Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Тольяттинский государственный университет
Кафедра Электроснабжение и электротехника
Пичугина А.А., Томникова Л.Г., Шлыков С.В.
Материалы для студента
по изучению дисциплины
Электротехника и электроника - 2
Модуль 7
Устройства аналоговой техники
Тольятти 2011
Содержание
|
[0.1] § 7.1. График выполнения задания Модуля 7 [0.2] § 7.2. Теоретические вопросы Модуля 7 [0.3] § 7.3. Задание модуля 7 [0.4] § 7.4. Варианты данных к заданию Модуля 7 [0.5] § 7.5. Методические указания к компьютерному моделированию №1 задания Модуля 7 [0.6] § 7.6. Методические указания к компьютерному моделированию №2 задания Модуля 7 [0.7] § 7.7. Краткая теория и примеры [0.8] Вторичные источники питания [0.9] § 7.8. Вопросы для самопроверки [0.10] § 7.9. Примеры тестов [0.11] § 7.10 Задачи [0.12] ЛИТЕРАТУРА |
МОДУЛЬ 7. Устройства аналоговой электроники
|
№ недели |
Аудиторные занятия |
Самостоятельная работа |
|
1 |
Лекция. Обзор материала 2 части дисциплины электротехника и электроника и теоретического материала модуля 7. |
Изучение теоретического материала, вопросы 1-3. Выполнение 1 пункта задания |
|
2 |
Компьютерное моделирование |
Изучение теоретического материала, вопросы 3-6. Выполнение 2 , 3 пункта задания. Подготовка к компьютерному моделированию. |
|
3 |
Компьютерное моделирование Анализ и проверка выполненных пунктов задания. |
Изучение теоретического материала, вопросы 7-8. Выполнение пунктов 4 - 5 задания. Аналитический расчет |
|
4 |
Практическое занятие Сдача задания, допуск к тестированию |
Повторение теоретического материала. Решение задач Выполнение 6 пункта задания. |
Цель задания: изучение физических процессов в нелинейных элементах, знакомство с электронными устройствами.
Исходные данные: каждому студенту преподаватель выдает вариант задания, номер которого обозначается числом из трех цифр. На установочном практическом занятии согласовать пакет задач для самостоятельного решения.
Первая цифра варианта указывает – номер строки в таблице 7.1, в которой приводятся заданные параметры нелинейной электрической цепи и параметры, которые необходимо определить.
Вторая цифра соответствует номеру столбца в таблице 7.2, где указаны значения электрических величин.
Третья цифра соответствует типу полупроводникового диода и схеме выпрямителя:
1 – RGL34A (рис. 7.2); однополупериодный;
2 – LD106 (рис.7.3); двухполупериодный мостовой.
Содержание и порядок выполнения задания:
Получить вариант задания на обзорной лекции. На установочном практическом занятии согласовать пакет задач для самостоятельного решения.
Примечание: см. Методические указания к компьютерному моделированию №1.
Методом компьютерного моделирования исследовать работу выпрямителя со сглаживающим фильтром.
Примечание: см. Методические указания к компьютерному моделированию №2.
Рис.7.1. Схема к компьютерному моделированию 1
Таблица 7.1
|
№ строки |
Заданные электрические величины |
Определить |
№ схемы по рис.1.1. |
|
1 |
E , R |
UR , UД , I |
схема 1 |
|
2 |
UR , R |
UД , I , E |
|
|
3 |
R , UД |
UR , E , I |
|
|
4 |
R , I |
E , UД , UR |
|
|
5 |
J , R |
IR , IД , U |
схема 2 |
|
6 |
R , U |
J , IД , IR |
|
|
7 |
R , IД |
J , IR , U |
|
|
8 |
R , IR |
J , U , IД |
Таблица 7.2
|
№ столбца |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
схема 1 |
E , B |
3 |
1,5 |
3,5 |
2 |
3,5 |
2,5 |
4 |
1,5 |
3 |
|
R , Ом |
0,6 |
0,5 |
0,7 |
0,8 |
1 |
0,5 |
0,8 |
1 |
0,9 |
|
|
UД , B |
1,6 |
1,2 |
1,4 |
1,3 |
1,7 |
1,1 |
1,5 |
1,8 |
1,4 |
|
|
UR , B |
0,8 |
0,6 |
1,8 |
1,2 |
1,6 |
1,4 |
2 |
0,4 |
1 |
|
|
I ,A |
1,6 |
2,2 |
0,5 |
2,6 |
0,8 |
3 |
1,2 |
2,4 |
1,4 |
|
|
схема 2 |
J , A |
3,2 |
2 |
2,4 |
3,8 |
3 |
2,2 |
4 |
2,6 |
3,6 |
|
R , Oм |
0,7 |
1 |
0,5 |
0,9 |
0,8 |
0,6 |
1 |
0,7 |
0,5 |
|
|
IД , A |
0,5 |
1,5 |
0,9 |
1,4 |
1,6 |
1,2 |
0,8 |
2 |
1,8 |
|
|
IR , A |
2,1 |
1,9 |
1,2 |
2,5 |
2,4 |
1,7 |
2 |
1,4 |
2,6 |
|
|
U , B |
1 |
1,3 |
0,9 |
1,4 |
1,1 |
1,3 |
1,5 |
1,2 |
1,4 |
|
|
КМ№2 |
Rн, Oм |
1500 |
1900 |
1400 |
1650 |
1200 |
1700 |
1450 |
1600 |
2500 |
|
Кп ,% |
10 |
15 |
11 |
9 |
14 |
13 |
16 |
12 |
8 |
Рис. 7.2. ВАХ полупроводникового диода RGL34A
Рис. 7.3. ВАХ полупроводникового диода LD106
Цель компьютерного моделирования: Изучение элементной базы электроники и методов расчета электронных цепей при действии постоянного тока. Проверка расчета заданной нелинейной цепи графическим методом.
Содержание компьютерного эксперимента:
Моделирование является проверкой произведенных расчетов нелинейных электрических цепей графическим методом. Исследуемая схема содержит источник постоянной ЭДС или тока, линейный элемент – резистор и нелинейный – полупроводниковый диод и набор измерительных приборов. Следует помнить, что вольтметр включают параллельно исследуемому объекту, а амперметр – последовательно. Выбор типа источника определяется из условия схемы: источник постоянной ЭДС – для схемы с последовательным соединением, а источник постоянного тока – для схемы с параллельным соединением элементов. Схема соединения элементов указана в задании на расчет и изображена на рис.7.1
Выполнение компьютерного моделирования:
Цель компьютерного моделирования: Исследование работы различных видов выпрямителей со сглаживающим фильтром.
Содержание компьютерного эксперимента:
Выпрямительные диоды предназначены для использования в разнообразных выпрямительных схемах, работающих обычно на токах низкой частоты (50…2000 Гц). Падение напряжения на диоде при этом характеризуется средним значением прямого напряжения за период. Предельной электрический режим использования диодов характеризуются следующими параметрами: максимальным обратным напряжением – напряжением любой формы и периодичности; максимальным значением прямого или выпрямленного тока.
Выпрямители без сглаживающего фильтра применяют сравнительно редко и в тех случаях, когда пульсации напряжения на нагрузке не имеют существенного значения.
Рис 7.4. Структурная схема компьютерной модели исследования работы выпрямителя
Выполнение компьютерного моделирования:
Виртуальные компоненты:
АНАЛИЗ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЛИНЕЙНЫМИ РЕЗИСТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Нелинейными электрическими элементами являются элементы, параметры которых зависят от тока и напряжения. Цепи, содержащие такие элементы, именуемые электрическими нелинейными цепями, обладают рядом новых свойств, которые отсутствуют у линейных цепей. Эти свойства позволяют создать основанные на них автоматические системы управления и регулирования, устройства для преобразования электромагнитной энергии, устройства для производства электрических измерений и передачи информации, быстродействующие вычислительные машины и т.д. Особенностью и сложностью анализа нелинейных систем является невозможность применения принципа наложения.
К нелинейным электрическим цепям постоянного тока относятся электрические цепи, содержащие нелинейные сопротивления, обладающие нелинейными вольт-амперными характеристиками, т.е. зависимость напряжения на зажимах резистивного нелинейного элемента от тока в нем задается его вольтамперной характеристикой (ВАХ).
Вольт-амперные характеристики могут быть заданы в виде графиков, таблиц и аналитических выражений.
Статическими называют характеристики, в которых каждая точка дает значение постоянного напряжения при соответствующем значении постоянного тока. Из них определяют статическое сопротивление и статическую проводимость нелинейного элемента
.
Электрическое состояние нелинейных цепей постоянного тока описывается системой алгебраических уравнений, составленных по первому и второму закону Кирхгофа. Общих аналитических методов решения нелинейных уравнений не существует, поэтому решение таких задач осуществляется численными методами с использованием ЭВМ. Однако существуют наиболее простые методы расчета цепей постоянного тока с резистивными элементами - графические и графоаналитические: метод эквивалентных преобразований и метод пересечения характеристик.
Метод эквивалентных преобразований для нелинейных цепей, так же как и для линейных, основан на замене нескольких элементов одним и сводится к нахождению ВАХ эквивалентного нелинейного элемента.
При расчете электрических цепей с последовательным или параллельным включением нелинейных (или линейных и нелинейных) сопротивлений их вольт-амперные характеристики представляются в общей координатной системе, и по ним строится общая вольт-амперная характеристика всей нелинейной электрической цепи.
а) При последовательном соединении нелинейных резистивных элементов, графически заданных своими вольт-амперными характеристиками, по оси абсцисс которых откладываются напряжения, а по оси ординат – ток, складываются абсциссы этих кривых для различных значений тока. Абсцисса каждой точки эквивалентного элемента при заданном токе находится как сумма соответствующих падений напряжения на сопротивлениях, поскольку при последовательном соединении по сопротивлениям протекает один и тот же ток цепи (рис.7.5.).
Рис.7.5 К расчету электрической цепи с последовательным соединением нелинейных элементов.
Таким образом, по общей вольт-амперной характеристике нелинейной цепи при заданном значении напряжения Э.Д.С. легко определяют ток в нелинейной цепи I, а по заданному току, находят напряжение на каждом из последовательно соединенных сопротивлений, переходя к их вольт-амперным характеристикам.
б) При параллельном соединении нелинейных резистивных элементов складываются ординаты ВАХ для различных значений напряжения. Ордината каждой точки вольт-амперной характеристики эквивалентного нелинейного сопротивления при заданном напряжении определяют как сумму токов в ветвях соответствующего сопротивления , так как при параллельном соединении на всех сопротивлениях действует одно и то же напряжение (рис.7.6).
Рис.7.6 К расчету электрической цепи с параллельным соединением нелинейных элементов.
Следовательно, при параллельном включении сопротивлений, по общей ВАХ и заданном токе источника тока, нетрудно определить падение напряжения на параллельном участке цепи, а по известному напряжению, переходя к ВАХ каждого элемента, найти ток в каждом сопротивлении.
Применение графического метода расчёта цепей со смешанным соединением нелинейных резистивных элементов основано на методе свёртывания. Для получения характеристики всей цепи при смешанном соединении нелинейных элементов используются те же приемы, осуществляемые поочередно.
В методе пересечения характеристик реализуется графическое решение уравнения, определяющего электрическое состояние цепи при заданной величине источника.
а) При последовательном соединении линейного элемента и нелинейного резистивного элемента, графически заданного своей вольт-амперной характеристикой, решение задачи сводится к решению уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа, и будет определяться точкой пересечения нагрузочной прямой с ВАХ нелинейного элемента. Для построения нагрузочной прямой, достаточно определить координаты двух точек, из опыта холостого хода и короткого замыкания. Напряжение холостого хода определяется по методу эквивалентного генератора. Точка пересечения линейной и нелинейной ВАХ получила название рабочей точки (рис.7.7.).
По второму закону Кирхгофа:
,
При , ;
при , .
Таким образом, из графика находятся ток в цепи и напряжение на нелинейном элементе, что представляют собой координаты точки пересечения.
Рис. 7.7 К расчету электрических цепей с последовательным включением нелинейного и линейного элементов методом пересечений.
б) При параллельном соединении линейного и нелинейного резистивного элемента, графически заданного своей вольт-амперной характеристикой, решение задачи сводится к решению уравнения, составленного по первому закону Кирхгофа, и будет определяться точкой пересечения нагрузочной прямой.
По первому закону Кирхгофа:
.
При IД=0 Uab = I R;
При Uab=0 IД = I.
Координаты точки пересечения двух ВАХ линейной и нелинейной являются найденным решением задачи. Они определяют ток в нелинейном элементе и напряжение на нелинейном и линейном сопротивлении (рис.7.8.).
Рис. 7.8 К расчету электрических цепей с параллельным включением нелинейного и линейного элементов методом пересечений.
Пример. Нелинейные сопротивления R1 и R2, включенные последовательно в электрическую цепь постоянного тока (рис.7.9 а), имеют вольт-амперные характеристики I и II, приведенные на рис.7.9, б. Определить ток I в цепи и напряжения U1 и U2 на этих сопротивлениях, если приложенное к цепи напряжение U = 60 В. В каких пределах измениться напряжение ΔU цепи при изменении тока I от I1 = 25 мА до I2 = 175 мА.
Решение. Строят общую вольт-амперную характеристику III указанных двух последовательно соединенных нелинейных элементов (рис.7.9, б) исходя из условия, что подводимое к цепи напряжение U при данном токе I нагрузки равно сумме напряжений на сопротивлениях R1 и R2, т.е. U=U1+U2.
Рис.7.9. К расчету электрических цепей с включением нелинейных элементов
Ток в цепи при напряжении U = 60 В согласно зависимости III определяется ординатой 0 – 5, соответствующей I2 = 175 мА.
Напряжение на участках цепи находят из графических зависимостей. При токе I2 = 175 мА, U1 = 19 В (абсцисса 5-4), U2 = 41 В (абсцисса 5-3). При токе I1 = 25 мА напряжение, подводимое к цепи, U = 22 В. Следовательно, изменение подводимого к цепи напряжения при изменении тока в заданных пределах согласно рис. 7.9, б составляет: ΔU = 66 – 22 = 38 В.
Пример. В электрическую цепь постоянного тока (рис.7.9, в) при напряжении U = 30 В включены параллельно нелинейные сопротивления R1 и R2, вольт-амперные характеристики I и II которых представлены на рис.7.7, б. Определить общий ток I в цепи, токи I1 и I2 в ветвях.
Решение. Общая вольт-амперная характеристика IV (рис.7.9, б) при параллельном соединении нелинейных сопротивлений построена сложением токов (ординат) зависимостей I и II при соответствующем напряжении. Ток нелинейного сопротивления R1 (рис.7.7, а) при заданном напряжении U = 30 В, равен, ординате 6 – 8, I2 = 100 мА. Общий ток в неразветвленной части цепи равен ординате 6 – 9 I = I1 + I2 = 205 + 100 + 305 мА.
Пример. В электрическую цепь постоянного тока (рис.7.8, а) включено нелинейное сопротивление R5. Определить ток I5 в нелинейном сопротивлении и напряжение U12, действующее между точками 1 и 2 цепи. Вольт-амперная характеристика нелинейного сопротивления R5 (кривая 3) приведена на рис.7.8 б. ЭДС источника питания E = 90 В, сопротивление резисторов: R1 = 15 Ом; R2 = 45 Ом; R3 = 43 Ом; R4 = 45 Ом.
Рис.7.10. Расчет нелинейной цепи методом пересечения характеристик
Решение. Используя метод эквивалентного генератора, определяем напряжение U12, действующее между точками 1 и 2 электрической цепи в режиме холостого хода при отключенном нелинейном сопротивлении R5 (рис.7.10, а).
Ток в ветви резистора R1 при отключенном нелинейном сопротивлении R5 (выключатель В выключен):
Ток в ветви резистора R2 при отключенном нелинейном сопротивлении R5: .
ЭДС эквивалентного генератора Eэк определяют при отключенном нелинейном сопротивлении R5. По второму закону Кирхгофа из уравнения электрического равновесия, составленного для внешнего замкнутого контура электрической цепи (рис.7.10, а):
или , откуда .
Внутреннее сопротивление Rэк эквивалентного генератора относительно точек 1 и 2 электрической цепи рис.7.8 а, при закороченном источнике ЭДС:
.
В соответствии со схемой замещения рассматриваемой нелинейной электрической цепи (рис.7.10, в) исходя из уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа, имеем: , отсюда .
Полученное уравнение представляет аналитическое выражение зависимости I5(U12). Поскольку и , последнее уравнение является уравнением прямой в системе координат I5 и U12 (рис.7.10, б). Ee координаты определяются в режиме холостого хода – точка 1 (при I5=0; Ux=Eэк =22,5 В) и в режиме короткого замыкания - точка 2 (Uк = 0, ток А.
Ток I5 в цепи нелинейного сопротивления R5 и напряжение U12 на его зажимах определяют графическим способом как координаты точек пересечения вольт-амперной характеристики нелинейного элемента R5 (рис.7.10, б) с полученной прямолинейной зависимостью I5(U12). При этом I5 = 0,45 A, U12 = 6,75 B.
Пример. Для точки A вольт-амперной характеристики I(U) нелинейного элемента (рис.7.11) определить статическое Rст и дифференциальное Rд сопротивления.
Рис.7.11. Вольтамперная характеристика.
Решение. Статическое сопротивление, соответствующее точке вольт-амперной характеристики: кОм. Статическое сопротивление пропорционально тангенсу угла , т.е., где - масштаб сопротивлений.
Дифференциальное сопротивление, соответствующее вольт-амперной характеристики: кОм. Дифференциальное сопротивление пропорционально тангенсу угла .
ЭЛЕКТРОНИКА
Электроникой называется область технической науки, изучающая принципы действия и применение электронных приборов, которые выполняют в электрических цепях различной сложности преобразования сигнала. Работа электронных приборов основана на электрических процессах происходящих в вакууме, газах, и полупроводниковых материалах. Управление этими процессами происходит с помощью электрических и магнитных полей, температуры и освещенности. В соответствии с этим электронные приборы подразделяются на электровакуумные, полупроводниковые, фотоэлектронные, квантовые, газоразрядные приборы и т.д.
Электронные приборы
Наиболее распространенным электровакуумным прибором является электронно-лучевая трубка, она остается основным узлом осциллографов, телевизионных экранов, дисплеев, мониторов и т.д.
Конструкция любого электровакуумного прибора представляет собой помещенные внутри баллона (газонепроницаемой оболочки) электроды. Электродом называется проводник, эмитирующий (испускающий) - катод; или собирающий электроны (ионы) - анод; либо управляющий их движением от электрода к электроду с помощью электрического поля.
Основные электровакуумные приборы
|
Электронно- управляемая лампа |
Количество электродов |
Область применения |
|
Электровакуумный диод |
2 - анод и катод |
выпрямление переменного тока промышленной частоты в цепях высокого напряжения |
|
Триод |
3 – анод, катод, сетка |
усилители высокой частоты, генераторы, мощные усилители и стабилизаторы напряжения |
|
Тетрод |
4 |
усилители и генераторы |
|
Пентод |
5– анод, катод, управляющий электрод, экранирующая и защитная сетки |
Низкочастотные и высокочастотные усилители, усилители с переменной крутизной (переменным коэффициентом усиления) и генераторы. |
Лампы с большим количеством электродов выполняют специальные функции и часто имеют двойное управление электронным потоком. К таким приборам можно отнести гептод - пятисеточную лампу, предназначенную для преобразования частоты.
Аналогичные функции преобразования сигнала выполняют полупроводниковые приборы. Их преимущества по сравнению с лампами это – технологичность, миниатюрность, дешевизна. К недостаткам следует отнести – меньшие рабочие мощности, зависимость характеристик от внешних параметров.
Работа электронных полупроводниковых приборов основана на явлении электропроводности, свойственной полупроводниковым материалам. При сплавлении двух полупроводников с различным типом проводимости, создается область раздела называемая электроно-дырочным или p-n-переходом, обладающая вентильным свойством. В отсутствии внешнего поля соблюдается равновесное состояние между диффузионным током (ток основных носителей зарядов) и током дрейфа (ток неосновных носителей заряда).
Если к диоду подключить источник постоянного напряжения, плюсом к p-области, а минусом к n-области (подать прямое смещение), то равновесное состояние p-n-перехода нарушается, внешнее поле совпадает с направлением диффузионного тока, сопротивление p-n-перехода уменьшается – переход открыт. Если к p-n-переходу приложить напряжение другой полярности (обратно сместить p-n-переход), то преобладать начинает ток дрейфа, сопротивление p-n-перехода возрастает, переход закрыт. Зависимость тока от напряжения на переходе (ВАХ) имеет нелинейный, несимметричный характер рис.7.12.
Р-n-переходы, а также переходы между металлом и полупроводником являются основными элементами полупроводниковых приборов, количество их определяет основные функции и особенности применения прибора.
Прибор с одним p-n-переходом получил название диода. ВАХ диода совпадает с ВАХ p-n-перехода (рис.7.12).
К основным параметрам диода относятся статическое и динамическое сопротивления:
Рис.7.12. ВАХ диода.
Биполярный транзистор это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, образованными тремя областями проводимостей p-n-p или n-p-n рис.7.13.
Рис.7.13. Структура биполярного транзистора
Средняя, тонкая область транзистора называется базой (б), одна крайняя область – эмиттером (э), другая крайняя область – коллектором (к).
Для транзистора выполняется первый закон Кирхгофа:
В этом соотношении ток базы много меньше тока эмиттера и тока коллектора, поэтому .
Соотношения между токами в транзисторе характеризуется двумя параметрами:
коэффициентом передачи тока эмиттера: и
коэффициентом передачи тока базы:
Связь между коэффициентами передачи транзистора:
Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой n-p-n-pтипа и тремя переходами называется тиристором. Тиристор имеет три вывода – два от крайних областей и третий от слоя с дырочной проводимостью. Тиристоры малой мощности используются в схемах быстродействующих электронных выключателей, мощные – в схемах управляемых выпрямителей и устройствах управления электроприводом.
Электронные устройства
Для преобразования переменного тока в постоянный ток служат выпрямители, которые представляют собой цепи с диодами и тиристорами.
Однополупериодную схему рис.7.14 (а) применяют, при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. В однополупериодных схемах выпрямление происходит в течении одного полупериода рис.7.14 (б), диод открыт только в те полупериоды, когда на нем действует положительная полуволна напряжения. Напряжение на нагрузке состоит из положительных полуволн, его среднее значение (постоянная составляющая) равно рис.7.14 (в).
а)
б) в)
Рис. 7.14. Однополупериодный выпрямитель.
Работа выпрямительного устройства характеризуется следующими параметрами:
Коэффициент выпрямления
Где Rобр , Rпр - сопротивление диода в обратном и прямом включении.
Коэффициент пульсации выпрямителя без фильтра:
где Um 1 - амплитуда первой гармоники,
Uов - постоянная составляющая выпрямленного напряжения.
Для уменьшения пульсаций включают сглаживающие фильтры. В простейшем случае сглаживание на нагрузке достигается включением параллельно ей емкости.
Для увеличения среднего напряжения на нагрузке используют двухполупериодные схемы выпрямления, содержащие два и более диодов.
В мостовой схеме рис.7.15, когда источник переменного напряжения включен в одну диагональ, а нагрузка в другую, диоды работают попарно. В первый период, когда от источника действует положительная полуволна диоды 1 и 3 проводят ток, а 2 и 4 закрыты. Во второй полупериод диоды 2 и 4 открыты, а 1 и 3 - не пропускают ток. Ток через нагрузки протекает все время и в одном и том же направлении.
а)
б) в)
Рис.7.15. Двухполупериодный выпрямитель.
Коэффициент пульсации выпрямителя без фильтра:
Коэффициент пульсации выпрямителя со сглаживающим фильтром:
,
где m – число фаз выпрямителя (– для однополупериодного, для двухполупериодного); – частота источника напряжения (Гц), С – емкость конденсатора сглаживающего фильтра (Ф), - сопротивление нагрузки (Ом).
Пример. Действующее значение входного напряжения выпрямителя, выполненного по мостовой схеме 390 В. На нагрузочном резисторе 1400 Ом постоянная составляющая выпрямленного напряжения 350 В. Найти постоянную составляющую выпрямленного тока. Определить число последовательно включенных диодов в плече мостовой схемы, если максимально допустимое обратное напряжение каждого диода 300 В.
Решение. Амплитудное значение входного напряжения В. Значение максимального обратного напряжения в схеме В. Постоянная составляющая выпрямленного тока А.
Число последовательно включенных диодов в плече схемы определяется отношением максимально обратного напряжения схемы к максимально допустимому напряжению диода . Принимаем N=2.
Пример. Заданы вольт-амперная характеристика диода рис.7.16а, его сопротивление в проводящем прямом направлении Ом, в непроводящем (обратном) направлении Ом, сопротивление нагрузочного резистора Ом и напряжение питающей сети В. Определить средние значения выпрямленных тока и напряжения , мощность , выделяемую в нагрузочном резисторе , обусловленную этим током, для однополупериодного выпрямителя, собранного на полупроводниковом диоде (рис.7.16.б). Нелинейностью характеристики пренебречь.
Рис.7.16. Выпрямление синусоидального тока
Решение. Сопротивление электрической цепи:
в проводящий (прямой) полупериод Ом,
в непроводящий (обратный) полупериод Ом.
Амплитудное значение тока в цепи:
в проводящий полупериод А,
в непроводящий полупериод А.
Постоянные составляющие:
прямого тока А;
обратного тока А.
Средние значения:
выпрямленного тока А;
выпрямленного напряжения В.
Мощность, выделяемая в сопротивлении резистора, обусловленная постоянной составляющей выпрямленного тока: Вт.
Напряжение или ток в электрических цепях может меняться вследствие различных причин – за счет колебаний напряжения питания, зависимости параметров элементов от температуры и т.д., что приводит к ухудшению рабочих характеристик устройств. Для стабилизации тока и напряжения применяют стабилитроны - опорные диоды, которые работают на обратной ветви вольт-амперной характеристики, а также двухкаскадные или мостовые схемы на их основе.
Качество работы стабилизатора характеризуется
коэффициентом стабилизации:
где и - изменение напряжения на входе и напряжения в нагрузке.
Рис.7.17. Схема стабилизатора.
Пример. Известны дифференциальное сопротивление стабилитрона = 24 Ом, его ток 5 мА, а напряжения = 10 В и = 15 В.
Определить необходимое балластное сопротивление коэффициент стабилизации и к.п.д. стабилизатора рис.7.17.
Решение. Так как входное напряжение , а общий ток цепи , то искомое балластное сопротивление Ом
Коэффициент стабилизации определяется из соотношения
Кпд стабилизатора определяется как соотношение мощности, выделяемой в нагрузке, к мощности входного источника, т.е.
Пример. Для стабилизатора напряжения рис.7.17. Заданы входное напряжение 48 В и сопротивление нагрузки 50 Ом. Параметры стабилитрона = 12 В и =200 мА. Определить величину необходимого балластного сопротивления.
Решение. Согласно схеме, входное напряжение есть сумма напряжений на балластном сопротивлении и стабилитроне. Тогда напряжение на балластном сопротивлении В. Напряжение на стабилитроне равно напряжению на нагрузочном сопротивлении. Ток нагрузочного сопротивления А. Ток через балластное сопротивление А, тогда величина балластного напряжения Ом.
Усилитель – это устройство, увеличивающее мощность сигнала. Увеличение мощности происходит за счет преобразования энергии постоянного источника питания в энергию переменного сигнала.
По усиливаемой электрической величине различают усилители мощности, напряжения и тока. Основными показателями усилителя являются:
коэффициенты усиления по напряжению, по току, по мощности:
, , ,
а также входное и выходное сопротивления.
В усилителях, схема включения транзистора представляет собой четырехполюсник, т.е. схему, имеющую две пары входных зажимов (1- 1) для присоединения источника сигнала и две пары выходных зажимов (2-2) для подключения нагрузки рис.7.18.
Рис.7.18. Структурная схема четырехполюсника.
Различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) рис.3.18.
а)
б)
в)
Рис.7.19. Схемы включения транзистора
а) ОЭ, б) ОБ, в) ОК
В схеме с ОЭ осуществляется усиление по току, напряжению и мощности. При этом выходное напряжение находится в противофазе с входным напряжением .
>1
>1
>1
В схеме с ОБ отсутствует усиление по току. Выходное напряжение совпадает по фазе с входным напряжением .
<1
>1
>1
Зависимости коллекторного тока от управляющего тока базы или эмиттера в этих схемах определяется соотношениями:
,
где: - обратный ток p-n-перехода база-коллектор при токе равным нулю.
В схеме с ОК не происходит усиление по напряжению. При этом выходное напряжение совпадает по фазе с входным.
>1
>1
Свойства транзистора в зависимости от схемы включения оцениваются его статическими входными и выходными характеристиками. Входные характеристики - это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном смещении. Так как входной переход транзистора в усилительном режиме смещен прямо, то они аналогичны прямой ветви ВАХ p-n-перехода. Выходные характеристики представляют собой зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе и аналогичны обратной ветви ВАХ p-n-перехода. На рис.7.20 представлен вид статических характеристик для схемы с ОЭ. Для каждого, выпускаемого промышленностью типа транзистора, статические характеристики заданы в справочнике по полупроводниковым приборам или снимаются экспериментально.
а)
б)
Рис.7.20. Статические характеристики биполярного транзистора включенного по схеме с ОЭ (а – входные, б – выходные).
Нелинейность характеристик транзистора приводит к появлению нелинейных искажений – искажений формы усиливаемого сигнала. Для уменьшения искажений в усилителях используется обратная связь. Выходной сигнал в виде напряжения или тока через цепь обратной связи частично или полностью поступает на вход рис.7.21. В качестве обратной связи используют пассивные цепи.
Рис. 7.21. Структурная схема усилителя с ОС
Различают положительную обратную связь, когда сигнал обратной связи складывается с входным сигналом и отрицательную обратную связь, при которой сигналы вычитаются. В первом случае коэффициент передачи начинает возрастать – происходит возбуждение усилителя. В случае отрицательной обратной связи коэффициент усиления усилителя уменьшается.
Для усилителя, охваченного обратной связью, коэффициент усиления:
где: К - коэффициент усиления усилителя без обратной связи,
- коэффициент обратной связи, который показывает какая часть выходного сигнала поступает на вход усилителя,
- коэффициент усиления усилителя после введения обратной связи.
В современных электронных устройствах и вычислительных машинах для преобразования сигнала применяются операционные усилители ОУ. Под ОУ принято понимать микросхему – усилитель постоянного тока, имеющий два входа и, как правило, один выход. ОУ обладает большим коэффициентом усиления по напряжению, высоким входным и низким выходным сопротивлением.
На рис.7.22 представлена базовая схема включения ОУ с однопетлевой обратной связью. Знаком плюс отмечен неинвертирующий вход, на который через подается входной сигнал. Знаком минус отмечен инвертирующий вход, на который через комплексное сопротивление подается напряжение обратной связи. Коэффициент усиления ОУ – К. Напряжение на входе ОУ , на выходе ОУ .
Рис.7.22. Схема включения ОУ с однопетлевой обратной связью
Для упрощения расчета электронных схем вводят понятие линейного идеального ОУ, для которого принимают: ,, , тогда:
,
Для усилителя рис.7.22 по первому закону Кирхгофа:
, т.к. для ОУ , то
Выразив токи через соответствующие им напряжения, получим:
, с учетом того, что для ОУ
Таким образом, величину коэффициента усиления усилителя можно регулировать величиной сопротивления обратной связи .
На основе ОУ выполняются различные преобразователи сигналов. Так, например, для изменения временных параметров импульсов, а также их формы применяются дифференцирующие и интегрирующие устройства.
Для дифференциатора на идеальном ОУ рис.7.23
Рис.7.23. Схема дифференциатора на идеальном ОУ
,т.к. , то
, где - постоянная времени цепи.
Таким образом, сигнал на выходе цепи пропорционален дифференциалу входного сигнала, причем для повышения точности дифференцирования необходимо, чтобы постоянная времени цепи была как можно меньше длительности входного импульса.
Для интегратора на идеальном ОУ рис.3.23
Рис.7.24 Схема интегратора на ОУ
, ,
Таким образом, сигнал на выходе цепи пропорционален интегралу входного сигнала, причем интегрирование тем точнее, чем больше величина постоянной времени цепи по сравнению с периодом сигнала на входе.
На основе интеграторов выполняют генераторы линейно изменяющегося напряжения, использующиеся в качестве генератора разверток осциллографов, мониторов телевизионных систем и.д.
Пример. Заданы коэффициент передачи биполярного транзистора =50, обратный ток коллектор- база = 10 мкА. Найти токи , , при включениях с ОБ и ОЭ, если ток коллектора одинаков в обоих случаях, а соотношение между управляющими токами .
Решение. Воспользовавшись соотношениями токов в схемах с ОБ и ОЭ и соотношениями между коэффициентами передачи и запишем систему уравнений
Решив систему относительно тока базы, получим =0,122 мА. Ток эмиттера мА. Ток коллектора из системы уравнений =6,6 мА.
Пример. На инвертирующий вход идеального операционного усилителя подается напряжение 20 мВ. Сопротивления Ком, сопротивление ОС Ком, сопротивление нагрузки Ком рис.7.25. Найти коэффициенты усиления операционного усилителя по току, напряжению и мощности.
Рис.7.25. Схема усилителя на ОУ
Решение. Коэффициент усиления по напряжению определяется соотношением сопротивления и .
Определим выходное напряжение В. Тогда выходной ток А.
Входной ток А.
Коэффициент по току
Коэффициент по мощности
Вторичные источники питания предназначены для поучения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных и других устройств.
Структурная схема: сеть – трансформатор – выпрямитель - сглаживающий фильтр – стабилитрон – нагрузка. Источник без преобразования частоты.
Структурная схема источника с преобразователем частоты: сеть – выпрямитель1 – сглаживающий фильтр1 – инвертор – трансформатор – выпрямитель2 – сглаживающий фильтр2 - нагрузка
Дайте определение установившихся и переходных процессов в электрических цепях.
Каков физический смысл постоянной времени электрической цепи?
Сформулируйте законы коммутации.
От чего зависит частота основной гармоники несинусоидального периодического сигнала?
От чего зависит форма сигнала?
Какие носители зарядов создают ток во внешней цепи полупроводникового диода при подключении к нему источника тока?
По каким параметрам выбирают диоды для выпрямителей?
Что определяет величину балластного сопротивления в схеме однополупериодного выпрямителя?
Как можно уменьшит коэффициент пульсации выпрямителя?
Какая из схем включения транзистора дает наибольший коэффициент усиления по мощности?
Какие виды обратных связей применяются в усилителях?
При каких условиях усилительное устройство, охваченное обратной связью, может превратиться в автогенератор?
От чего зависит постоянная времени цепи в дифференциаторах на ОУ?
От чего зависит постоянная времени цепи в интеграторах на ОУ?
1. Определить I1 , если U3 = 20 В.
2. Определить U, если I1 = 2 A, r = 10 Ом.
3. Определить статическое Rэкв, при заданных условиях, U1 = 10 В.
4. Построить нагрузочную характеристику и определить статическое сопротивление в рабочей точке, если U=100 В, r=40 0м.
5. Определить статическое Rэкв, при заданных условиях, U3 = 15 В.
6. Определить коэффициент выпрямления полупроводникового диода, если сопротивление диода в прямом включении = 10 Ом, а в обратном включении =100 Ком.
7. Указать схему интегратора напряжения.
8. Определить обратный ток коллектора (мкА) транзистора в схеме с общим эмиттером, если коэффициент передачи тока =50, ток коллектора =3,5 mА, а ток базы =40 мкА.
9. Определить напряжение на выходе усилителя, охваченного обратной связью, если при напряжении на входе =1 В, напряжение на выходе усилителя без обратной связи 100 В, а коэффициент обратной связи =0,03.
10. На линейный усилитель с заданной характеристикой коэффициента усиления по напряжению от частоты подается несинусоидальный периодический сигнал
.
Определить амплитуду напряжения первой гармоники на выходе усилителя.
11. Указать схему включения транзистора с общим коллектором.
12. Коллектор транзистора на рисунке обозначен буквой:
|
а |
|
б |
|
в |
|
г |
13. Указать узлы в схеме к которым необходимо подключить переменное напряжение, чтобы на других узлах получить постоянное (выпрямленное) напряжение.
|
аб |
|
аг |
|
бв |
|
гб |
14. Значение источника ЭДС равно, если R1 = 11 Ом, VD1 – идеальный диод, PA1 = 10 А.
1. Три диода соединены последовательно в прямом включении. Общий ток, протекающий по ним равен 0,8 мА. Найти общее падение напряжения и падение напряжения на каждом диоде, если сопротивление при этом токе первого диода равно 1,6 Ом, второго- 2,5 Ом, третьего –1,2 Ом.
2. Два диода соединены параллельно в прямом включении. Падение напряжения на каждом из них составило 2 В. Найти общий ток и ток каждого диода, если сопротивление при этом напряжении первого диода 2,4 Ом, второго 2,2 Ом.