Рабочая учебная программа (стр. 2 )

· математические модели объектов электротехники и электроники, возникающие в них электромагнитные процессы и результаты их анализа;

· методы анализа электрических, магнитных и электронных цепей;

· принципы функ­ционирования, свойства, области при­ме­нения и потенциальные возможности основных электротехнических устройств (машин и аппаратов), электронных приборов и узлов, элек­троизмери­те­льных приборов; основы электробезопасности.

3.2. Уметь:

· описывать и объяснять электромагнитные процессы в электрических цепях и устройствах;

· строить их модели, решать задачи;

· читать электрические схемы электротехнических и электронных устройств;

· составлять простые электрические схемы цепей и их спецификации;

· экспериментальным способом и на основе паспортных (каталожных) данных определять параметры и характеристики типовых электротехнических и электронных устройств;

· грамотно выбирать и применять в своей работе электронные приборы и узлы, электротехнические и электронные устройства и аппараты.

3.3. Владеть:

· навыками планирования и практического выполнения действий, составляющих указанные умения в отведенное на выполнение контрольного задания время, самоанализа результатов, в частности, навыков моделирования объектов и элек­тромагнитных про­цессов с использованием современных вычислительных средств.

4. Структура и содержание дисциплины "Электротехника и электроника"

4.1. Содержание разделов дисциплины

№ п/п	Наименование раздела дисциплины (модуля)	Содержание раздела	Трудоемкость, з. е./часы
1	Основные законы и методы расчёта линей­ных и нелиней­ных электрических цепей постоянного тока	Тема 1.1. Основные понятия и законы электри­че­­ских цепей. Элементы цепи и её топологические параметры. Схемы замещения источников питания и их взаимное преобразование. Закон Ома. Законы Кирхгофа. Классификация цепей. Мощность источника энергии и баланс мощностей. КПД источника энергии. Тема 1.2. Методы анализа линейных цепей по­с­тоянного тока. Эквивалентные преобразования участков цепи. Делитель напряжения. Делитель тока. Метод наложения. Метод законов Кирхгофа. Потенциальная диаграмма. Метод контурных токов. Метод узловых напряжений. Метод эквивалентного генератора. Тема 1.3. Методы анализа нелинейных цепей пос­тоянного тока. Параметры нелинейных элементов (НЭ). Вольт-ам­пер­ные характеристики (ВАХ) НЭ. Способы задания ВАХ НЭ. Графический метод анализа. Метод аналитической аппроксимации ВАХ НЭ. Тема 1.4. Матричные методы анализа цепей посто­янного тока. Граф электрической цепи. Узловая матрица. Контурная матрица. Законы Кирхгофа в матричной форме. Матричное уравнение контурных токов. Матричное уравнение узловых напряжений.	0,67/24
2	Анализ линейных электрических цепей переменного тока	Тема 2.1. Расчёт простых це­пей переменного тока мето­дом векторных ди­­а­грамм. Гармоническое колебание. Представления (в виде временных диаграмм, векторов, комплексных чисел) гармонических функций. Среднее и действующее значения гармонических величин. Метод расчёта с использованием векторных диаграмм. Треугольники сопротивлений и проводимостей ветви. Угол сдвига фаз между напряжением и током в ветвях и на входе цепи. Мощности в цепях гармонического тока. Коэффициент мощности цепи. Тема 2.2. Символический метод анализа цепей пере­менного тока. Комплексные величины и формы их представления. Комплексная схема замещения цепи. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. .Символический метод расчёта цепей. .Комплексная мощность. .Баланс мощностей в комплексной форме. Тема 2.3. Резонансные режимы в цепях гармони­ческого тока. Условия возникновения резонансных режимов в цепях. Частотные характеристики. Резонансные контуры и их параметры (резонансная частота, добротность, полоса пропускания, волновое сопротивление (проводимость). Векторные диаграммы в комплексной плоскости. Энергетика процессов. Тема 2.4. Основы теории четырёхполюсника. Определение четырехполюсника (ЧП). Классификация четырёхполюсников. Уравнения четырёхполюсника. Коэффициенты А- и Н-формы и их определение. Параметры Т- и П-образной схем замещения ЧП. Согласование источника энергии с нагрузкой. Характеристические сопротивления ЧП. Постоянная передачи ЧП. Постоянная ослабления ЧП и её единицы (измерения). Постоянная фазы. Тема 2.5. Индуктивно связанные цепи. Понятие о взаимоиндукции. Взаимная индуктивность. Коэффициент связи двух индуктивных катушек. Согласное и встречное включение катушек. Уравнения электрического равновесия в цепях с индуктивно связанными катушками. Тема 2.6. Трехфазные цепи. Основные определения и понятия трехфазных цепей. Схемы соединения фаз источника и приёмника звездой. Нейтральный провод и его назначение. Векторные диаграммы. Линейные и фазные напряжения и токи. Схемы соединения фаз источника и приёмника треугольником. Мощности в трёхфазных цепях. Способы измерения активной мощности в трёхфазных цепях.	1/36
3	Анализ цепей при несинусоидальных воздействиях	Тема 3.1. Классический метод анализа воздействий на цепь. Основные понятия и правила (законы) коммутации. Анализ переходных процессов в цепях первого порядка. Начальные условия. Постоянная времени переходного процесса. Анализ цепей второго порядка. Апериодический и колебательный процессы и их параметры. Тема 3.2. Операторный метод анализа цепей. Оригиналы и изображения сигналов. Формулы прямого и обратного преобразования Лапласа. Законы Ома и Кир­хгофа в операторной форме. Операторная схема заме­щения. Анализ переходных процессов в цепях первого и второго порядков. Передаточная функция цепи. Частотные харак­теристики цепей (АЧХ И ФЧХ). Диаграммы Боде про­стейших звеньев (ЛАЧХ и ЛФЧХ). Тема 3.3. Анализ электрических цепей при периодиче­ских неси­­ну­соидальных воздействиях. Представление периодических несинусоида­ль­ных фун­к­ций рядом Фурье. Определение периодических несину­соидальных функций. Формы записи ряда Фурье (амплиту­дно-фазовая, тригонометрическая, в комплек­сной форме). Свойства функций, обладающих сим­метрией. Амплитуд­ный и фазовый спектры сигналов. Среднее и действующее значения периодических несинусоидальных функций. Равенство Парсеваля. Расчёт напряжений и токов ветвей и на входе цепи. .Построение спектров входного и выходного сигналов. Коэффициенты выходного сигнала.	0,67/24
4	Электромагнитные устройства, трансфо­рматоры и электрические машины	Тема 4.1. Анализ магнитных цепей. Основные законы магнитных цепей (Ампера. электро­магнитной индукции. полного тока, законы Ома и Кирхгофа для магнитной цепи). Методы расчёта маг­нитных цепей. Прямая и обратная задачи анализа не­разветвлённой цепи постоянного магнитного потока. Расчёт разветвлённых магнитных цепей. Магнитная цепь переменного магнитного потока. Схема замещения и векторная диаграмма катушки со сталью. Тема 4.2. Электрома­гни­т­ные устройства. Электромаг­нитные аппараты (контакторы, пускатели, выключатели) и реле. Тема 4.3. Трансформаторы. Классификация трансформаторов. Однофазный трансформатор. Коэффициент трансформации. Опыты холостого хода и короткого замыкания. Внешняя характеристика. Трехфазный трансформатор. Автотрансформатор. Измерительные трансформаторы напряжения и тока. Тема 4.4. Асинхронные двигатели. Классификация асинхронных машин. Статор и роторы. Вращающееся магнитное поле. Скольжение. Частота вращения ротора. Схемы замещения асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. Электромагнитный вращающий момент. Механическая и рабочие характеристики. Пусковой реостат и его назначение. Регулирование частоты вращения двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. Тема 4.5. Машины постоянного тока. Классификация машин постоянного тока (МПТ). Индук­тор и якорь. Схемы возбуждения МПТ. ЭДС генератора постоянного тока. Характеристики генера­торов (холостого хода, внешние и регулировочные). Электрические схемы замещения двигателей незави­симого, параллельного, после­­до­­ва­тельного и смешанного возбуждений. Враща­ющий мо­мент ДПТ. ПротивоЭДС якоря. Механи­ческие и рабочие характеристики двига­телей постоянного тока. Регулиро­ва­ние частоты вращении ДПТ. Тема 4.6. Синхронные маши­ны. Классификация синхронных машин. Электрическая схема замещения синхронной машины. ЭДС трёхфазного генератора. Реакция якоря при разном типе нагрузок. Внешняя и регулировочная характеристики генератора. Мощность и электромагнитный момент. Подключение генератора к сети. Синхронный двигатель. Частота вращения ротора. Вра­ща­ющий момент и угловая характеристика. Синхронный ком­пенсатор реактивной мощности. Тема 4.7. Микромашины. Классификация микромашин. Универсальный коллек­то­рный двигатель. Асинхронные и синхронные микрома­ши­­ны. Микромашины постоянного тока.	1,76/60
5	Основы аналоговой электроники	Тема 5.1. Элементная база электронных устройств. Свойства р-п перехода. Полупроводниковые диоды. Биполярный транзистор (схемы включения и h-пара­мет­ры). Типы полевых транзисторов. Тиристор. Интегральные микросхемы. Тема 5.2. Источники втори­чного электропитания. Схемы полупроводниковых выпрямителей (однофазные и трехфазные). Сглаживающие фильтры. Формы выпрямленного напряжения. Коэффициенты пульсации и сглаживания. Стабилизаторы напряжения и тока. Управляемый вы­прямитель. Внешние характеристики выпрямителей. Тема 5.3. Усилители электрических сигналов. Структурная схема усилителя. Параметры и характеристики усилителей. Схема усилителя на биполярном транзисторе с общим эмиттером. Эмиттерный и истоковый повторители. Дифференциальный усилитель. Усилитель мощности. Операционный усилитель. Тема 5.4. Параметры импульсов и импульсных устройств Формирователи импульсов посредством RC-цепи. Ограничители уровня на диодах и стабилитронах. Транзисторный ключ. Триггер. Электронный генератор (структурная схема). Условия возбуждения генераторов. LC-генератор. RC-генератор. Аналоговый компаратор напряжений. Генераторы импульсов прямоугольной, треугольной или пилообразной формы.	2/72
6	Основы цифровой электроники и оптоэлектронные приборы	Тема 6.1. Логические основы цифровых уст­ройств. Основные логические операции и таблицы истинности. Элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Реализация сложных логических функций посредством логических элементов. Минимизация логических функций. Запись логических функций в универсальных базисах. Программируемые логические матрицы. Понятия ²комбинационное устройство², ²последователь­ностное устройство². Тема 6.2. Цифровые комбинационные устройства. Шифратор и дешифратор. Мультиплексор и демультиплексор. Цифровой компаратор. Полусумматор и сумматор. Тема 6.3. Цифровые последовательностные устройства. Триггеры RS- T-, D- и JK-типа. Двоичный счётчик. Десятичный счётчик. Регистр (нереверсивный, реверсивный, универсальный). Регистры (последовательные, параллельные и последовательно-параллельные). Арифметико-ло­ги­ческое устройство. Схемы элементов памяти. Запоминающие устройства (ОЗУ, ПЗУ). Тема 6.4. Цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-ци­ф­­ро­­вые преобразователи (АЦП). Дискретизация по времени, квантование по уровню и кодирование аналогового сигнала. Резистивные матрицы: R-2R и с весовыми коэффициентами. Разрядность и разрешающая способность ЦАП. Схема АЦП последовательного счёта. Разрешающая способность и погрешность АЦП. Тема 6.5. Оптоэлектро­н­­­­­ные приборы и индикаторные устройства. Светодиод и фотодиод. Оптопары: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор. Сегментный диодный дисплей и линейные шкалы. Столбиковый индикатор. Логический пробник.	2/72

4.2. Разделы дисциплины и виды занятий

№ п/п	Наименование раздела дисциплины (модуля)	ЛК1	ЛР	ПЗ	СЗ	ТК	СР
1	Основные законы и методы расчёта линей­ных и нелиней­ных электрических цепей постоянного тока	+	+	+		+	+
2	Анализ линейных электрических цепей переменного тока	+	+	+		+	+
3	Анализ цепей при несинусоидальных воздействиях	+	+	+		+	+
4	Электромагнитные устройства, трансфо­рма­то­ры и электрические машины	+	+	+		+	+
5	Основы аналоговой электроники	+	+	+		+	+
6	Основы цифровой элек­троники и оптоэлектронные приборы	+	+	+		+	+

5. Лабораторный практикум

№ п/п	Наименование раздела дисциплины (модуля)	Наименование лабораторных работ	Трудоемкость (з. е./ часы)
1	Основные законы и методы расчёта линей­ных и нелиней­ных электрических цепей постоянного тока	1. Измерение электрических ве­личин и параметров элемен­тов электрических цепей	АЗ: 0,1/3,6 СР (РЧЛР): 0,05/2 Всего: 0,15/5,6
2	Анализ линейных электрических цепей переменного тока	2. Одну из работ: Резонансы в электрических цепях; Пассивный четырёхполюсник; Трёхфазные цепи	АЗ: 0,1/3,6 СР (РЧЛР): 0,05/2 Всего: 0,15/5,6
3	Анализ цепей при несинусоидаль­ных воздействиях	3. Переходные процессы в электрических цепях 1-го и 2-го порядков	АЗ: 0,1/3,6 СР (РЧЛР): 0,05/2 Всего: 0,15/5,6
4	Электромагнитные устройства, трансфо­рма­то­ры и электрические машины	4. Однофазный трансформатор 5. Двигатель постоянного тока или Асинхронный двигатель	АЗ: 0,2/7,2 СР (РЧЛР): 0,1/4 Всего: 0,3/11,2
5	Основы аналоговой электроники	6. Простейшие транзисторные уси­­лители 7. Электронные устройства на операционных усилителях	АЗ: 0,2/7,2 СР (РЧЛР): 0,1/4 Всего: 0,3/11,2
6	Основы цифровой элек­троники и оптоэлектронные приборы	8. Преобразователи кодов 9. Триггеры 10. Цифроаналоговый и аналого-цифровой преобразователи	АЗ: 0,3/11,2 СР (РЧЛР): 0,15/6 Всего: 0,45/16,6

6. Примерная тематика практических занятий, курсовых проектов (работ)

6.1. Примерная тематика практических занятий

СЕМЕСТР 1

1. Анализ электрического состояния электрических цепей постоянного тока. Делители напряжения, тока.

2. Анализ цепей синусоидального тока методом векторных диаграмм.

3. Анализ цепей синусоидального тока с использованием символического метода (комплексных чисел)..

4. Определение параметров пассивных четырехполюсников.

5. Анализ переходных процессов в линейных цепях 1-го и 2-го порядков классическим методом.

6. Анализ переходных процессов в линейных цепях операторным методом.

7. Определение передаточных функций цепей и построение их частотных характеристик.

8. Анализ неразветвленных магнитных цепей (прямая и обратная задача).

9. Определение параметров трансформатора по каталожным данным и построение внешней характеристики.

10. Определение параметров двигателя постоянного тока параллельного возбуждения по каталожным данным и построение механических характеристик.

СЕМЕСТР 2

1. Определение параметров однофазного полупроводникового выпрямителя.

2. Определение параметров транзисторов по их каталожным характеристикам, в том числе h-параметров.

3. Расчет параметров схем транзисторных усилителей напряжения.

4. Анализ электронных устройств на основе операционного усилителя.

5. Изучение работы аналоговых компараторов напряжения.

5. Синтез логических схем на основе базовых элементов.

6. Анализ интегральных преобразователей кодов (шифратора, дешифратора, муль­типлексора, демультиплексора).

7. Анализ математических выражений триггеров и составление на их основе таблиц истинности.

8. Построение схем счётчиков (двоичного, десятичного, с произвольным коэффициентом пересчёта).

9. Анализ интегрального универсального регистра.

6.2. Примерная тематика курсовых проектов (работ)

СЕМЕСТР 1

Тема курсовой работы:

"Анализ электрических цепей переменного тока в установившемся и переходном режимах"

Целью работы является закрепление у студентов навыков анализа и расчёта электрической цепи, представленной в виде пассивного несимметричного четырёх­полюсника.

Содержание работы направлено на решение следующих принципиальных воп­ро­­­сов курса разделов 2 и 3 дисциплины ²Электротехника и электроника²:

· умение вести топологический анализ электрических цепей с целью выбора наи­более эффективных методов их расчёта;

· закрепление навыков применения комплексного метода расчёта (метода узловых напряжений) электрических цепей в установившемся режиме;

· умение использовать метод эквивалентного генератора для нахождения тока в отдельной ветви цепи;

· активное применение удобной для инженерной практики теории четырёхполюсника при исследовании характеристик электронного устройства любой сложности, в частности, определять коэффициенты А-формы цепи, представленной в виде четырёхполюсника, и комплексного коэффициента передачи по напряжению Hu = U2/U1;

· активное использование компьютера для моделирования варианта задания и проверки результатов пошагового его выполнения;

· вести анализ переходных процессов классическим и операторным методами, возникающих в электрической цепи второго порядка при изменении её топологии (при подключении или коротком замыкании резистивного элемента в цепи);

· нахождение передаточной функции цепи по напряжению и на её основе выполнения расчётов и построения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик цепи, переходной и импульсной функций.

СЕМЕСТР 2

Расчётно-графическая работа состоит из двух частей:

Часть 1: ²Расчёт усилителя напряжения². Её целью является закрепление умений расчёта параметров схемы транзисторного усилительного каскада напряжения на биполярном или полевом транзисторе с отрицательной обратной связью по напряжению, выбор элементов схемы в справочниках, вычерчивание схемы усилителя со спецификацией элементов.

Часть 2: ²Расчёт и схемная реализация цифровой системы (фильтра)². Её целью является закрепление умений расчёта и схемотехнического моделирования цифровой системы (нерекурсивного и рекурсивного фильтров) на базе микропроцессора персонального компьютера.

Методические указания к выполнению курсовой работы записаны на компакт-дис­ках, приобретенных в достаточном количестве библиотекой университета и выдаваемых на дом студентам по абонементу, содержат основные теоретические положения и расчётные формулы, варианты заданий и примеры их выполнения, рекомендации по оформлению отчётов. К курсовым работам прилагаются разработанные на кафедре "Электроника и информатика" в среде Borland C++ Builder или Adobe Flash и записанные на компакт-дисках программы моделирования и расчёта электрических цепей и устройств для поэтапного (само)контро­ля выполнения заданий.

7. Образовательные технологии

Организация занятий по дисциплине "Электротехника и электроника" возможна как по обычной технологии по видам работ (лекции, практические занятия, лабораторный практикум, текущий контроль на четных неделях семестров) по диспетчерскому расписанию, так и по технологии группового модульного обучения при планировании проведения всех видов работ (аудиторных занятий и самостоятельной работы по дисциплине) в автоматизированной аудитории с проекционным оборудованием и компьютерами, плюс 16 часов в лаборатории электротехники для проведения лабораторных работ на натурных стендах.

Для этого на кафедре "Электроника и информатика" разработаны и записаны на компакт-дисках программные учебно-методические комплексы (УМК) по электротехнике и электронике, в котором интегрированы электронные образовательные модули, базы данных, совокупность других дидактических средств и методических материалов, обеспечивающих сопровождение учебного процесса по всем видам работ по дисциплине. В УМК совмещены форматы и идеология печатных и электронных уче­б­ных изданий и включены программные средства и ресурсы.

При изложении теоретического материала используются мультимедийные иллюстративные материалы, при проведении практических занятий – мультимедийные многовариантные упражнения, задания и тренажёры, функционирующие как в обучающих, так в контрольных режимах, разработано 37 компьютерных лабораторных работ (20 работ по модулю "Электротехника" и 17 работ по модулю "Электроника"), работающих непосредственно с компакт-диска в разработанной на кафедре среде LabWorks с формированием электронных отчётов по работам и компьютерном тестированием перед защитой каждой работы. Студент выполняет моделирование схем электротехнических и электронных устройств в программной среде Multisum 10, проводит необходимые манипуляции на моделях в соответствии с индивидуальным заданием на выполнение каждой лабораторной работы (номер задания совпадает с номером записи фамилии студента в учебном журнале группы).

8. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, проме­жут­очной аттес­тации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

8.1. Текущий контроль по разделам дисциплины будет проводиться во второй половине каждой чётной недели в виде компьютерного тестирования по 20-25 тестовым заданиям в тесте.