Электроника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

ГУМАНИТАРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

"Электроника”

Методические указания к контрольной работе

Для студентов специальности 140400

заочной формы обучения

г. Черкесск, 2013 г.

Рукопись одобрена на заседании кафедры «Электрических и информационных технологии».

Протокол № 1 от 01.01.2001г.

Рекомендована к изданию учебно-методическим советом Северо-Кавказской государственной гуманитарно-технологической академии.

Рецензенты:

Доцент кафедры Электроснабжение, к. т.н.

Содержат перечень основных вопросов по теоретическому курсу, литературу, задания и порядок выполнения контрольной работы.

Введение

Широкое внедрение электронных средств во все сферы человеческой деятельности определяет большой объем технических, эксплуатационных и экономических требований, как к самим электронным средствам, так и к составляющим их основных узлов.

Цели и задачи изучения дисциплины

Дисциплина "Электроника" является общетехнической базовой для изучения специальных дисциплин, предусмотренных государственным образовательным стандартом.

Целью преподавания дисциплины является обеспечение ясного понимания студентами физических принципов работы, методов изготовления и возможностей применения электронных устройств на полупроводниковых приборах, задач, решаемых с помощью электронных устройств, а также формирование представлений о математических методах их анализа и проектирования.

При изучении дисциплины студенты должны изучить основные этапы полупроводниковой технологии, освоить теорию полупроводниковых приборов и их использование в электронных схемах. Полученные в лекционном курсе знания используются студентами на практических занятиях, расчете контрольных заданий и при выполнении лабораторного практикума для изучения режимов работы и возможностей применения полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Связь с другими дисциплинами

Дисциплина "Электроника" базируется на знаниях студентов, приобретенных в курсах общей физики и математики, теории цепей и сигналов, электротехники.

Знания, умения и навыки, которые должен приобрести студент в результате изучения дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны:

• знать назначение, области применения и физические принципы работы основных электронных устройств;

• уметь пользоваться справочной литературой для выбора элементов электронных схем, производить необходимые расчеты, составлять математическое описание функционирования устройств и определять их характеристики;

• иметь представление о современном состоянии вопроса в области электронных систем и устройств, их совершенствовании, о тенденциях в развитии элементной базы и конструктивных особенностях используемых устройств.

ПРОГРАММА

1. Основные задачи, решаемые электронной техникой.

Обработка и передача информации посредством электрических сигналов. Аналоговые и цифровые устройства. Основные операции, выполняемые над сигналами электронными устройствами. Основные виды преобразования электрической энергии электронными устройствами. Технологии проектирования современных электронных устройств.

2. Основы полупроводниковой технологии.

Электропроводимость полупроводников. Типы электрических переходов. Теория p-n перехода. Основные и неосновные носители заряда. Движение свободных носителей. Способы управления проводимостью в полупроводниках. Перенос и рассеяние носителей в полупроводниках. Математическое моделирование p-n перехода. Уравнения, статические и динамические характеристики. Высокочастотные свойства, барьерная емкость p-n перехода. Пробой p-n перехода. Барьер Шоттки.

3. Диоды.

Вольтамперные характеристики (ВАХ), динамические свойства, основные справочные параметры. Эквивалентная схема замещения диода. Диод под внешним напряжением. Стабилитрон. ВАХ, эквивалентная схема замещения стабилитрона, справочные параметры. Применение стабилитронов. Туннельный диод.

4. Биполярный транзистор.

Теория работы и принцип действия биполярного транзистора. ВАХ транзистора. Четыре режима работы транзистора (отсечка, насыщение, активный и инверсный). Схемы замещения. Н-параметры малосигнальной модели биполярного транзистора и их определение. Высокочастотные свойства биполярного транзистора. Работа транзистора в схеме. Температур-ная стабильность каскадов на биполярном транзисторе.

5. Полевой транзистор.

Теория работы и принцип действия полевого транзистора. ВАХ транзистора. Схема замещения. Основные параметры транзисторов. Высокочастотные свойства полевого транзистора. Работа полевого транзистора в схеме.

6. Тиристор.

Принцип действия, основные характеристики и параметры, области применения тиристоров.

7. Усилитель электрических сигналов.

Усилители различного назначения, их основные характеристики и показатели работы. Линейные и нелинейные искажения. Основные схемы включения активных элементов. Сравнительные характеристики усилительных каскадов. Усилительные каскады на биполярных транзисторах. Анализ по постоянному и переменному токам. Режимы работы транзисторов. Анализ усилителей в области низких и высоких частот. Составной транзистор. Дифференциальный усилительный каскад.

8. Некоторые вопросы общей теории обратных связей применительно к усилительным устройствам.

Влияние отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивление и амплитудно-частотную характеристику усилителя. Проблема устойчивости усилителя с обратной связью.

9. Генератор электрических колебаний.

Генераторы гармонических сигналов и основные принципы их построения. Генераторы сигналов специальной формы. Генератор на туннельном диоде.

10. Операционный усилитель (ОУ).

Принцип работы, основные характеристики и параметры операционных усилителей. Обеспечение статического режима работы ОУ. Функциональные преобразователи сигналов на ОУ. Модель идеального ОУ и ее использование для анализа основных функциональных преобразователей сигналов.

11. Устройства преобразования электрических сигналов.

Умножители и преобразователи частоты. Модуляторы. Детекторы. Масштабные усилители.

12. Источники электропитания электронных устройств.

Диодные выпрямители. Схемы выпрямителей. Стабилизаторы питающих напряжений. Фильтры. Параметрические, компенсационные и импульсные стабилизаторы напряжения.

13. Основы оптоэлектроники и криоэлектроники.

Назначение и характеристики оптоэлектронных приборов. Фотодетекторы. Модуляторы.

14. Основы цифровой электроники.

Преимущества цифровой электроники. Транзисторный ключ. Элементы И, ИЛИ, НЕ. Схемотехника и основные параметры элементов. Основы алгебры логики. Теоремы алгебры логики. Минимизация логических функций. Комбинационные логические устройства. Примеры комбинационных устройств. Цифровые устройства: триггеры, счетчики, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи.

Рекомендации

В настоящих методических указаниях излагаются теоретические сведения о проведении проектных и конструкторских расчетов при разработке и эксплуатации однотактных преобразователей постоянного напряжения с обратным включением диодов.

Теоретический материал подтверждается подробным примером.

В справочной части методических указаний приведены необходимые технические параметры электронных приборов (транзисторов и диодов), наиболее часто используемых.

При выполнении заданий необходимо пользоваться данными методическими указаниями, требования которых являются обязательными. Контрольные задания нужно выполнять после изучения теоретического материала и ответов на вопросы для самопроверки. При возникновении трудностей в решении задач необходимо обратиться за консультацией на кафедру в устной или письменной форме. Ориентировочная трудоемкость выполнения работ в среднем пять часов.

Работу необходимо выполнять в отдельной тетради, на обложке которой указать наименование дисциплины, Ф. И.О., номер зачетной книжки, факультет и курс.

Расчеты, формулы и пояснительный текст следует писать четко и разборчиво, оставлять на странице справа поля шириной около трех см.; схемы и графики необходимо выполнять карандашом или тушью, используя чертежные инструменты. Условные графические обозначения всех элементов схем чертить согласно требованиям ГОСТ ЕСКД. Сложные графики для большей ясности рекомендуется оформлять на миллиметровой бумаге в условно принятом масштабе, удобном для проведения расчетов параметров схем.

Необходимо придерживаться установленных буквенных обозначений используемой электрической величины согласно требованиям ГОСТ ЕСКД.

В процессе расчетов значений искомых величин данной задачи необходимо в соответствии с методическими указаниями провести расчетную формулу, затем поставить в нею численные значения величин с учетом размерности, а затем выполнить численный расчет. Отчет привести с указанием полученной величины.

При расчете сопротивление резисторов и емкости конденсаторов полученный результат необходимо округлить до ближайшего стандартного значения (прил. 3 данных указаний); расчет токов напряжения и других электрических величин проводить с точностью до второй значащей цифры.

В ходе выполнения контрольных заданий важно научиться выбирать по справочникам или каталогу тип резистора (по расчетным значениям сопротивления и рассеиваемой мощности), а также тип конденсатора (по рассчитанным значениям емкости и рабочего напряжения).

Методические указания к расчету и выбору элементов схемы.

В устройствах вторичного электропитания промышленных и большинства бытовых радиоэлектронных приборов применяются однотактные преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение другой величины. Упрощенная схема такого устройства показана на рис.1.

При замыкании ключевого элемента КЛ в первичной обмотке трансформатора появится ток i1, изменяющийся по закону:

,

где L1 - индуктивность первичной обмотки трансформатора;

U Н - напряжение питания;

t - время замкнутого состояния ключа.

При размыкании ключа КЛ полярность на выводах трансформатора, вследствие явления самоиндукции, меняется на противоположную полярность. Открывается диод VD5 и во вторичной обмотке трансформатора появляется ток i1, заряжающий конденсатор фильтра CФ2 (рис.2.)

Закон спада тока i2 во вторичной обмотке трансформатора описывается выражением:

,

где i1* – ток первичной обмотки трансформатора, приведенный ко вторичной обмотке;

L2 - индуктивность вторичной обмотки трансформатора;

UН - напряжение на нагрузке.

Токи i1 и i2 связаны соотношением:

.

Поскольку параметры трансформатора не меняются (т. е.L1 и L2 - const) можно записать:

,

где - коэффициент трансформации.

Для определения i1(t) и i2(t) воспользуемся соотношениями:

,

где: g - коэффициент заполнения.

,

где t u - время установления тока в первичной обмотке трансформатора;

t n - время спада тока во вторичной обмотке трансформатора (рис.3).

Практически g принимает значения 0¸0,5. При снижении Un до минимальной величины, заданной в технических условиях (в задании) коэффициент g меньше или равен 0,5. Для этого индуктивность первичной обмотки трансформатора определяют из выражения:

где Unmin - минимальное напряжение питания;

K - коэффициент трансформации.

Ключевой элемент выбирается из условий коммутации максимального тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора, т. е.

где:h - КПД преобразователя, принимаемого h=0,85.

Выбираем транзистор по параметрам схемы, соблюдая условия:

,

где UКЭmax - максимальное напряжение коллектор-эмиттер;

,

где IКЭmax - максимальный ток коллектора;

R - коэффициент запаса, принимаемый 0,5-0,7;

,

где fгр - граничная частота данного транзистора.

Если , то применяют параллельное включение транзисторов, что усложняет расчеты.

Общее число транзисторов в ключевом элементе определяем по выражению:

,

где RЗ - коэффициент заполнения, рекомендуется принимать R З=2...

Рассчитав общее количество транзисторов, необходимо определить ток коллектора каждого транзистора

и действующее значение тока ключевого элемента

.

Транзистор необходимо проверить на допустимую рассеянную мощность. Для чего необходимо определить статические потери в режимах отсечки и насыщения, и динамические потери при коммутации i1 (рис.4)

Потери в режиме насыщения:

,

где Nпл - число плеч в преобразователе.

- сопротивление транзистора в режиме насыщения.

Потери в режиме отсечки

,

где UКЭ - напряжение на коллекторе, равное напряжению питающей сети;

IКО - ток коллектора в режиме отсечки.

Статические потери в цепи база-эмиттер.

где Ub - напряжение на базовом переходе;

h21 - наименьший коэффициент передачи в схеме с общим эмиттером. Динамические потери в ключевом режиме:

,

где Iклд - действующий ток ключевого элемента;

fпр - частота переключения транзистора;

t - постоянная времени транзистора.

Рекомендуемое значение t = 10 -6;

Rдин - коэффициент динамических потерь. Рекомендуемое значение для нашей схемы Rдин = 0,21.

Суммарные потери в транзисторе не должны превышать предельно допустимые потери.

,

где Рдоп - предельно допустимые потери данного транзистора.

Следует отметить, что ток распределяется между транзисторами ключевого элемента не равномерно из-за разброса параметров транзистора. Для выравнивания этих токов применяют выравнивающие дроссели или дополнительные резисторы в цепи эмиттера. В последнем случае необходимо задаться допустимым разбалансом токов (например, 1/10 от максимального значения тока коллектора) и вычислить значения резисторов по формуле

.

Далее выбирается вентильный элемент VD5 из условий:

1) ,

где:Uобр - обратное напряжение диода.

2) ,

где Iпр доп - прямой ток диода.

В случае, если второе условие не выполняется, необходимо диоды включать параллельно.

Количество диодов, включаемых параллельно, находим из выражения

Емкость конденсатора СФ2 рекомендуется выбрать такой, чтобы постоянная времени разрядной цепи конденсатора была на несколько порядков больше периода коммутации транзистора.

Следующим этапом расчета необходимо определить параметры входного выпрямителя и фильтра.

Рис.5 Схема входного выпрямителя с емкостным фильтром.

Диоды VD1-VD4 выбираются так же из условий:

где Ud обр - обратное напряжение диода

Umax сети - амплитуда сетевого напряжения

и по величине тока Id пр

Емкость С ф1 можно определить из выражения:

где: Кп - коэффициент пульсации напряжения;

Пример расчета

Исходные данные:

1.Определяем ток нагрузки и коэффициент трансформатора:

2.Определяем индуктивность первичной обмотки трансформатора:

3.Определяем амплитуду тока в первичной цепи трансформатора:

и амплитуду тока во вторичной цепи:

Для ключевого элемента выберем транзистор КТ-940А, имеющий электрические параметры:

Так как IК меньше тока трансформатора, то определяем количество транзисторов, включаемых параллельно

5.Действующее значение тока каждого транзистора

6.Определяем величину выравнивающих резисторов в цепи эмиттера

7.Далее определяем потери в транзисторе и сравниваем с предельно допустимой рассеиваемой мощностью.

Данный транзистор обеспечит выбранный режим работы преобразователя.

В качестве диода VD5 выбираем КД-213, имеющий следующие параметры:

Поскольку второе условие не выполняется т. е. , найдем число диодов, включаемых параллельно:

Теперь следует выбрать диоды для входного выпрямителя. Ток из сети определяем из выражения

Для данного случая можем взять диод КД-226А, имеющий следующие параметры:

И величину емкости входного фильтра

Задание

Выполнить расчет элементов однотактного преобразователя электрической энергии, схема которого приведена на рис.1. Исходные данные в таблице 1. Вариант задания соответствует порядковому номеру по журналу. Таблица 1

Варианты и исходные данные к расчету преобразователя.

№	Uп	ΔUп	Рн	Uн	Кн	γ	f	№	Uп	ΔUп	Рн	Uн	Кн	γ	f
В	%	Вт	В	%	кГц	В	%	Вт	В	%	кГц
1	200	12	34	10	1	0,3	5	16	300	10	100	5	10	0,5	15
2	150	20	24	5	1	0,5	8	17	180	5	15	12	3	0,5	20
3	110	13	15	15	0	0,5	10	18	200	10	25	10	2	0,5	25
4	250	25	24	25	2	0,5	15	19	175	45	37	5	4	0,1	25
5	280	45	55	5	5	0,2	25	20	195	10	25	6	10	0,3	10
6	310	24	60	12	6	0,3	35	21	205	7	10	7	5	0,5	35
7	380	12	24	15	2	0,5	10	22	250	3	100	2	10	0,5	50
8	400	10	15	5	1	0,5	8	23	300	12	70	12	6	0,4	100
9	350	15	20	10	2	0,5	15	24	450	10	20	4	5	0,4	150
10	300	12	24	5	3	0,5	50	25	500	10	35	6	7	0,4	200
11	180	10	60	55	0	0,5	15	26	600	5	100	2	1	0,5	80
12	160	24	45	24	0	0,4	10	27	400	12	60	15	8	0,5	50
13	200	30	25	5	5	0,5	8	28	350	15	25	6	10	0,4	40
14	250	30	15	5	3	0,4	12	29	250	10	50	6	5	0,4	40
15	280	15	24	10	2	0,5	10	30	200	11	35	12	10	0,5	15

Приложение

Таблица 2

Электрические параметры транзисторов

Тип транзистора
КТ 838 A	5(7,5)	5	1	1500	1÷1,5	1	70
КТ 839 А	10(10)	5	3	1500	1÷1,5	1	50
2Т 841 А	10(15)	20	5	600	0,95÷1,6	1,1÷1,8	50
2Т 844 А	10(20)	50	3	600	1,5÷2,5	2,5	50
RN 834	15(20)	500	3	500	1,2÷2	1,5	100

Таблица №3

Электрические параметры диодов.

Тип диода
КД 226 Д	800	1,7	1	10
КД 230 Г	800	1,3	3	60
КД 210 Г	800	1	10	30
КД 212 А	200	0,8	1	50
КД 213 А	200	0,8	10	100
КД 2997	200	0,85	30	100

Список литературы

1. , Парфенов электропитания электронных средств: Учебник для вузов. – 2-е издание, 2001.

2. Семенов электроника. – Издательство «Салон – Р», 2001.

3. Алексанян транзисторные устройства повышенной частоты. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

4. Меркулов -измерительная техника и электроника: Методические указания к расчетно-графическим и контрольным работам.-Черкесск: КЧГТИ, 2003.- 15с.

5. Стукач указания по изучению дисциплины «Электроника”.- Томск: ТПУ.- 2008.- 27с.

РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ОТДЕЛ КЧГТИ