Типові режими підсилювальних елементів

Відзначимо можливі випадки, коли опір вимірюваного ділянки залежить від режиму його роботи. Наприклад, у схемі транзисторного підсилювального каскаду (рис. 1) опір переходу база - емітер залежить від режиму транзистора - значення струму емітера (отже, і від струму бази). При малих струмах бази опір ділянки база-емітер досягає відносно великого значення (), який майже дорівнює вхідному опору ампервольтметра на шкалі . Тому напруга зсуву на базі зазвичай вимірюється електронним вольтметром. Збільшувати вхідний опір ампервольтомметра вибором для вимірювання шкали з більшою межею вимірювання недоцільно, так як вимірювана напруга може виявитися рівною 0,15-0,25В. Як відомо, вимірюванні малих напруг на шкалах з більшою межею вимірювання значно збільшується відносна похибка. Всі інші напруги в наведеній схемі підсилювального каскаду можуть вимірюватися ампервольтметрами Ц4313 або Ц4341. Шкалу (межу вимірювання) приладу слід вибирати так, щоб загальна похибка вимірювання не перевищувала задану. Зауважимо, що опір резистора R₂, як правило, дорівнює . Іноді з міркувань економії енергії його обирають і він стає порівняним з вхідним опором ампервольтомметра на шкалах 1-3В. У цьому випадку напруга на зазвичай вимірюється електронним вольтметром.

На рис. 1 показано приєднання вольтметра до контрольних точок для вимірювання режимів у схемі типового підсилювального каскаду. У колах, що зображують вольтметр, вказані приблизні значення меж шкали приладу, на яких зазвичай проводяться вимірювання режимів.

Вимірювання режимів проводиться головним чином прямим методом. Можливі також випадки використання метода непрямих вимірювань.

3.3. Режими імпульсних схем та особливості їх вимірювання

Особливості вимірювання режимів імпульсних схем.

1. Форма вихідної напруги (імпульсу), його амплітуда і часові параметри (тривалості імпульсу, фронту та зрізу) є основними параметрами режиму роботи імпульсного пристрою по змінному струму і їх зручно вимірювати безпосередньо електронним осцилографом, який має калібратори чутливості і розгортки. Амплітуду вихідного імпульсу можна також виміряти електронним вольтметром.

2. Вхідна ємність вимірювального приладу, що підключається до виходу імпульсної схеми для вимірювання амплітуди імпульсу та дослідження його форми, може чинити істотний вплив на його параметри, а отже, і на результати вимірювання та дослідження. Наприклад, якщо на вхід вкорочуючого (диференціюючого) ланцюга (рис. 2, а) подати імпульс прямокутної форми з амплітудою і тривалістю (рис. 2, б), то на виході ланцюга (на резисторі ) отримують два гострих короткочасних імпульси різної полярності (рис. 2, в). Нагадаємо, що вкорочуючим називається такий - ланцюг, у якої стала часу значно менше тривалості вхідного імпульсу.

Якщо внутрішній опір джерела вхідного сигналу дорівнює нулю, то амплітуда вихідного імпульсу . При підключенні до резистора електронного осцилографа або вольтметра вхідна ємність приладу приєднується паралельно цьому резистору. При цьому амплітуда вихідного імпульсу зменшується до значення , тобто на вихід ланцюга передається тим менша частина , чим більше . Крім того, наявність ємності збільшує постійну часу ланцюга до значення , що викликає збільшення тривалості вихідного імпульсу (розширення імпульсу) і спотворення його переднього фронту. Відносне розширення імпульсу відбувається в стільки разів, у скільки зменшується його амплітуда. Якщо, то вплив на параметри вихідного імпульсу значно зменшується, що слід враховувати при виборі вимірювального приладу. При особливо точних вимірах слід обумовити допустиме граничне значення вимірювальних приладів і в разі необхідності виміряти і переконатися, що значення вхідної ємності обраного вимірювального приладу не перевищує допустимого значення. Якщо обраного приладу складає () , то .

3. При перевірці параметрів імпульсного пристрою необхідно враховувати, що на відміну від лінійних підсилювальних схем, у яких зазвичай спостерігається відповідність форм вхідного і вихідного сигналів (без урахування спотворень і фазових зсувів, що вносяться підсилювальним каскадом), в імпульсних схемах такої відповідності може і не бути. Більше того, в імпульсному пристрої може спостерігатися велика відмінність між формами вихідного і вхідного імпульсів. Ця різниця пояснюється рядом причин, в тому числі особливостями формування сигналів імпульсними прис-троями та режимом роботи. Наприклад, якщо па вхід - ланцюга подати послідовність позитивних прямокутних імпульсів зі шпаруватістю (рис. 3, а), то внаслідок втрати постійної складової послі-довність імпульсів приймає форму, зображену на рис. 3, б. Значення і визначають наступним чином:

4. В імпульсних схемах може виникнути необхідність перевірки режимів окремих ланцюгів по постійному струму. У таких випадках вибір вимірювального пристрою проводиться згідно з загальними правилами, викладеним раніше при розгляді питань вимірювання режимів лінійних підсилювальних схем. Вибір методу і способу вимірювання, а також оцінка результатів вимірювання проводяться з урахуванням режиму роботи конкретної імпульсної схеми. В якості прикладу розглянемо вимірювання режиму по постійному струму в схемі чекаючого мультивібратора з емітерним зв'язком (рис. 4). Чекаючим мультивібратором називається імпульсний пристрій, який має однин стійкий стан. Під впливом зовнішнього запускаючого сигналу мультивібратор виводиться зі стійкого стану рівноваги, переводиться в режим генерування одного вихідного імпульсу, а потім автоматично повертається у вихідний стійкий стан. У початковому стані транзистор відкритий та знаходиться в режимі насичення, а - закритий, та знаходиться в режимі відсікання. Елементи схеми та її режим роботи підібрані так, що напруга , утворена на резисторі , струмом відкритого транзистора, перевищує значення напруги на резисторі , тому напруга виявляється позитивною, що утримує транзистор в закритому стані. У процесі регулювання схеми та вимірювання її параметрів може виникнути необхідність у вимірюванні постійних напруг на резисторах і , які визначають значення напруги , і амплітуду запускаючого негативного імпульсу. Очевидно, що ця амплітуда за абсолютним значенням повинна бути не менше значення напруги замикаючої транзистор . У схемах чекають мультивібратором резистори і часто мають значення 91Ом та відповідно, а падіння напруги на них та . При цьому напруга становить , і транзистор виявляється в вихідному стані надійно закритим.

Зазначені значення напруг можна виміряти комбінованим приладом з не менше з похибкою, що не перевищує 10-15%, при відповідному виборі шкали, що цілком достатньо для практичних цілей. Напругу виміряти безпосередньо комбінованим приладом важко, тому що опір закритого переходу база - емітер дуже великий. При необхідності ця напруга може бути виміряна комбінованим приладом непрямим методом з похибкою порядку ± 20%, що можна вважати цілком допустимим, враховуючи специфіку імпульсної схеми.

Комбінований прилад можна також використовувати для визначення, в якому режимі знаходиться транзистор – в режимі насичення (відкритий) або відсікання (закритий). Як відомо, режим насичення характеризується тим, що опір ділянки колектор-емітер транзистора практично наближається до нуля і тому падіння напруги на ньому мале (зазвичай не перевищує 0,5-1В). Підключаючи комбінований прилад між колектором і емітером та вибираючи межу вимірювання (шкалу) 1-3В, можна виміряти або оцінити напругу на цій ділянці і визначити режим транзистора. Якщо транзистор закритий, то необхідно вибрати шкалу приладу, яка приблизно дорівнює напрузі джерела , наприклад 10В. При цьому вхідний опір приладу значно перевищує значення опору резисторів . Отже, напруга джерела виділиться на вхідному опорі приладу, який дорівнює не менше . Ця умова відповідає режиму відсікання транзистора.

3.4. Вимірювання струмів

Вимірювання постійного та змінного струмів проводять переважно прямим методом за допомогою ампервольтметрів і міліамперметрів різних типів і систем, розглянутих раніше, та має важливе значення для визначення нормального режиму роботи окремих елементів і схеми в цілому. За значенням нормального (заданого) струму, максимального або мінімального його значення, а так само за значенням відхилення від заданого значення можна визначити наступні стани у схемі:

коротке замикання;

справність окремих елементів і їх відповідність номіналам;

точна настройка контуру в резонанс;

наявність у схемі самозбудження та паразитної модуляції;

симетрію електронної схеми та ін.

Такі вимірювання широко поширені на практиці. Так, наприклад, у всіх переносних транзисторних радіоприймачів спочатку перевіряється струм споживання при відсутності вхідного сигналу (струм спокою). Для його вимірювання в розрив дроту між джерелом живлення і монтажною платою включається міліамперметр постійного струму і на приймач подається номінальна напруга живлення. Якщо в результаті вимірювань встановлюють, що загальний струм споживання приймачем не перевищує заданого значення, то переходять до вимірювання режимів транзисторів по постійному струму. Якщо ж вимірювання показують, що загальний струм споживання значно перевищує ліміт значення, то приймач негайно вимикають і приступають до визначення та усунення несправності.

У малопотужних ланцюгах низьких і високих частот вимірювання струму здійснюється прямим методом - амперметрами випрямної і термоелектричної систем, побічним - електронним вольтметром на відомому опорі. Амперметр повинен мати мінімальні значення опорів, індуктивності і ємності.

Неправильний вибір місця включення приладу для вимірювання постійного струму може порушити нормальну роботу схеми, тобто її режим по змінному струму. Це пояснюється тим, що включення в схему амперметра приводить до утворення струмів витікання та зворотних зв’язків між окремими її ланцюгами, що впливає на похибку вимірювань і режим роботи схеми. Поява струмів витікання пояснюється еквівалентною схемою амперметра на високих частотах, рис. 5, де і - відповідно активний опір приладу та його індуктивність С - ємність між затискачами приладу 1 і 2, а і їх ємності відносно корпусу приладу (землі), що викликають появу в схемі струмів витікання. Зі збільшенням частоти вимірюваного струму вплив цих ємностей збільшується і похибка вимірювання зростає. Включення амперметра в досліджуваний ланцюг необхідно проводити в точках з найменшим потенціалом відносно корпусу, тому що при цьому отримується найменший струм витікання, не врахований приладом, отже, зменшуються вплив приладу на режим роботи схеми і похибка вимірювання.

В якості прикладу розглянемо найпростіший електричний ланцюг (рис. 6, а), в якому потрібно виміряти струм, що проходить через резистор , вибравши місце для включення приладу. У схемі рис. 6, б ємності і знаходяться під значною напругою відносно корпусу, тому через них розгалужується певний струм. Прилад вимірює струм, що проходить через резистор , і ємність тобто покази приладу перевищують дійсне значення вимірюваного струму і похибка вимірювання може виявитися значною. У схемі рис. 6, в ємність закорочується, а через ємність проходить незначний струм витікання, оскільки в цьому випадку вона знаходиться під напругою, що дорівнює напрузі на амперметрі, яка незначна. Отже, похибка вимірювання в цій схемі включення амперметра значно зменшується.

Більш складні схеми допускають різні варіанти включення приладу, з яких потрібно вибрати правильний. В якості прикладу розглянемо випадок вимірювання змінного струму в високочастотному коливальному контурі, включеному в колекторний ланцюг транзистора і налаштованого в резонанс з частотою сигналу, що подається на вхід транзистора (рис. 7). Можливі чотири способи включення приладу для вимірювання струму в контурі, з яких правильним є тільки четвертий . При включенні приладу в точках 1 і 2 (та ) через прилад крім вимірюваного змінного струму також проходить постійна складова колекторного струму транзистора. Отже, покази амперметра не відповідають дійсному значенню змінного струму в контурі. Крім того, при включенні ємності затискачів приладу та виявляються включеними паралельно контуру, та його загальна ємність змінюється. Це викликає розстроєння контуру, і отже, додаткову похибку вимірювання: прилад вимірює струм контуру, розстроєного відносно частоти сигналу, який приходить. При включенні приладу в розрив 3 () через прилад постійна складова колекторного струму транзистора не проходить, але вплив ємностей та на похибку вимірювання через розстроєння контуру залишається. Цей вплив на контур значно зменшується при включенні в розрив 4 () і тому він вважається правильним: через прилад проходить тільки змінний струм контуру, налаштованого в резонанс з сигналом, який приходять. Зауважимо, що всі наведені міркування справедливі, якщо підсилювальним елементом вибраний транзистор.

Аналогічні завдання вибору місця включення приладу виникають при вимірюванні постійного струму. Особливу увагу слід проявити в таких випадках, коли в досліджуваній ділянці ланцюга крім вимірюваної постійної складової струму проходить і змінна складова. Якщо це можливо, то прилад необхідно включити так, щоб через нього протікав тільки вимірюваний постійний струм. У таких випадках при виборі місця включення необхідно керуватися наступним загальним правилом: вимірювальний прилад завжди повинен включатися на ділянці, на якій змінна напруга відносно корпусу, що створюється змінним струмом, який протікає, має найменше значення. Застосування цього правила часто приводить до того, що один з виводів приладу з'єднують з «+» або «-» джерела живлення.

При вимірюванні струмів в транзисторних, а також в інших низьковольтних схемах, слід звернути увагу на те, що в них можуть виявитися ділянки з малою або строго заданою напругою, в які включення приладу для безпосереднього вимірювання струму неможливо, так як це може порушити режим роботи транзистора і схеми в цілому.

3.5. Вимірювання напруг