционные усилители являются наиболее универсальными аналоговыми устройствами. ОУ широко применяются в усилителях, генераторах, преобразователях, стабилизаторах напряжения, источниках опорного напряжения, активных фильтрах, электронных ключах, компараторах и т. д.

На рисунке 2.1 приведены условные обозначения ОУ.


Рисунок 2.1 – Условное графическое обозначение операционного усилителя
Выводы, к которым подключаются источники питающего напряжения, обозначаются и . Выводы, к которым подключаются вспомогательные цепи на принципиальных схемах, обычно не обозначают.

ОУ имеет два входа и один выход. Вход, напряжение на котором сдвигается по фазе на 180° относительно выходного напряжения, называют инвертирующим и обозначают кружком. Второй вход является неинвертирующим, так как напряжение на нем и выходное напряжение совпадают по фазе. Наличие инверсного входа позволяет легко сформировать цепи обратной связи.

На рисунке 2.2 изображена амплитудно-частотная характеристика ОУ.



Рисунок 5.2 – Амплитудно-частотная характеристика ОУ

Выделяют две частоты – частоту среза f_p, на которой коэффициент усиления уменьшается в раз, и частоту единичного усиления f₁, на которой коэффициент усиления становится равным единице.

Также важной является амплитудная (передаточная) характеристика ОУ, представляющая собой зависимость при нулевой частоте (рисунок 2.3). Кривая 1 соответствует подаче входного напряжения на инвертирующий вход, кривая 2 – на неинвертирующий вход. Эти характеристики получают при подаче входного напряжения на один из входов при отсутствии напряжения на другом входе.

Рисунок 2.3 – Амплитудная (передаточная) характеристика ОУ
Наклонный (линейный) участок кривых соответствует линейной зависимости . Горизонтальные участки кривых соответствуют режиму насыщения работы ОУ. Напряжения и обычно на 0.5–2 В меньше напряжения питания.

На основе ОУ строят усилительные схемы, а также устройства для выполнения различных математических операций (рисунок 2.4): инвертирующий усилитель (а); неинвертирующий усилитель (б); операционный повторитель (в), выходной сигнал которого практически равен входному; интегратор (г), выходной сигнал которого пропорционален интегралу по времени от его входного сигнала; дифференциатор (д), выходной сигнал которого пропорционален производной от его входного сигнала; сумматор (е), выходное напряжение которого равно инвертированной сумме входных напряжений, и др.

Параметры компонентов схемы определяют из условия получения приемлемой точности выполнения операций. Например, для уменьшения ошибки интегрирования и влияния входного тока и напряжения смещения параллельно конденсатору С интегратора (см. рисунок 2.4, г) подключают резистор, сопротивление которого значительно больше сопротивления R₁.


Рисунок 2.4 – Устройства на базе операционных усилителей
С той же целью в дифференциаторе последовательно с конденсатором С (см. рисунок 2.4, д) включают резистор. На практике при интегрировании выбираютпостоянную времени звена обратной связи = RC, по крайней мере, в 10–100 раз больше длительности входного сигнала, а при дифференцировании еёвыбирают в 10–100 раз меньше длительности нарастания фронта входного сигнала и, тем более, существенно меньше его длительности.
Задание

Разработать схему инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя КР140УД11. Исходные данные к заданию (коэффициент усиления K_U, минимальное входное напряжение U_{вх min}) приведены в таблице 2.1.

Необходимо осуществить расчёт и выбор из стандартного ряда (приложение Б) сопротивлений усилителя. Определить максимальное входное напряжение синусоидального сигнала U_{вх max}, при котором не будет значительных искажений выходного сигнала. Осуществить моделирование работы усилителя в среде Multisim.

Номер варианта соответствует номеру в списке группы.
Таблица 2.1 – Исходные данные

Номер варианта	KU	Uвх min, мВ
1	2	3
1	10	5
2	12	7
3	14	10
4	16	12
5	18	15
6	20	18
7	22	20
8	24	18
9	26	15
10	28	14
11	30	12
12	32	11
13	34	9
14	36	5
15	38	8
16	40	6
17	12	5
18	15	7
19	20	10
20	19	12
21	13	15
22	16	18
23	8	20
24	10	18
25	15	15
26	12	14
27	16	12
28	8	11
29	6	9
30	7	5

Пример решения задания.

Разработать схему инвертирующего усилителя на основе операционного усилителя КР140УД11. Исходные данные к задаче:

- коэффициент усиления K_U,= 20;

- минимальное входное сопротивление U_{вх min}=10 мВ.

Необходимо осуществить расчёт и выбор из стандартного ряда сопротивлений усилителя. Определить максимальное входное напряжение синусоидального сигнала U_{вх max}, при котором не будет значительных искажений выходного сигнала. Осуществить моделирование работы усилителя в среде Multisim.

Схема инвертирующего усилителя низкой частоты приведена на рисунке 2.5.


R₂



R₁

DA₁



U_вх



R₃

Рисунок 2.25 – Схема инвертирующего усилителя на операционном усилителе
Входной усиливаемый сигнал подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя DA₁ через токоограничивающее сопротивление R₁. Сопротивление R₂ образует отрицательную обратную связь усилителя, стабилизируя работу усилителя, одновременно снижая его коэффициент усиления

Сопротивление R₃ соединяет неинвертирующий вход операционного усилителя со средней точкой источника питания (землёй) и служит для выравнивания входных токов.

Параметры операционного усилителя КР140УД11:

– номинальное напряжение питания U_{пит ном} = ± 15 В;

– коэффициент усиления K_{u ОУ} = 30000;

– максимально допустимое выходное напряжение U_{вых max}= 12 В;

– разность входных токов ΔI_вх = 0,2 мкА;

– входное сопротивление R_вх = 0,4 МОм;

– минимальное сопротивление нагрузки R_{Н min} = 2 кОм.

Сопротивление R₁должно удовлетворять условию:

R₁<< кОм.
Принимаем из стандартного ряда Е24 (приложение Б) R₁ = 5,1<< 50 кОм.

Сопротивление обратной связи
R₂ =K_U·R₁= 20·5,1·10³ = 102 кОм.
Принимаем R₂ =100 кОм.

Находим сопротивление R₃:
кОм.
Принимаем R₃ =4,7 кОм.

Амплитуда выходного сигнала не может быть больше максимального выходного напряжения (для данного типа ОУ U_{вых max}=12 В). Поэтому действующее значение максимального входного синусоидального сигнала составит:
В.
Для проверки правильности расчёта осуществим моделирование работы инвертирующего усилителя в среде Multisim.

Модель инвертирующего усилителя на ОУ в среде Multisim приведена на рисунке 2.6.



Рисунок 2.6 – Модель инвертирующего усилителя на ОУ
В результате моделирования получаем коэффициент усиления:

,
что близко к заданному коэффициенту усиления K_U=20.

Осциллограммы входного и выходного напряжения усилителя приведены на рисунке 2.7. Между u_вых и u_вх наблюдается фазовых сдвиг 180°С, что соответствует схеме инвертирующего усилителя.

При подаче на вход усилителя синусоидального напряжения, действующее значение которого превышает U_{вх. мак}=0,42 В, происходит ограничение выходного напряжения u_вых на уровне U_{вых. мак}=12 В (рисунок 2.8).



Рисунок 2.7 – Осциллограммы входного U_вх=0,2 В и выходного напряжения инвертирующего усилителя



Рисунок 2.8 – Осциллограммы входного U_вх=0,5 В и выходного напряжения инвертирующего усилителя