Методические указания и задания для контрольных работ по «Промышленной электронике» для студентов-заочников механического факультета.
Нижнекамск
Введение
Одним из основных видов занятий по курсу «Общая электротехника и электроника» является выполнение контрольных работ. Предлагаемые в пособии задания охватывают основной материал курса. При изучении курса студенты приобретают необходимые знания об основных методах расчета и физических процессах, с которыми приходится встречаться в электронике.
Общие методические указания к контрольной работе
Целью контрольной работы является окончательная проверка усвоения студентами соответствующих разделов курса. Приступать к выполнению очередной работы следует после изучения необходимого материала и решения задач из рекомендуемой литературы. При оформлении каждой задачи следует приводить исходную схему с принятыми буквенными обозначениями и числами заданных величин. Все рисунки, схемы и графики должны быть выполнены аккуратно в соответствии с ГОСТами. На осях координат должны быть указаны откладываемые величины и единицы их измерения. При оформлении контрольной работы нужно указывать все необходимые расчетные формулы. Конечный результат должен быть выделен из общего текста. Решение задач не следует перегружать приведением всех алгебраических преобразований. Каждый этап решения должен иметь пояснения. Результаты вычислений записывать с точностью до третьей значащей цифры. В конце работы необходимо привести список использованной литературы, поставить дату окончания работы и свою подпись. Вариант контрольных заданий задается преподавателем.
Контрольные задачи, включенные в методические указания, не охватывают всех разделов программы, поэтому для лучшего усвоения материала студентам помимо обязательных контрольных задач рекомендуется решать задачи на все разделы курса.
Образовательный ГОСстандарт по дисциплине
«Общая электротехника и электроника»
раздел «Электроника»
Схемы замещения, параметры и характеристики полупроводниковых приборов; усилительные каскады переменного и постоянного тока; частотные и переходные характеристики; обратные связи в усилительных устройствах; операционные и решающие усилители; активные фильтры; компараторы; аналоговые ключи и коммутаторы; вторичные источники питания; источники эталонного напряжения и тока; цифровой ключ; базовые элементы, свойства и сравнительные характеристики современных интегральных систем элементов; методы и средства автоматизации схемотехнического проектирования электронных схем.
Задание 1
Ответить на теоретический вопрос.
| Вариант | Вопрос |
| Как влияют примеси на проводимость полупроводника | |
| Электронная (типа n) проводимость | |
| Дырочная (типа p) проводимость | |
| Примесная проводимость | |
| Устройство, условно-графическое изображение (УГИ), вольт-амперные характеристики (ВАХ) точечных и плоскостных диодов | |
| Устройство, УГИ, ВАХ и свойства стабилитрона | |
| Устройство, УГИ, ВАХ и свойства неуправляемого тиристора (динистора) | |
| Устройство, УГИ, ВАХ и свойства управляемого тиристора (тринистора) | |
| p-n переход и его свойства | |
| p-n переход и ВАХ при прямом подключении внешнего источника ЭДС | |
| p-n переход и ВАХ при обратном подключении внешнего источника ЭДС | |
| Классификация, УГИ, области использования полупроводниковых резисторов | |
| Классификация, УГИ, ВАХ, области использования полупроводниковых диодов | |
| Классификация, УГИ транзисторов | |
| Схема температурной стабилизации биполярного транзистора | |
| Классификация и требования, предъявляемые к усилителям | |
| Режим усиления А (линейное усиление) | |
| Режим усиления В (режим отсечки) | |
| Усилители напряжения низкой частоты | |
| Усилители мощности | |
| Усилители постоянного тока | |
| Классификация выпрямителей | |
| Принцип действия и схема однофазного выпрямителя | |
| Принцип действия и схема двухфазного выпрямителя | |
| Трехфазный выпрямитель с выведенной нейтралью | |
| Трехфазный выпрямитель (схема Ларионова) | |
| Классификация, схемы включения и применение сглаживающих фильтров | |
| Виды обратных связей, используемых в электронных устройствах | |
| Дрейф нуля и способы борьбы с ним | |
| Принцип действия и схема генератора пилообразного напряжения (ГЛИН) | |
| Классификация генераторов и условия самовозбуждения автогенератора | |
| Принцип действия и схема LC-автогенератора | |
| Принцип действия и схема RC-автогенератора | |
| Схемы положительных обратных связей, используемых в автогенераторах | |
| Генераторы прямоугольных импульсов (релаксаторы). Мультивибратор | |
| Схема генератора, работающего в режиме ожидания (одновибратора) | |
| Схема триггера на транзисторах | |
| Схема и описание работы операционного усилителя (масштабирующего) | |
| Схема и описание работы суммирующего операционного усилителя | |
| Схема и описание работы интегрирующего операционного усилителя | |
| Схема и описание работы дифференцирующего операционного усилителя | |
| Виды и параметры импульсов | |
| Логические элементы (схема отрицания НЕ на транзисторах) | |
| Логические элементы (схема сложения ИЛИ на транзисторах) | |
| Логические элементы (схема логического умножения И на транзисторах) | |
| Свойства импульсных устройств |
ВЫПРЯМИТЕЛИ
Общие сведения о выпрямителях
Выпрямителями называют устройства, в которых с помощью электрических вентилей происходит выпрямление переменного тока.
Электрическим вентилем называют прибор, электрическое сопротивление которого в большой мере зависит от направления тока.
На рис. 1. показана вольтамперная характеристика идеального вентиля (кривая 1), у которого при прохождении тока в прямом направлении внутреннее сопротивление равно нулю, а при прохождении тока в обратном направлении — бесконечности. Кривая 2 является вольтамперной характеристикой ионного прибора (газотрона или ртутного вентиля), у которого сопротивление в прямом направлении мало, а в обратном направлении приближается к бесконечности. Вольтамперная характеристика полупроводникового вентиля (кривая 3) показывает, что сопротивление вентиля в прямом направлении во много раз меньше сопротивления в обратном направлении. Из вольтамперной характеристики электронного вентиля (кривая 4) видно, что его внутреннее сопротивление в прямом направлении больше, чем у полупроводниковых и ионных вентилей, а в обратном направлении равно бесконечности.
Сопротивление вентиля в прямом направлении
(1)
Электрические вентили, предназначенные для работы в выпрямителях, должны обладать по возможности малым сопротивлением Rпр, минимальным обратным током Iобр и достаточно большим обратным напряжением Uобр. Кроме того, вентиль должен потреблять минимальное количество энергии.
 |
Рис. 1. Вольтамперные характеристики идеального (кривая 1), ионного (кривая 2), полупроводникового (кривая 3) и электронного (кривая 4) вентилей
Основными элементами, входящими в схему выпрямителя, являются: один или несколько вентилей, пропускающих ток в одном направлении, сило вой трансформатор, согласующий величину выпрямленного напряжения U oс напряжением, действующим в сети переменного тока U1 и сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации выпрямленного тока. Кроме того, в схему выпрямителя могут входить вспомогательные трансформаторы для питания цепей накала ламп, стабилизаторы напряжения и другие вспомогательные элементы.
Обязательным для каждого выпрямителя является наличие вентилей; некоторые выпрямители работают без сглаживающих фильтров, некоторые — без силового трансформатора, если выпрямленное напряжение согласуется с напряжением сети переменного тока.
По количеству фаз различают однофазные и многофазные выпрямители: по прохождению тока через вторичную обмотку трансформатора — однотактные выпрямители, у которых ток через вторичную обмотку трансформатора проходит только в одном направлении, и двухтактные выпрямители, у которых ток во вторичной обмотке трансформатора проходит в обоих направлениях.
Однотактные выпрямители
Однофазный однотактный однополупериодный выпрямитель. Простейший однофазный однотактный выпрямитель (рис. 2, а) состоит из силового трансформатора Тр и вентиля В. Рассмотрим в этом параграфе работу выпрямительных схем без сглаживающих фильтров. Процесс выпрямления переменного тока показан графически на рис. 2, б в предположении, что вентиль является идеальным.
Рис. 2. Однофазный однотактный однополупериодный выпрямитель и графическое пояснение его работы
Замена реального вентиля идеальным не вызывает больших погрешностей при технических расчетах выпрямителей, но сильно упрощает изучение процессов, происходящих в выпрямителе. Максимальное значение тока, проходящего через вентиль,
(2)
Полусинусоидальный ток, показанный на рис. 2. б, можно разложить в гармонический ряд
Первое слагаемое этого ряда
(4)
не зависит от частоты и называется постоянной составляющей выпрямленного тока.
Второе слагаемое
(5)
называется переменной составляющей выпрямленного тока и имеет частоту питающей сети 
. Следующие члены ряда называются высшими гармониками выпрямленного тока. Амплитуды высших гармоник значительно меньше амплитуды I max поэтому при расчете однополупериодного выпрямителя ими обычно пренебрегают.
Коэффициентом пульсаций выпрямленного тока называют отношение амплитуды наиболее ярко выраженной гармоники выпрямленного тока или напряжения к постоянной составляющей выпрямленного тока или напряжения Для однополупериодного выпрямителя
(6)
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения
U0 = I0RH. (7)
Для однополупериодного выпрямителя, пользуясь соотношениями (2) и (7), найдем:
(8)
т. е. постоянная составляющая выпрямленного напряжения составляет 0,45 от действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора.
Соотношение (8) дает возможность найти вторичное напряжение трансформатора по заданному значению U0.
Пример 1. Однополупериодный выпрямитель должен иметь постоянную составляющую выпрямленного напряжения Uo = 2500В. Пренебрегая внутренним сопротивлением вентиля, определить необходимое напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Решение. Для определения U 2 воспользуемся формулой (8)
Обратным напряжением выпрямителя называют максимальное значение отрицательного напряжения, появляющегося на аноде вентиля во время отрицательных полупериодов вторичного напряжения силового трансформатора. Для однополупериодного выпрямителя с фильтром обратное напряжение максимально в режиме холостого хода, т. е. при токе нагрузки, равном нулю,
Uобр =6,28U0 (9)
Двухполупериодный однотактный выпрямитель. Двухполупериодный выпрямитель (рис. 3, а) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на
|
Рис. 3. Двухполупериодный однотактный выпрямитель и графическое пояснение его работы
общую нагрузку. Напряжения, питающие вентили B 1 и В 2, должны быть одинаковы по величине и сдвинуты между собой по фазе на 180°. Для этого вторичную обмотку трансформатора выполняют с выведенной средней точкой, а вторичные напряжения 
получают между средней точкой обмотки и ее концами. Графически процесс выпрямления показан на рис. 3, б. Во время первых полупериодов ток i a1 проходит через вентиль В1, а во время вторых полупериодов ток i а2 проходит через вентиль В2. Через сопротивление нагрузки R нтоки ia1 и ia2 проходят в одном направлении. При двухполупериодном выпрямлении постоянная составляющая выпрямленного тока в два раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе
(10)
Следовательно, выпрямленное напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя
Uo = 0,9U2. (11)
Величина обратного напряжения в двухполупериодном выпрямителе
Uобр = 3,14U0. (12)
Коэффициент пульсаций q 1= 0,667.
При вычислении коэффициента пульсаций двухполупериодный выпрямитель рассматривают как двухфазный выпрямитель, напряжения обеих фаз которого сдвинуты между собой на 180°. Коэффициент пульсаций связан с числом фаз т выпрямителя простым соотношением:
(13)
Этой формулой нельзя пользоваться для вычисления коэффициента пульсаций однополупериодного выпрямителя, так как при т = 1 знаменатель дроби в формуле (13) обращается в нуль. Частота пульсаций в многофазном выпрямителе в т раз больше частоты сети. Двухполупериодные выпрямители применяются для питания приемно-усилительных ламп в электронных усилителях и генераторах малой мощности, а также для питания ламп в радиоприемниках и телевизорах.
Трехфазный однотактный выпрямитель. Принципиальная схема выпрямителя трехфазного переменного тока показана на рис. 4, а. Как видно из рис. 4, б, пульсация тока в этом выпрямителе значительно меньше, чем в однофазном двухполупериодном, поэтому такой выпрямитель может работать даже без фильтра. В этой схеме могут применяться как полупроводниковые, так и электронные и ионные вентили.
Ток через любой вентиль и связанную с ним фазу вторичной обмотки трансформатора проходит в течение одной трети периода, т. е. тогда, когда напряжение соответствующей фазы выше, чем напряжение в двух других фазах. Ток через два других вентиля в эту треть периода проходить не может, так как потенциалы анодов этих вентилей будут
Рис. 4. Трехфазный однотактный выпрямитель и графическое пояснение его работы
ниже потенциалов их катодов. Переход тока от одного вентиля к другому происходит в точках пересечения положительных полупериодов напряжения (рис. 4, б). Выпрямленное напряжение
(14)
т. е.
U0=1,17U2.
Среднее значение тока, протекающего через вентиль,
(15)
Обратное напряжение
Uo6p = 2,09U2. (16)
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора
(17)
Коэффициент пульсаций
(18)
Трехфазные однотактные выпрямители применяются для питания анодов мощных радиоламп и питания маломощных двигателей постоянного тока.
