ZadElectronika

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томский политехнический университет

УТВЕРЖДАЮ Зам. директора ЭЛТИ по МР

_________________ А. Н. Дудкин

“____”_____________ 2005 г.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Варианты заданий и методические указания к выполнению индивидуального задания по курсу “Электротехника и электроника” для студентов неэлектротехнических специальностей

Томск 2005

УДК 621.3

Основы электроники: Варианты заданий и методические указания к выполнению индивидуальной работы по курсу “Электротехника и электроника” для студентов неэлектротехнических специальностей /Сост. Н.М. Малышенко, Л.А. Аристова; Том. политехн. ун-т. –Томск, 2006, - 20 с.

Рецензент профессор, докт. техн. наук ______________ Ю.Н. Исаев

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры “Теоретическая и общая электротехника” “ 6 ” октября 2005 г., протокол №21.

Зав. кафедрой ТОЭ, доцент, канд. техн. наук ____________Г.В. Носов

Одобрено учебно-методической комиссией ЭЛТИ Председатель учебно-методической комиссии Доцент канд. техн. наук____________

1. Основные понятия и формулы

Работа большинства электронных устройств основана на применении полупроводниковых приборов.

Выпрямительные полупроводниковые диоды используются в однофаз-

ных и трехфазных выпрямителях с однополупериодным и двухполупериодным выпрямлением напряжения.

		iа				a	iа1
		iн	u	iа1	Rн iн	u2а
	u	u uн Rн		u			iн Rн
					uн	u
						u2b	uн
					iа3
		Рис. 1.1		Рис. 1. 2		b	iа2
						Рис. 1. 3

u2a u2b u2c

u 2a u 2b u2c

u н

а

u2ab	b	u2ca

iн	u2bc	c
Rн	Rн	iн
		uн

Рис. 1. 4

Рис. 1. 5

Средние значения выпрямленных напряжения и тока в приемнике с сопротивлением Rн в схеме на рис. 1.1:

Uн =	2 U2	=U2m ≈ 0,45U2 ;		(1.1)
	π	π
	Iн	=Uн	,	(1.2)
			R’н

где u	2	=U	2m	sinωt - мгновенное значение, U	2	=U2m	2	- действующее зна-

чение переменного синусоидального напряжения, U2m - амплитудное значение.

Ток Iн.ср является в данной схеме прямым током диода, т.е.

Iпр.ср = Iн.ср; максимальное обратное напряжение Uобр.max. =U2m .

Для надежной работы выпрямителей диоды должны выбираться с выполнением условий: Iпp.сp. ≥ Iн.сp. и Uобр.max > 2U2 примерно с превышением на 30%.

В двухполупериодном мостовом выпрямителе (рис. 1.2) средние значения выпрямленных напряжения и тока:

Uн.ср = 2 2 U2	=		2U		2m ≈0,9U 2 ;						(1.3)
π			π
Iн.ср =Uн.ср .											(1.4)
Максимальное обратное напряжение					Rн
									= πUн.
Uобр.max =U2m =					2U 2						(1.5)
Средний прямой ток каждого диода									2
Iпp.cp. =0,5Iн.ср.											(1.6)
Максимальный прямой ток диода в данной схеме
Iпp.max	=	U 2m			=	πUн.сp				.	(1.7)
			Rн			2			Rн
В двухполупериодном выпрямителе с выводом средней точки вто-
ричной обмотки трансформатора (рис.	1.3) U2a =U2b =U2 ,										расчет Uн.ср и

Iн.ср в приемнике выполняется по формулам (1.3)

прямой ток диода - формуле по (1.7). Максимальное обратное напряжение диода

Uобp.max =Uab = 2U2 = πUн.ср .

и (1.4), максимальный

(1.8)

В трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом (рис.1.4) средние значения выпрямленных напряжения и тока определяются формулами

Uн.ср =	3 6 U2Φ ≈1,17U2Φ .	(1.9)
	2π

Iн.ср =Uн.ср Rн’ .

Средний и максимальный прямой токи диодов определяются выражениями:

Iпp.cp =	Iн.ср	; Iпp.max =	U	Φm	=	Uн.ср	≈1,21I’н.ср ,	(1.10)
	3					0,827Rн’
			Rн

где UΦm = 32π3 Uн.ср - амплитудное фазное напряжение источника.

Максимальное обратное напряжение на каждом закрытом диоде равно амплитудному значению линейного напряжения источника:

Uобp.max = 2 3U2Φ = 23πU’н.ср ≈ 2,09Uн.ср , (1.11)

где U2ф =U2a =U2b =U2c - действующее значение фaзного напряжения.

В трехфазном мостовом выпрямителе (рис. 1.5) среднее значение

выпрямленного напряжения в		приемнике
Uн.ср	=	3 2 U2л = 3	6 U2Φ ≈ 2,34U2Φ ,	(1.12)
где U2л =U2ab =U2bc =U2ca		π	π
	- действующее значение линейного напряже-
ния.

Максимальное обратное напряжение на каждом закрытом диоде равно амплитудному значению линейного напряжения

Uобр.max = 2U2л = π3Uн.ср ≈1,047Uн.ср. (1.13)

Максимальный прямой ток рассчитывается по формуле (1.10).

Биполярные и полевые транзисторы используются в различных схе-

мах усилителей в качестве приборов, управляющих мощностью внутри усилителя.

Основными показателями усилителей являются:

-коэффициент усиления по напряжению (модуль) KU =Uвых Uвх ;

-коэффициент усиления по току (модуль) KI = Iвых Iвх ;

-коэффициент усиления по мощности KP = Pвых Pвх = KU KI .

Простейшим усилителем является усилительный каскад с одним нелинейным управляемым элементом. Рассмотрим усилительный каскад с биполярным транзистором. Работа других схем будет во многом аналогична.

Включение биполярного транзистора в цепь может выполняться по схеме с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Лучшие коэффициенты усиления имеют усилители с включением транзистора по схеме с ОЭ. На рис. 1.6 показано включение биполярного транзистора типа n-p-n по схеме с общим эмиттером.

Iб	VT	Ik	Uкэ
Uбэ
		Iэ
	Рис. 11.6

Для расчета и анализа устройств с биполярными транзисторами используют вольт-амперные характеристики: входные Iб = f1(Uбэ ), снимае-

мые при Uкэ =const, выходные Iк = f2(Uкэ )при Ιδ =const и так называе-

мые h - параметры.

Электрическое состояние транзистора в пределах линейной части вольт-амперных характеристик может быть описано уравнениями:

∆Uбэ = h11э∆Iб + h12э∆Uкэ;

(1.14)

∆Uбэ

∆Iк = h21э∆Iб + h22э∆Uкэ,

где h

=

при U

=const( ∆U =0 )-

входное сопротивление би-

11э

∆Iб

кэ

кэ

полярного

транзистора;

h

= ∆U бэ

при

I

=const( ∆I

=0 ) - безраз-

12э

∆U кэ

б

б

мерный

коэффициент

внутренней

обратной

связи по

напряжению;

h12э =0,002 ÷0,0002 и в большинстве практических расчетов им можно пре-

небречь, т.е. h ≈0;

h

= ∆Iк

при U

=const( ∆U

=0 )- коэффици-

12э

21э

∆Iб

кэ

кэ

ент усиления по току;

h

= ∆I

к

при

I

б

=const( ∆I

б

=0 ) - выходная

22э

∆Uкэ

проводимость транзистора.

Типовые схемы однокаскадных усилителей с общим эмиттером приведены на рис. 1.7 и рис. 1.8.

	Еk	RБ	RkС2
RГ iвх		Iбп+iбVT	Ikп+ik
e =uc	С1	Uбэ
	uвх		i
			э
			+
			эп
			I

Рис. 1.7.

iн

uвых=uн

Rн

	Еk	R1	Rk С2
	iвх	Iбп+iбVT	Ukэ
	С1	Uбэ
			RэСэ
	uвх	R2 Iэп
			iэ
		Рис. 1.8.

iн

u вых =u н

Rн

Резисторы Rк и Rб в схеме на рис. 1.7 и Rк ,R1 ,R2 в схеме на рис. 1.8

обеспечивают необходимые значения постоянных напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах (Uбэ ,Uкэ ) при питании всех цепей транзи-

стора от одного общего источника питания Eк .

Участок схемы на рис. 1.8, состоящий из параллельно соединенных резистора Rэ и конденсатора Сэ служит для осуществления температурной

стабилизации транзистора от воздействия постоянных токов при одновре-

менном устранении отрицательного влияния на входное напряжение пере-

менных токов. Конденсаторы С1 и С2 большой емкости являются раздели-

тельными, назначение их отделять переменный сигнал от постоянных на-

пряжений и токов, действующих внутри схемы усилителя.

Анализ работы и расчет усилительного каскада выполняют с исполь-

зованием наложения режима покоя при действии только источника питания

с ЭДС Eк

(Iбп ,Iкп ,Iэп )и режима с переменными составляющими токов базы

iб, коллектора iк

и нагрузки iн

при действии другого источника ЭДС e

с

внутренним сопротивлением Rг

,

ток которого iг

является входным током

iвх усилителя.

На Рис. 1.9 показана схема замещения усилительного каскада, изо-

браженного на Рис. 1.7 для переменных составляющих токов низких и сред-

них частот, на которой схема замещения транзистора показана внутри пунк-

тирного контура, а усилительного каскада внутри контура ограниченного

сплошной линией, при этом принято

1

≈0,

1

≈0 .

ωC

ωC

2

1

Rг

iвх

iБ

ik

h21iБ

1

iн

e

RБ

h

Uкэ

Rk

вх

=u

uвх

11

h22

Rн

вых

u

Рис. 1.9

Рис. 4.9

Входное напряжение усилителя:

Rбh11

u

вх

= R

i

=

i

вх

,

(1.15)

вх вх

R

+ h

б

11

где Rвх - входное сопротивление усилителя, определяется как эквивалентное

сопротивление параллельно соединенных Rб и h11,

R

=

Rб h11

(1.16)

вх

R + h

б

11

при R	б	>> h11 , можно приближенно считать Rвх ≈ h11;							iвх - входной ток,
если пренебречь током через резистор Rб , то можно считать iвх ≈iб.
	Входное напряжение усилителя можно также определить с учетом
параметров источника ЭДС переменного сигнала:
		uвх =	e Rвх			e h11
					=			.	(1.17)
			R	+ R		R	+ h
			г	вх		г	11

Выходное сопротивление усилителя определяется как эквивалентное параллельно соединенных резистора RК и выходного сопротивления транзи-

стора 1h22 :

R

1

h22

Rк

R

=

к

=

.

(1.18)

R

вых

+ 1

h22

1 + h22 Rк

к

При h22 << Rк , можно принять Rвых ≈ Rк. Выходное напряжение усилителя:

u

вых

= R

h

i

=

h21 Rк

i

б

(1.19)

1 + h R

вых

21

б

22

к

Коэффициент усиления по напряжению (модуль) ненагруженного усилительного каскада при RH >> RK каскада при

K

U х

=

uвых

=

h21Rк

.

uвх

h11(1 + h22

Rк )

Коэффициент усиления по току:

h21 Rб

KI

=

iвых

=

,

(1 + h22 Rк )( Rб + h11 )

iвх

i

=

uвых

=

uвых(1 − h22 Rк )

≈

uвых

- выходной ток;

R

R

вых

R

вых

к

н

i

=

uвх

=

uвх›( Rб + h11 )

- входной ток усилителя.

вх

R

R

h

вх

б

11

Коэффициент усиления по мощности:

KP = KU KI

(1.20)

(1.21)

(1.22)

Логические элементы вместе с запоминающими устройствами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств.

Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический ноль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям электронного ключа.

Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:

1) логическое сложение (логическое ИЛИ), обозначаемое знаками «+» или

« »:

	F = X1 + X 2 +... + X n или F = X1 X 2 ... ;			(1.23)
2)	логическое умножение (логическое И), обозначаемое знаками			«•»,
« » или написанием переменных рядом без знаков разделения:
	F = X1 X 2 ...X n или F = X1 X 2 ... ;			(1.24)
3)	логическое отрицание (логическое НЕ ), обозначаемое чертой над
переменной:
	F =		.
		X		(1.25)

Зависимость логического выходного сигнала F от совокупности логических значений входных сигналов X принято представлять таблицей истинности. Условные обозначения логических элементов элементарных операций и таблицы истинности приведены на рис.11.10, операции ИЛИ и И показаны для двух входных величин.

Операция ИЛИ								Операция И								Операция НЕ
X1									X1
				1		F						&		F			X		1		F
								X2
X2
		X1	X2		F					X1		X2		F
																		X		F
										0		0	0
	0		0		0
																		0		1
										0		1	0
	0		1		1
																		1		0
										1		0	0
	1		0		1
										1		1	1
	1		1		1
										Рис. 1.10

На практике часто применяют комбинированные элементы, реализующие две (и более) логические операции. К таким относятся элементы: ИЛИ-НЕ, выполняющие операцию

F =	X1 + X 2 + + X n	,			(1.26)
И-НЕ, выполняющий операцию F =				.
			X1 X 2 X n		(1.27)

Логические операции ИЛИ-НЕ и И-НЕ можно получить, производя инвертирование после операций ИЛИ и И.

Самостоятельное значение имеет логическая операция ЗАПРЕТ, ко-

торая символически записывается в виде F = X1		.
	X 2		(1.28)

Логический элемент ЗАПРЕТ имеет в простейшем случае два входа: разрешающий (входX1 ) и запрещающий (вход X 2 ). Выходной сигнал по-

вторяет сигнал на разрешающем входе X1 , если X 2 =0. При X 2 =1 на выходе возникает сигнал «0» независимо от значения X1 .

Условные обозначения комбинированных логических элементов и их таблицы истинности показаны на рис.1.11, для простоты условные обозначения логических элементов и соответствующие таблицы истинности составлены для двух входных величин.

		Операция ИЛИ-НЕ							Операция И-НЕ								Операция ЗАПРЕТ
X1										X1									X1
				1		F							&		F						&		F
X2
									X2
																		X2
		Х1	Х2			F					Х1		Х2		F
																		Х1		Х2		F
		0	0		1
											0	0		1
																		0		0			0
		0	1		0
											0	1		1
																		0		1			0
		1	0		0
											1	0		1
																		1		0			1
		1	1		0
											1	1		0
																		1		1			0
											Рис. 1.11

2. Задания к индивидуальной работе по теме “Основы электроники”

Задание 2.1.

1.Описать физические принципы работы полупроводникового диода. Привести понятия электронно-дырочного p-n-перехода, запирающего слоя, потенциального барьера, вентильных свойств диода. Показать примерный вид вольт-амперной характеристики выпрямительного диода.

2.Нарисовать блок-схему возможных узлов выпрямителя, описатьназначение каждого из них. Как классифицируют выпрямители в зависимости от схемы вентильной группы?

3.Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 2.1) подключен с помощью трансформатора к сети с действующим значением напряжения U1 . На-

грузкой для выпрямителя является резистор с сопротивлением Rн, среднее значение выпрямленного тока в котором I н . Описать принцип работы вы-

прямителя. Определить коэффициент трансформации трансформатора n; средний I пр ср и максимальный I пр max токи каждого диода при прямом