Тема 2.6.

Электронные генераторы и измерительные приборы.

Колебательный контур. Генераторы LC-типа, принцип работы, назначение элементов. Генераторы RC-типа, назна­чение элементов, принцип действия. Мультивибратор. Генератор пилообразного напряжения.

Лабораторная работа № 7

Измерение амплитуды и частоты исследуемого напряжения с помощью электронного осциллографа.

Литература: Л-1, §26.1-20.9. Л-4, §6.1-6.7.

Вопросы для самопроверки

1. Принцип действия и область применения гзнераторов LС и RС-типа. .

2. Объяснить работу транзисторного мультивибратора,

3. Принцип действия генератора пилообразного напряже­ния. Область применения ГПН.

4. Блок-схома электронного осциллографа.

Тема 2.7. Интегральные схемы микроэлектроники.

Понятие о гибридных, тонкоплёночкых, полупроводниковых интегральных микросхемах. Пассивные и активные элементы, вхо­дящие в микросхему. Соединение элементов и оформление микро­схем.

Литература: Л-1,§21.1-21.9; Л-4, §7.1-7.5.

1. Что называется интегральной схемой микроэлектроники (ИМС)?

2. Что понимают под плёночными и гибридными микросхема­ми?

2. Какие пассивные и активные элементы входят з микро­схему?

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 2

Методические указания к ответу на теоретический вопрос № I.

Для правильного ответа на теоретический вопрос № 1 необходимо изучить материал тем 2.1-2.7 раздела 2 "Основы электроники" и дать подробный грамотный ответ.

Методические указания к решению задачи 1.

Задача относится к расчету выпрямителей переменного тока, собранных на полупроводниковых диодах. При решении задачи следует помнить, что основными параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток Iдоп на который рассчитан данный диод, и обратное напряжение Uобр., которое выдерживает диод без пробоя в непроводящий полупериод.

Обычно при составлении реальной схемы выпрямителя задаются значение мощности потребителя Рd (Вт), получающего питание от данного выпрямителя, и выпрямленное напряжение Ud (В), при котором работает потребитель постоянного тока.

Сравнивая ток потребителя с допустимым током диода Iдоп , выбирают диоды для схем выпрямителя.

Напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод Uв также зависит от схемы выпрямления.

Таким образом, условия выбора диодов для конкретных выпрямления имеют вид:

1. Для однополупериодной схемы: Iдоп ≥Id;Uобр>Uв, Uв= *Ud.

2. Для двухполупериодной схемы со средней точкой : Iдоп ≥Id/2; Uобр>Uв; Uв= *Ud.

3. Для мостовой однофазной схемы: Iдоп ≥Id/2; Uобр>Uв; Uв= *Ud/2.

4. Для однополупериодной трехфазной схемы : Iдоп ≥Id/3; Uобр>Uв; Uв=2,1*Ud.

Таблица 4. Технические данные некоторых полупроводниковых диодов.

Тип диода	IДОП, А	UОБР, В	Тип диода	IДОП, А	UОБР, В
Д207	0,1	200	Д304	3	100
Д209	0,1	400	Д303	3	150
Д210	0,1	500	Д224	5	50
Д211	0,1	600	Д244	5	50
Д217	0,1	800	Д214	5	100
Д218	0,1	1000	Д242	5	100.
Д7Г	0,3	200	Д215	5	200
Д226А	0,3	300	Д243	5	200
Д226	0,3	400	Д231Б	5	300
Д205	0,4	400	Д232Б	5	400
Д221	0,4	400	Д233Б	5	500
Д222	0,4	600	Д234Б	5	600
Д302	1	200	Д305	6	50
КД202Н	I	500	Д224А	10	50
Д224Б	2	50	Д244А	10	50
Д244Б	2	50	Д214А	10	100
Д214В	2	100	Д242А	10	100
Д242Б	2	100	Д215А	10	200
Д243 Б	2	200	Д243А	10	200
Д215В	2	200	Д231	10	300
КД202А	3	50	Д232	10	400
			Д23 3	10	500

Пример 1. Для питания постоянным током потребителя мощностьью Pd=300 Вт при нпряжении Ud = 20 B необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды Д242А.

Решение

1. Выписываем из таблицы параметры диода Д242А: 1доп=10А. Uобр=100В.

2. Определяем ток потребителя

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод

4. Проверяем диод по параметрам I_ДОП и U_ОБР. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям U_ОБР.≥U _B; I_ДОП>Id.

В данном случае второе условие не выполняется, т.к. (1доп= 10А) <( Id= 15А). Первое условие выполняется, так как (Uобр=100В)>((Uв=63В)

5. Составляем схему выпрямителя. Чтобы выполнилось условие

Iдоп > Id надо два диода соединить параллельно, тогда

Iдоп=2*10=20 А; соответственно (Iдоп=20 А) > ( Id= 15А).

П

олная схема выпрямителя имеет вид:

Пример 2.

Для питания постоянным током потребителя мощностью Рd =250 Вт при напряжении Ud=100 В необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя, использовав стандартные диоды типа Д243Б.

Решение

1. Выписываем из таблицы параметры диода Д234Б: Iдоп= 2А, Uобр= 200В.

2. Определяем ток потребителя: Id= Рd/Ud= 250/100= 2,5 А

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод:

Uв=π* Ud =3,14*100 = 314 В.

4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям Uобр > Uв и Iдоп > 0,5* Id. В данном случае первое условие не выполняется, так как (Uобр=200В)<((Uв=314В). Второе условие выполняется,

т.к. 0,5*1(1= 0,5*2,5 = 1,25 А. 1,25 А < 2 А.

Второе условие выполняется, т.к. (1доп=2)>(Id= 0,5*2,5).

5.Составляем схему выпрямителя. Чтобы выполнялось условие Uобр 314B необходимо два диода соединить последовательно, тогда (Uдоп=200*2) >(Uв=3 14). Полная схема

выпрямителя представлена на рис.6

.П ример 3.

Составить схему мостового выпрямителя, использовав один из трех диодов: Д222, КД202Н, Д215Б. Мощность потребителя Рd = 300 Вт, напряжение потребителя Ud=200В.

Р е ш с н и е

Выписываем из таблицы параметры указанных диодов:

Д222: Iдоп=0.4A. Uобр = 600 В .

КД202Н: Iдоп=1А. Uобр = 500 В .

КД215Б: Iдоп=2А, Uобр = 200 В .

2. Определяем ток потребителя: Id=Рd/Ud= 300/200= 1,5 А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод:

Uв=0,5* π *Ud= 1,57* 200 = 314 В.

4. Выбираем диод из условий: 1доп>0,5*Id=0,5* 1,5=0,75 А; Uобр>Uв=3 14 В. Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н: I доп= 1 А(>0,75А), V обр = 500 В (>314 В). Диод Д222 подходит по напряжению (600 В > 314В), но не подходит по току (0.4 А < 0.75 А ).

Диод Д215Б подходит по току ( 2 А>0.75 А ). но не подходит по напряжению (200 В < 314В).

С оставляем схему мостового выпрямителя (рис. 7 ). используя диоды КД202Н.

Рис.7

Пример 4.

Для питания постоянным током потребителя мощностью Рd=2250 Вт при напряжении Ud=150 В необходимо собрать схему трехфазного выпрямителя, использовав стандартные диоды Д243.

Решение.

1. Выписываем из таблицы 4 параметры диода Д243: Iдоп=5A. Uобр = 200 В.

2. Определяем ток потребителя: Id=Pd/Ud= 2250/150= 15 А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод:

Uв= 2,1*Ud= 2,1* 150 = 3 15 В.

4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям , а по напряжению Uобр=Uв. В данном случае первое условие выполняется, т.к. Iдоп= Id/3=5A, а второе условие не выполняется, т.к. (Uобр= 200В)<(Uв=315В). (1_) <ив).

5 .Составляем схему выпрямителя (рис. 4), используя диоды Д243. Чтобы выполнялось условие Uобр≥Uв необходимо в каждой фазе 2 диода соединить последовательно:

Uобр = 200*2=400В > 315В.

Рис. 8.

Методические указания к решению задачи 2.

В этой задаче надо составить схему из элементов, указанных на рисунке. Для этого необходимо найти в учебнике раздел, к которому относится схема, и изучить принцип действия данного устройства. Составить схему, объяснить назначение каждого элемента

и ответить на вопрос своего варианта задания.

Пример. Составить схему усилителя низкой частоты на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, из эле­ментов,указанных на рис.9. Объяснить назначение элементов схемы. Дать определение коэффициента усиления по напряжению.

Рис. 9.

Решение.

Схема усилителя низкой частоты представлена на рис. 10.

Рис.10.

В транзисторных усилителях положение рабочей точки определяется током базы транзистора, который зависит от разности потенциалов между базой и эмиттером Uбэ. Напряжение за­дается потенциометрическим делителем напряжения R1, R2 и определяется соотношением ; IД =ЕК/(R 1+R 2)– ток делителя. Для повышения устойчивости работы усилителя при различных температурах кроме фиксации положения рабочей точки не­обходима температурная стабилизация. Цепочка RЭ, CЭ осущест­вляет стабилизацию с помощью отрицательной обратной связи по постоянной составляющей тока эмиттера. Переменная составляющая тока эмиттера проходит через конденсатор СЭ. Постоянная составляющая тока эмиттера вызывает на стабилизирующем резисторе RЭ падение напряжения IЭ*RЭ. Если с повышением температуры увеличится ток коллектора IK, то увеличится ток эмиттера IЭ, в результате разность потенциалов UБЭ уменьшится настолько, что точка покоя не изменит своего по­ложения. Конденсаторы С₁ и С₂ не пропускают постоянную составляющую входного и выходного сигнала, чтобы исключить искажения усилителя.

ЕК - источник коллекторного напряжения, за счет энергии которого происходит усиление, UВХ – входной сигнал, который следует усилить. Коэффициент усиления по напряжению определяется отноше­нием выходного напряжения усилителя к входному напряжению К=U_ВЫХ/U_ВХ.

Методические указания к решению задачи 3.

Эта задача относится к расчету параметров и характеристик транзисторов.

При включении транзистора с общим эмиттером управляющим является ток базы. Рассмотрим примеры расчета параметров транзисторов.

Пример 5.

Д

В

А

ля транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, определить коэффициент усиления h_21Э по его входной его входной (рис. 11) и выходным (рис. 12) характеристикам если U_БЭ=03В, U_КЭ=25В. Подсчитать коэффициент передачи по току h_21б, мощность на коллекторе Р_К и сопротивление в цепи коллектора R_К. Напряжение питания Е_К= 40 В.

26

Р

19

ешение.

1. По входной характеристике (рис. 11) определяем при U_БЭ= 0,3В ток базы

I_Б=300 мкА.

2. По выходным характеристикам (рис. 12) для U_КЭ = 25 В и I_Б = 300 мкА определяем ток коллектора I_К = 26 мА в ра­бочей точке А.

3. На выходных характеристиках строим отрезок АВ, из которого находим

Δ_IK =I_K1A- I_K2B= 26-19=7 мА.

Δ_IБ= I_Б1A- I_Б2B =300-200= 100 мкА= 0,1мА.

4. Определим коэффициент усиления h_21Э = Δ_IK/ Δ_IБ = 7/0,1=70 при U_КЭ =25В.

5. Определяем коэффициент передачи по току

h_21Б = h_21Э /( h_21Э +1)= 70/(71+1)= 0,98.

6. Определяем мощность на коллекторе Р_К=25* U_КЭ *I_KA=25*26=650 мВт= 0,65 Вт. (напоминание: I_KA- ток коллектора в рабочей точке «А»).

7. Определяем сопротивление в цепи коллектора Р_К из уравнения для коллекторной цепи усилительного каскада:Е_К=U_КЭ+I_K*R_K; 577 Ом.

Пример 6.

Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером найти ток базы I_Б, ток коллектора I_К, напряжение на коллекторе U_КЭ, если U_Б =0,2В, напряжение питания Е_К=20В, сопротивление нагрузки в цепи коллектора R_K =0,8кОм.

Входная и выходные характеристики приведены на рис. 13 и рис.14.

Рис.13 Рис.14

Решение

1. Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно написать уравнение Е_К=U_КЭ+I_К*R_К.

На семействе выходных характеристик строим вольт-амперную характеристику резистора R_К , удовлетворяющую уравнению U_КЭ= Е_К- I_К*R_К, так называемую линию нагрузки. Точки её пересечения с коллекторными выходными характеристиками дают графическое решение уравнения для данного резистора R_К и различных значений тока базы I_Б.

Уравнение U_КЭ=Е_К-I_К*R_К удобно строить по двум точкам:

1. I_К=0, U_КЭ=20В.

2. U_КЭ=0; I_К= Е_К/R_К=20/800= 0,025 А. ( 0,8 кОм - 800 Ом).

2. Соединяем эти точки прямой и получаем линию нагрузки.

3. Находим на входной характеристике (рис.13) для U_БЭ=0,2 В ток базы I_Б = 150 мкА.

4. Находим на выходных характеристиках (рис.14) точку «А» на пересечении линии нагрузки с характеристикой, соответствующей I_Б = 150 мкА.

5. Определяем для точки А ток коллектора I_К=7,5 мА и напряжение U_КЭ= 15 в..

6. На выходных характеристиках строим отрезок АВ, рассматривая который находим:

ΔI_K = «АВ» = 7,5-2,5 = 5 мА.

Δ I_Б =I_БА- I_БВ =150-100=50 мкА.

7. Определяем коэффициент усиления:

h_21Э= ΔI_K / Δ I_Б = 5*10³/50=100 при U_КЭ=15В.

8. Определяем мощность на коллекторе:

Р_К=U_КЭ*I_К= I5*7,5 = 112,5 мВт.

Методические указания к решению задачи 4.

Данная задача относится к арифметическим действиям, выполненным в двоичной системе счисления.

В электронной вычислительной технике наибольшее распространение получила именно двоичная система счисления. Это объясняется, во-первых, тем, что для реализации любого числа, записанного в двоичной системе, необходим набор электрических или магнитных устройств только с двумя устой­чивыми состояниями, соответствующими нулю и единице. И, во-вторых, простотой реализации арифметических и логических действий при помощи указанных устройств.

В ЭЦВМ над двоичными числами выполняются четыре арифметических действия: сложение, вычитание, умножение и деление, Для того, чтобы ЭЦВМ выполняла необходимые арифметические действия, нужно перевести числа из десятичной системы счисления в двоичную систему. При переводе десятичного числа в двоичное надо последовательно делить его на "2", таким образом, чтобы в остатке при делении получалась "I" или "О ".Полученные остатки записываются, начиная от последнего остатка.

В рассмотренных примерах заданы арифметические действия с десятичными числами. При их решении вначале показано, как перевести эти числа в двоичные, а затем сами операции над числами. В конце каждого примера дана проверка решения, т.е. обратный перевод полученного двоичного числа в десятичное.

При записи чисел для обозначения системы счисления используется понятие «основание системы»- индекс, показывающий количество цифр, используемых в системе (10 в десятичной, 2- в двоичной, например, 563₁₀ ; 1001101₂ и т.д.

При сложении двоичных чисел пользуются следующими правилами:

1+0=1 0+1 = 1 1 + 1 = 10

При сложении необходимо учитывать, что I +1 дают «0» в данном разряде и "1" переноса в следующий разряд. При вычитании двоичных чисел применяются правила:

1-1=0 1-0 = 1 10-1 = 1

Здесь следует помнить, что в двоичной системе запись «10» означает число «2», т.к.

2 можно представить как 0*2⁰+1*2¹.

Пример 1.: Сложить в двоичной системе 51 + 23.

1. Преобразуем десятичное число 51 в двоичное. Для этого последовательно делим 51 на 2 и остаток от каждого деления ( 0 или 1) записываем, начиная с последнего.

2. Аналогично преобразуем число 23.

2. Сложим числа.

1 1 0 0 1 1

+ 1 0 1 1 1

1 0 0 1 0 1 0

3. Проверка. 51+23=74. Преобразуем найденное двоичное число 1001010 в десятичное. Для этого просуммируем значения каждого разряда двоичного числа:

1001010₂= 0*2°+1 *2'+0*2²+1 *2³+0*2⁴+0*2⁵+1 *2⁶=2+8+64=74. Задача решена верно.

Пример 2. Вычесть в двоичной системе 80-43.

Преобразуем двоичные числа в десятичные (см. также предыдущий пример). При достаточных навыках устного счета перевод и запись можно упростиь:

Число	80	40	20	10	5	2	1
Делитель	2	2	2	2	2	2
Остаток	0	0	0	0	1	0	1

80₁₀=1010000₂.

Число	43	21	10	5	2	1
Делитель	2	2	2	2	2
Остаток	1	1	0	1	0	1

43₁₀=101011₂.

Выполним вычитание:

1 0 1 0 0 0 0

- 1 0 1 0 1 1

=1 0 0 1 0 1.

Проверка решения: 80-43=37.

1*2⁰+0*2¹+1*2²+0*2³+0*2⁴+1*2⁵=1+4+32=37. Расчет верен !

Пример 3. Умножить в двоичной системе 21 х 5.

Число	21	10	5	2	1
Делитель	2	2	2	2
Остаток	1	0	1	0	1

21₁₀=10101₂.

Число	5	2	1
Делитель	2	2
Остаток	1	0	1

5₁₀=101₂.

Выполним умножение:

1 0 1 0 1

Х 1 0 1

=1 0 1 0 1

+1 0 1 0 1

=1 1 0 1 0 0 1.

Проверка решения: 21*5=105.

1*2⁰+0*2¹+0*2²+1*2³+0*2⁴+1*2⁵+1*2⁶=1+8+32+64=105. Расчет верен !

Приложение 1. ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Республиканский заочный автотранспортный техникум. Общая электротехника с основами электроники. Программа и методические указания. Н. Новгород, 1996.

2. Петленко Б.И. Электротехника и электроника, М.: «Академия»,2004 г.

3. Новиков П.И., Кауфман В.Я., Толчев О.В., Задачник по электротехнике. – М: ПрофОбрИздат, 2001 г.

4. Данилов И.В., Иванов П.М. Дидактический материал по общей электротехники с основами э лектроники. – М.: Высшая школа, 1997.

5. Емельянов В. А., Масленников В.В. Общая электротехника с основами электроники. Руководство по проведению лабораторных работ для учащихся средних специальных заведений. – М.: Высшая школа. 1989.

6. Методические рекомендации по преподаванию предмета «Общая электротехника с основами электроники» (Сб. статей), вып.1. 1982; вып.2. 1984; вып.3. 1985; вып.4. 1988 и т.д. 7.

7. Действующие государственные стандарты, используемые в электротехнике и электронике.

ГОСТ 2.710-81 Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

ГОСТ 2.702-75. Правила выполнения электрических схем.

ГОСТ 2.721-74 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.

ГОСТ 2.722-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Машины электрические.

ГОСТ 2.723-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, автотрансформаторы и магнитные усилители.

ГОСТ 2.725-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Устройства коммутирующие.

ГОСТ 2.727-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Разрядники, предохранители.

ГОСТ 2.728-74 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы, конденсаторы.

ГОСТ 2.729-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы электроизмерительные.

ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

ГОСТ 2.731-81 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы электровакуумные.

ГОСТ 2.732-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Источники света.

ГОСТ 2.737-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Устройства связи.

ГОСТ 2.743-91 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.

ГОСТ 2.747-68 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Размеры условных графических обозначений.

ГОСТ 2.755-87 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Устройства коммутационные и контактные соединения.

ГОСТ 2.759-82 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы аналоговой техники.

ГОСТ 2.764-86 ЕСКД. Обозначения условные графические в электрических схемах. Интегральные оптоэлектронные элементы индикации.

Приложение 2. Условные графические обозначения часто встречающихся элементов и устройств, применяемых в электротехнике и электронике.

Приложение 2. Условные графические изображения.

Аннотация.

Предлагаемая методика представляет собой электронный вариант (версия 1.2011) отредактированных и дополненых Методических указаний Республиканского заочного автотранспортного техникума, (Н. Новгород, 1996). Эти методические указания много лет применяются в процессе обучения студентов заочного отделения Челябинского Автотранспортного техникума и показали достаточную эффективность. Некоторым недостатком методики является то, что часть приведенных справочных материалов требует обновления (в частности, справочные данные полупроводниковых диодов), а часть задач в настоящее время потеряли актуальность. По мере доработки методики на сайте ЧАТТ будут представлены следующие ее версии.

Методика предназначена для студентов и преподавателей ЧАТТ.

Редактирование и подготовка электронного варианта методики сделаны преподавателем дисциплины «Электротехника и электроника» ЧАТТ Руттером И.М.