А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника - Методические указания для решения задач

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Кафедра «Электроснабжение транспорта»

А.С. Низов А.Н. Штин К.Г. Шумаков

Э Л Е К Т Р О Н И К А

ЗАДАЧИ (Часть I)

Екатеринбург

2007

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

«Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС)

Кафедра «Электроснабжение транспорта»

А.С. Низов А.Н. Штин К.Г. Шумаков

Э Л Е К Т Р О Н И К А

ЗАДАЧИ (Часть I)

Методические указания к решению задач для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог» всех форм обучения

Екатеринбург

2007

1

УДК 681.38 Н 61

А. С. Низов, А. Н. Штин, К. Г. Шумаков Электроника (часть I): методи-

ческие указания к решению задач.– Екатеринбург: УрГУПС, 2007.–37 с.

В указаниях приведены справочные материалы и методика решения задач по курсу «Электроника». Предназначены для студентов специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог» всех форм обучения. Они могут быть использованы также студентами специальности 190303 «Электрический транспорт».

Методические указания утверждены на заседании кафедры «Электроснабжение транспорта», протокол № 2 от 26 октября 2006 г.

Текстовая часть составлена в соответствии с ГОСТ 2.105–95 «Общие требования к текстовым документам».

Авторы: А.С. Низов, профессор кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент.

А. Н. Штин, доцент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС, канд. техн. наук, доцент.

К. Г. Шумаков, аспирант кафедры «Электроснабжение транспорта» УрГУПС.

Рецензенты: Б. С. Кулаков, доцент кафедры «Электрическая тяга», канд. техн. наук, доцент, УрГУПС.

Л. А. Фролов, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.

© Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2007

2

	СОДЕРЖАНИЕ
1	Определение параметров силового диода по его Вольт-
	амперной характеристике...............................................................	4
2	Расчет схемы стабилизации напряжения на нагрузке
	при помощи кремниевого стабилитрона.......................................	10
3	Определение h-параметров биполярного транзистора
	при включении его в схеме с общей базой ...................................	16
4	Графо-аналитический расчет однокаскадного усилителя
	звуковой частоты.............................................................................	21
5	Расчет однокаскадного ключевого усилителя................................	29
	Список использованных источников...............................................	36

3

1 Определение параметров силового диода по его Вольтамперной характеристике

1.1 Условия для решения задачи

Дана классификационная вольт-амперная характеристика (ВАХ) силового диода (рисунок 1.1). По осям отложены средние значения величин. Необходимо определить:

1)напряжение пробоя (U(BR));

2)повторяющееся импульсное обратное напряжение (URRM);

3)класс диода (K);

4)рабочее импульсное обратное напряжение (URWM);

5)неповторяющееся импульсное обратное напряжение (URSM);

6)максимально допустимый средний прямой ток (IFAV М);

7)импульсное прямое падение напряжения (UFM);

8)пороговое напряжение (U(TO));

9)дифференциальное сопротивление (rT);

10)повторяющийся импульсный обратный ток (IRRM);

11)мощность потерь в вентиле при IFAV М;

12)температуру p-n перехода при IFAV М, коэффициенте формы тока КФ= √3, температуре окружающей Среды Ta=25°C и тепловом сопротивлении «пере-

ход–среда» Rthja = 0,5 / N °C/Вт (где N – номер варианта);

13) величины, полученные в п.1, 2, 4 – 10, показать на ВАХ диода.

Рисунок 1.1 – Статическая ВАХ силового диода

4

1.2 Пример решения задачи

Решим задачу при N=30. Перерисуем рисунок 1.1 применительно к данному варианту.

Рисунок 1.2 – Статическая ВАХ заданного силового диода

Прежде чем решать задачу, необходимо определить, как связаны между собой амплитудные значения токов и напряжений, которые действуют в схеме, и средние значения этих величин.

Известно, что при снятии классификационной ВАХ вентиля в схему подается напряжение от однополупериодной схемы выпрямления (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Временная диаграмма напряжения uF и тока iF, среднее и максимальное значения напряжения UFM , UСР и тока IFM , IСР при однополупериодной схеме выпрямления

5

Среднее значение какой-либо величины пропорционально площади S1, фигуры ограниченной графиком. Зная изменения величины (u) при перемещении по оси абсцисс, найдем площадь фигуры за время 2π и приравняем к площади S2, прямоугольника с основанием 2π и высотой UCP

π

S1 = ∫UMAX sin ΘdΘ =UMAX (−cos Θ) π0 = 2UMAX ;

0

S2 =UCP 2π .

Получим	UМАХ = UСР ·π;	(1.1)
Аналогично	IМАХ = IСР ·π.

1. Определим напряжение пробоя, т.е. такое напряжение при приложении которого к диоду, диод выходит из строя. Пробой диода происходит в т. Е. Проекция точки Е на ось напряжений даст нам среднее значение напряжения пробоя UСР = 3000 B. При помощи выражения (1.1) найдем искомое напряжение

U(BR ) = 3000 π = 9425 B.

2. Для нелавинных диодов напряжение пробоя и повторяющееся импульсное обратное напряжение, т.е. такое, которое может выдержать диод не чаще, чем 1 раз за период (0,02 сек.), связаны между собой следующим соотношением

	U(BR ) =1,33 URRM .			(1.2)
	Отсюда получим	U(BR)
	URRM =		.	(1.3)
		1,33

URRM = 9425/1,33 = 7086 B.

3. По повторяющемуся импульсному обратному напряжению нетрудно определить класс данного диода

K =	URRM	.	(1.4)
100

K = 7086/100 = 70,86 В.

6

Округляя полученное значение в меньшую сторону, найдем, что у данного диода 70 класс.

4. Для определения обратного рабочего импульсного напряжения, т.е. такого, которое длительно может выдерживать диод, воспользуемся следующим выражением

URWM = 0,67·URRM = 67·K.

(1.5)

URWM = 67·70 = 4690 B.

5. У силовых нелавинных диодов неповторяющиеся, т.е. такое, которое может выдержать диод не чаще, чем 1 раз за 50 периодов (1 сек.), и повторяющиеся импульсные обратные напряжения связаны между собой следующим соотношением

URSM = 1,16·URRM = 116·K.

(1.6)

URSM = 116·70 = 8120 B.

6. Из рисунка 1.2 следует, что максимально допустимый средний прямой ток данного диода соответствует проекции на ось токов т. А ВАХ и равен

IFAV M = 3000 A.

7. Среднее прямое падение напряжения при протекании по диоду тока IFAV М соответствует проекции т. А на ось напряжений (рисунок 1.2). Оно равно

UF = 0,9 B.

В соответствии с (1.1), импульсное прямое падение напряжения определится следующим образом

UFM = UF · π .

(1.7)

UFM = 0,9 · π = 2,83 B.

8. Для определения порогового напряжения диода необходимо провести касательную к линейному участку прямой ветви его ВАХ. На рисунке 1.2 это линия KL. Точка пересечения этой линии с осью напряжений (т. L) даст нам искомую величину.

U(TO) = 0,7 B.

7

9. Чтобы найти дифференциальное сопротивление диода нужно построить на линейном участке прямой ветви ВАХ характеристический треугольник, например АВС на рисунке 1.2. Проекции его катетов на оси напряжения и то-

ка ( UF и IF). Тогда

r	=	UF	.	(1.8)
T		IF

rT = (0,9–0,8)/(3000–1800) = 0,083 мОм.

10. Повторяющийся импульсный обратный ток – это ток, протекающий по диоду в обратном направлении, когда к нему приложено повторяющееся импульсное напряжение. Так как по осям на рисунке 1.2 отложены средние значения токов и напряжений, то по выражению (1.1) найдем среднее значение повторяющегося напряжения

URR =

URRM

.

(1.9)

π

URR = 7086 / π = 2256 B.

По обратной ветви ВАХ (рисунок 1.2) определим средний повторяющийся обратный ток, который соответствует напряжению URR

IRR = 1,5 мА.

После этого по выражению (1.1) определим повторяющийся импульсный обратный ток

IRRM = IRR ·π.

(1.10)

IRRM = 1,5 · π = 4,71 мА.

11. Мощность, которая выделяется в диоде при протекании по нему тока IFAV М , может быть найдена по следующей формуле

PF =U(TO ) IFAV M + KФ2 rT IFAV2

M .

(1.11)

PF = 0,7·3000 + (√3)2·0,083·10-3·30002 = 4331 Bт.

8

12. Температура p–n перехода при токе IFAV M определяется выражением

Tj = Ta + PF · Rth ja

(1.12)

Tj = 25 + 4331·0,0167 = 97,33 °C.

13. Tак как параметры, определенные в п. 6, п. 8, п. 9, являются средними величинами, то они могут быть отложены на рисунке 1.2. Параметры, рассчитанные в других пунктах, являются импульсными значениями. Для того, чтобы показать их на ВАХ, требуется построить рисунок 1.2 для амплитудных значе-

ний токов и напряжений, т.е. увеличить масштаб по осям в π раз (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Классификационная ВАХ заданного силового диода класса

K=70 на ток IFAV M = 3000 A

9