Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Ульяновский государственный технический университет
ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания и контрольные задания
для студентов неэлектротехнических специальностей
Составитель Е. И. Голобородько Ульяновск 2005 2 УДК 621.38 (076) ББК 31.264.5я 7 Э40 Рецензент кандидат технических наук, доцент кафедры «БЖД и энергетика»
УГСХА г. Ульяновска Е. Г. Кочетков Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета.
Э40 Электроника: методические указания и контрольные задания для студентов неэлектротехнических специальностей /сост. Е. И.
Голобородько. – Ульяновск: УлГТУ, 2005. – 13 с.
Учебный материал методических указаний предусмотрен действующими Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования для студентов специальностей 100700, 120100, 150100, 220100, 330200. Учитывая трудности с обеспечением студентов стандартными учебниками российских издательств, составитель предпослал описанию экспериментальной работы теоретическую часть, которая в известной мере может служить конспектом лекций по этому разделу. Последнее особенно важно для студентов-заочников.
Работа подготовлена на кафедре «Электроснабжение» цикл ТОЭ и ОЭ.
УДК 631.38 (076) ББК 31.264.5я Е. И. Голобородько, составление, Е. И. Голобородько, составление, Оформление. УлГТУ,
СОДЕРЖАНИЕ
Задача 1. Расчет параметрического стабилизатора напряжения ……………. Задача 2. Анализ соотношений между токами, напряжениями и параметрами элементов в каскаде усилителя напряжения ……………….…... Задача 3. Анализ функционирования устройства на импульсных микросхемах …………………………………………………………...…….….. Библиографический список………………………………………………...…. Задача 1. Расчет параметрического стабилизатора напряжения По данным варианта (табл. 1.1) вычертить схему работающих друг на друга трехфазного трансформатора, трех- или шестипульсного выпрямителя на полупроводниковых диодах, параметрического стабилизатора на стабилитроне и сопротивления нагрузки.Выбрать стабилитрон из таблицы (табл. 1.2), а также сопротивление и мощность балластного резистора.
Найти коэффициент стабилизации и выходное сопротивление полученного стабилизатора.
Напряжение сети, а, значит, и напряжение на выходе трансформатора могут отличаться от номинальных значений на ±20%.
Изменения тока нагрузки укладываются в ±50% от номинального I Н.
Допустимо, чтобы номинальное напряжение стабилизации отличалось от номинального напряжения нагрузки на ±10%.
Примечание. Принять падение напряжения на одном диоде в прямом включении равным 1 В.
Перед расчетом повторить материал, относящийся к трехфазным выпрямителям. Понятие действующего значения переменного напряжения и тока. Соотношения между действующим и амплитудным значениями синусоидального тока и напряжения. Схемы соединения обмоток трехфазного трансформатора. Соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами. Схемы трехпульсных и шестипульсных выпрямителей. Принцип работы параметрического стабилизатора напряжения.
IBX UBX
URБ UCT
Схема простейшего стабилизатора напряжения приведена на рис. 1.1.В этой схеме стабильность выходного напряжения U H = U СТ определяется в основном параметрами стабилитрона Д, вольтамперная характеристика которого имеет вид, приведенный на рис. 1.2.
Справочники редко дают графические изображения вольтамперных характеристик стабилитронов. Обычно в графе против типа стабилитрона указаны: напряжение стабилизации U CT ; максимальный ( I CTMAX ) и минимальный ( ICTMIN ) токи стабилизации; дифференциальное сопротивление R = I CT R.
Другие параметры, не использующиеся в этом задании, здесь не упоминаются.
Из схемы (рис. 1.1) видно, что R обычно называют балластным сопротивлением.
На рис. 1.2 показано это деление входного напряжения U на U R и U CT для одного из моментов работы стабилизатора.
Изменение напряжения на нагрузке может произойти при изменении входного напряжения U и при изменении сопротивления самой нагрузки R (изменения потребляемого нагрузкой тока I ). Питание нагрузки через описанный стабилизатор существенно снижает эти изменения. Отношение достигать значения 50.
При выборе стабилитрона, во-первых, надо обратить внимание на соответствие его напряжения стабилизации номинальному напряжению нагрузки и, во-вторых, на то, чтобы его максимальный ток стабилизации I CTMAX был, по крайней мере, в 1,2 – 1,5 раза больше максимального тока потребляемого нагрузкой. В некоторых случаях целесообразно включить два стабилитрона последовательно, чтобы получить требуемое напряжение стабилизации U CT. Подумайте, как при этом рассчитать дифференциальное сопротивление такой пары стабилитронов, что принять за минимальный и максимальный токи стабилизации.
Начнем с того, что при минимальном входном напряжении ток через стабилитрон не должен оказаться меньше, чем I CTMIN, т. е.
При выборе U MIN надо взять худший из возможных случаев:
минимальное напряжение питания трансформатора (по условию на 20% меньше номинального U ), минимальное мгновенное значение напряжения на выходе выпрямителя, да еще учесть падение напряжения на одном или двух (в зависимости от варианта) выпрямительных диодах.
Теперь надо проверить, не превысит ли ток через стабилитрон значения I CTMAX при максимальном входном напряжении (амплитуда повышенного на 20% выходного напряжения выпрямителя) и минимальном токе нагрузки (0,5 I ):
Если это условие не выполняется, надо выбрать более мощный стабилитрон. Если выполняется, находим мощность, на которую должен быть рассчитан резистор R.
Мощность будет выбрана с запасом, т.к. большую часть времени входное напряжение меньше амплитудного значения.
Коэффициент стабилизации напряжения будет равен:
U U CT I CT R I CT R U R
U U CT U U U R
Выходное сопротивление стабилизатора, определяющее изменение напряжения на нагрузке при изменении потребляемого нагрузкой тока, равно дифференциальному сопротивлению стабилитрона.вар. 6-пульсная напряжение напряжение ток нагрузки, мА Тип Напряжение Максимальный Минимальный Дифференциальное стабили- стабилизации ток стабилизации ток стабилизации сопротивление RД, Задача 2. Анализ соотношений между токами, напряжениями и параметрами элементов в каскаде усилителя напряжения Определить приемлемые значения сопротивлений и емкостей каскада усилителя на биполярном транзисторе с резистивно-емкостными связями и с термостабилизацией. Изучить соотношение между токами в разных ветвях по схеме усилителя. Исходные данные взять из таблицы 2.1, схему усилителя на рисунке 2.1. Оценить коэффициент усиления этого усилителя и амплитуду входного сигнала, обеспечивающего заданное значение амплитуды выходного сигнала.
RK UМВЫХ
Прежде чем приступить к расчету, надо повторить теорию. Вспомнить схему усилителя. Назначение отдельных элементов. Входные и выходные характеристики транзистора. Смысл его параметров h11 и h21. Принцип усиления напряжения. Причины нелинейных и частотных искажений.Проследить путь сигнала. Уяснить влияние положения рабочей точки (значение тока покоя коллектора) на работу усилителя. Как происходит термостабилизация режима работы усилителя при включении резистора в цепь эмиттера? Зачем параллельно ему ставят конденсатор?
Заданными будем считать: U M амплитуду выходного сигнала;
f нижнюю граничную частоту; M предельно допустимый коэффициент искажений на нижней граничной частоте; R сопротивление нагрузки каскада; h21 коэффициент усиления тока базы транзистора; h11 входное сопротивление транзистора (сопротивление базо-эмиттерного перехода).
Для упрощения расчетов будем пользоваться без вывода некоторыми соотношениями величин, которые, как показывают классические расчеты и практика, близки к оптимальным для подавляющего большинства случаев.
Будем помечать индексом 0 токи и напряжения при отсутствии сигнала на входе усилителя. Например, потенциал эмиттера при отсутствии сигнала или U должен составлять около одной четверти напряжения питания U, сопротивление в цепи коллектора RK обычно ставят близким к сопротивлению нагрузки R, ток в цепи делителя I = 5 I I. При выборе больших токов I падает входное сопротивление каскада, при уменьшении I снижается стабильность его работы. Эти величины проставлены на схеме (рис. 2.1), из которой видно, о чем идет речь. Желательное распределение напряжений на элементах рабочей цепи RK транзистор R представлено на рис. 2.2.
Поднявшись по оси U на U от точки U = 0, получим потенциал эмиттера U. Оставшееся расстояние до значения потенциала положительного полюса питания U U поделим пополам и найдем положение точки, соответствующей потенциалу коллектора U KO. При этом, как видим, мы можем рассчитывать на наибольшее значение амплитуды неискаженного полезного сигнала обеих полярностей: от U KO до +U и от U KO до U. Правда, по 0, 1 вольту надо оставить с каждой стороны до предельных значений амплитуды во избежание нелинейных искажений. Примерно такое остаточное напряжение падает на самом транзисторе даже «полностью открытом». Необходим запас и со стороны положительного потенциала источника питания, в особенности, если питание обеспечивается, например, гальваническими элементами, снижающими свое напряжение по мере разрядки.
При малом размахе выходного напряжения, по сравнению с разностью U U, в целях повышения КПД за счет уменьшения I KO, потенциал коллектора U KO можно сместить вверх вплоть до значения U KO = U U M В. Если же двойная амплитуда (размах колебания) выходного сигнала не вписывается в этот интервал ( U U 1 В), то поставленная задача оказывается невыполнимой. Решать ее придется либо за счет снижения качества термостабилизации, уменьшая U, либо повышая U. Если у Вас создалась такая ситуация, согласуйте свои дальнейшие действия с преподавателем.
Первое, с чего удобно начать расчет, это определение U 0 =.
По уже приведенным выше рекомендациям примем R K = R H.
Как можно видеть на диаграмме потенциалов справа от схемы (рис. 2.1), напряжение на сопротивлении RK равно U RK = U U.
Теперь находим ток покоя коллектора I KO = RK.
Впрочем, при реальных значениях h21 в несколько десятков, а то и сотен с достаточной точностью можно принять I 0 = I.
Примем напряжение на эмиттерно-базовом переходе U 0 = 0,3 В. Тогда потенциал базы равен U 0 = U 0 + 0,3 В. Как уже отмечалось, ток делителя I должен быть примерно в 5 раз больше тока покоя базы.
На сопротивлении R падает напряжение U U, а протекающий через него ток равен I + I.
Сопротивление X емкости должно быть много меньше RЭ, чтобы ток полезного сигнала не создавал в нем заметного напряжения и не уменьшал коэффициента усиления каскада KU.
Для расчета величины p применим упрощенную форму Приступим к расчету требуемой амплитуды входного сигнала.
Приращение тока коллектора при повышении тока базы растекается по двум сопротивлениям: RK и RH.
Поскольку мы приняли их равными, приращение тока в нагрузке будет I K. Поэтому в момент, соответствующий амплитуде выходного напряжения, приращение тока коллектора составит соответствовать приращение тока базы I = KM, а амплитуда входного сигнала, обеспечивающая это приращение, должна быть U = I h11.
Конечно, это приближенное, несколько заниженное напряжение, т. к. на пути тока сигнала базы, кроме входного сопротивления транзистора h11 (базаэмиттер), существует еще цепочка R. Но сопротивление ее току сигнала стараются сделать пренебрежимо малым по сравнению с h11, и тогда напряжение на R можно не учитывать.
Наконец, коэффициент усиления можно рассчитать как KU =.
Задача 3. Анализ функционирования устройства Определить логические величины на выходах Y1, Y2, Y3 после подачи кода на входы схемы (рис. 3.1) x1, x 2,,,,.
Для определения входного кода представить в двоичной системе счисления номер вашего варианта, дополнив код до шести двоичных цифр ведущими нулями. Например, номер варианта 29 записываем в двоичной системе 2910 = 111012. Оказывается, что цифр в полученном двоичном числе 5.
Дополнив слева нулем, получаем требуемый код на входах:
Считать, что перед подачей кода на прямом выходе триггера был «0», а D-триггер считать установленным в «1».
Обоснуйте Ваш ответ соответствующей цепочкой логических рассуждений о срабатывании триггеров и логических элементов схемы.
Рассмотрим в качестве примера поведение этой цепи импульсных элементов для входного кода, соответствующего варианту 29. Как мы уже определились, двоичный входной код, соответствующий этому варианту, выглядит так: 0 1 1 1 0 1. Подадим его на входы рассматриваемой схемы и проследим, как он повлияет на выходные сигналы микросхем, из которых состоит рассматриваемое импульсное устройство (см. рис 3.2) Итак, слева на схеме (рис. 3.2) показаны входные сигналы. Начнем рассмотрение с входов R – S триггера. На вход R пришел сигнал «ложь»
(показан как 0), на вход S «истина» (показан как 1). Это значит, что на выходе этого триггера 0 должен смениться на 1. На схеме это показано зачеркнутым нулем, рядом с которым стоит вновь появившаяся единица. Для D – триггера такой переход соответствует приходу нового синхро-импульса на вход С. Это значит, что сигнал 0, дежуривший до того на D – входе, должен быть перенесен на прямой выход этого триггера. Такой смене соответствует зачеркнутая единица и рядом с ней вновь появившийся ноль. Этот ноль приходит на вход последней схемы «И», на выходе которой теперь, независимо от сигнала на втором входе этой схемы «И», должен бы появиться ноль, если бы не функция «НЕ», показанная на выходе этой схемы «И» пустым кружком. То есть первая часть микросхемы, реализующая функцию «конъюнкция» выдает ноль, а вторая часть этой микросхемы, реализующая функцию «отрицания», инвертирует сигнал в единицу. Кстати, условное обозначение функции этой микросхемы выглядит как «И – НЕ».
Рассмотрим теперь влияние сигналов, поступивших на входы x2 и x3. Оба они (1 и 1) попадают на входы схемы совпадения. Схема срабатывает, на ее выходе должна бы появиться единица, однако на выходе снова реализуется инверсия сигнала, и в результате на следующую схему «И» приходит 0. Этого достаточно, чтобы совпадение входных сигналов 1 и 1 (один входной сигнал уже не 1) у этой микросхемы, находящейся в центре рисунка, не состоялось, и микросхема выдаст в свою очередь 0, который, как видим, разойдется на входы трех выходных микросхем. Как уже отмечалось, для первой (верхней) микросхемы это уже не будет иметь никакого значения, и она выдаст на выходе, обозначенном Y1, единицу. Микросхема же, которая должна выдать сигнал Y2, получила пока на один их входов ноль, и теперь все зависит от сигнала на втором входе. Дело в том, что это микросхема реализует функцию «или не». Для ее части, осуществляющей функцию «или», достаточно хотя бы на одном из входов иметь единицу, чтобы она тоже выдала единицу, тогда вторая часть («НЕ») инвертировала бы ее в ноль. Однако и на второй ее вход тоже приходит ноль. Микросхема в соответствии с таблицей ее работы выдает ноль, инвертированный, в конце концов, в единицу. Y2, как и Y1, принимает значение единицы (или истина).
Наконец, микросхема «НЕ», получив с входа х5 ноль, инвертирует его в единицу. Эта единица вместе со второй единицей, поступающей с входа х6 на последнюю микросхему «И», заставляет ее сработать. После инвертирования сигнала микросхема «И» выдает ноль. Это второй ноль, поступающий на последнюю микросхему «ИЛИ». Поскольку ни на одном из ее входов нет единицы, она и выдает в качестве выходного сигнала Y3 ноль. Инвертирование сигнала в этой микросхеме не предусмотрено (отсутствует пустой кружочек на выходе).
Итак, для входного кода, соответствующего варианту номер 29, импульсное устройство, схема которого представлена на рисунке 3.1, выходные сигналы равны: Y1 = 1, Y2 = 1, Y3 = 0.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Миловзоров, О. В. Электроника: учебник для вузов/ О. В. Миловзоров, И. Г. Панков. – М.: Высш. шк., 2004. – 288 с.2. Касаткин, А. С. Электротехника: учебное пособие для вузов/А. С. Касаткин, М. В. Немцов. – 4-е изд., перераб.– М.: Энергоатомиздат, 1983. – 440 с. (и последующие издания).
3. Горбачев, Г. Н. Промышленная электроника: учебник для вузов/Г. Н.
Горбачев, Е. Е. Чаплыгин. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.
4. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учебник для вузов/ В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 5. Березкина, Т. Ф. Задачник по общей электротехнике с основами электроники: учеб. пособие для студентов неэлектротехнических специальностей учебных заведений / Т. Ф. Березкина, Н. Г. Гусев, В. В.
Масленников. – 3-е изд., стер. – М.: Высш шк., 1998. – 380 с.
6. Голобородько, Е. И. Сборник лабораторных работ по курсу «Электротехника и электроника» для студентов неэлектротехнических специальностей/ Е. И. Голобородько, Л. А. Подгорная. – 2-е изд. перераб. – Ульяновск: УлГТУ, 2001. – 52 с.
и контрольные задания для студентов неэлектрических специальностей Составитель ГОЛОБОРОДЬКО Евгений Иванович Подписано в печать 30.09.2005. Формат 60х84/16.
Бумага писчая. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 0,70.
Ульяновский государственный технический университет 432027, Ульяновск, Сев.Венец, 32.
Типография УлГТУ, 432027, Ульяновск, Сев.Венец, 32.