Методичка по промышленной электронике

Учреждение образования «Гомельский государственный политехнический техникум»

Заочное отделение

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

по дисциплине

Основы промышленной электроники

Специальность: 2-36 03 31

«Монтаж и эксплуатация электрооборудования»

Составил преподаватель УО ГГПТ Никулин С.А.

Рассмотрены и одобрены На заседании цикловой комиссии

Протокол №___________от__________________________

_________________________________________________

Программой предмета "Основы промышленной электроники" предусматривается изучение учащимися устройства, принципа дей- ствия, параметров и характеристик радиоэлементов и электронных приборов, типовых узлов, применяемых в системах управления производственными процессами.

В результате изучения предмета учащиеся

должны знать:

-важнейшие направления развития и применения промышленной электроники;

-устройство, принцип действия, схемное обозначение, характе-

ристики, область применения элементов электронных устройств, полупроводниковых и фотоэлектрических приборов, интегральных микросхем, приборов для отображения информации;

-принципы построения типовых узлов, применяемых в автомати- ке, преобразовательной и вычислительной технике;

-пути повышения надежности функционирования устройств с ис- пользованием промышленной электроники.

должны уметь:

-собирать схемы для проведения лабораторных работ и выпол- нять эксперименты по исследованию электронных приборов и уст- ройств;

-обрабатывать результаты лабораторных исследований, анализи- ровать их;

-пользоваться контрольно-измерительными приборами, инстру-

ментами при проведении лабораторных работ с учетом требований техники безопасности;

- пользоваться технической и справочной литературой.

Изучение предмета основывается на знаниях, полученных уча- щимися по общеобразовательным предметам, а также по предметам "Теоретические основы электротехники", "Электротехнические ма- териалы”, "Электрические измерения".

В свою очередь данный предмет является базой для изучения профилирующих предметов, выполнения курсового и дипломного проектов.

При изучении учебного материала необходимо соблюдать Меж- дународную систему единиц, Единую Систему конструкторской до- кументации, единство терминологии и обозначений в соответствии с действующими нормами.

Для закрепления теоретических знаний и приобретения необхо- димых практических навыков и умений программой предмета пре-

дусматривается проведение лабораторных работ и одной домашней контрольной работы.

ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТ

Промышленная электроника относится к числу наиболее важных курсов для подготовки современных специалистов электротехнических специаль- ностей - электриков, электромехаников, электроэнергетиков и др. В этом курсе будущие специалисты изучают: основные типы приборов и схем, ис- пользуемых в электронике; принцип действия и особенности линейных,

импульсных и цифровых устройств для обработки сигналов в электронных системах управления и отображения информации; принцип действия и осо- бенности выпрямителей, инверторов и других преобразователей электриче- ской энергии, применяемых в электроприводе, электроэнергетике и т. д.

Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связан- ный с изучением и использованием различных физических явлений, а так- же разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле. Промышленная элек- троника является одним из направлений технической электроники, которое связано с применением электронных приборов и устройств в промышленно- сти, на транспорте, в электроэнергетике.

В свою очередь, в промышленную электронику, обеспечивающую раз- нообразные виды техники электронными устройствами измерения, контро- ля, управления и защиты, а также электронными системами преобразования электрической энергии, входят:

1) информационная электроника, к которой относятся электронные сис- темы и устройства, связанные с измерением, контролем и управлением промышленными объектами и технологическими процессами;

2) энергетическая электроника (преобразовательная техника), связан-

ная с преобразованием вида электрического тока для целей электроприво- да, электрической тяги, электротермии, электроэнергетики.

Промышленная электроника постоянно развивается. Это определяется в первую очередь непрерывным совершенствованием ее элементной базы, которая прошла несколько этапов развития.

Начало развития промышленной электроники было положено создани- ем электровакуумных и газоразрядных приборов. Низкая надежность, сложность эксплуатации, большая потребляемая мощность, громоздкость

реализации явились в последующем тормозящими факторами расширения областей применения электроники. Электровакуумные приборы в настоя- щее время находят ограниченное применение в промышленной электрони- ке, а газоразрядные приборы используются преимущественно в виде элементов индикации.

Современный этап развития информационной электроники характери- зуется широким использованием компонентов микроэлектроники – аналого- вых и цифровых интегральных микросхемам, микропроцессоров, микроконтроллеров и д.р.

Развитие энергетической электроники стимулируется всевозрастающим требованием повышения удельного веса электроэнергии, потребляемой на постоянном токе и на переменном токе нестандартной частоты, а также не- прерывным совершенствованием элементной базы (увеличением единичной мощности силовых полупроводниковых приборов, улучшением их динами- ческих показателей, появлением приборов новых типов).

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Целью выполнения учащимися контрольной работы является:

§закрепление полученных знаний по основным разделам курса предмета;

§проверка умения учащихся самостоятельно решать поставленные задачи описательного и расчётного характера;

§выработка умений использования технической и справочной литерату- ры.

Контрольная работа включает в себя пять заданий по основным разделам предмета: одно теоретическое задание и четыре задания расчет- ного характера.

При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать следующие требования:

§контрольная работа выполняется в тетради объёмом 12 – 18 листов;

§на титульном листе обязательно указывается номер варианта контроль- ной работы;

§в тетради необходимо оставить поля и место в конце для рецензии про- веряющего;

§внимательно читать требования к содержанию ответа на каждое зада- ние;

§выполнение заданий может производиться в произвольном порядке;

§при выполнении расчётов необходимо приводить формулу, а затем вы- числения в развёрнутом виде, с указанием размерности получаемых величин;

§в конце работы обязательно должен быть приведён список используемой литературы;

§оформление контрольной работы должно быть аккуратным и в соответ- ствии с требованиями ЕСКД;

§контрольная работа сдаётся не позднее, чем за две недели перед нача- лом сессии или в соответствии с графиком.

Правильность выполнения контрольной работы оценивается по системе

зачтено / незачтено.

При определенном количестве ошибок и недочетов работа может быть зачтена с условием доработки, что требует от учащегося выполнения

работы над ошибками.

Вариант контрольной работы определяет номер учащегося по списку в учебном журнале

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Галкин В.И., Пелевин Е.В.

Промышленная электроника и микроэлектроника. – Минск, 2000

2. Забродин Ю.С.

Промышленная электроника – М. Высшая школа, 1982

3. Жеребцов И.П.

Основы электроники - Л. «Энергоиздат» , 1990

4. Герасимов В.Г.

Основы промышленной электроники – М. «В.ш.», 1986

5. Криштафович А.К.

Промышленная электроника – М. «В.ш.», 1984 г

6. Горбачёв Г.Н., Чаплыгин Е.Е.

Промышленная электроника - М. «Энергоиздат», 1988

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

При составлении заданий 2, 3 были использованы материалы из практического пособия «Электроника и микропроцессорная техни- ка» - ГГПУ им. Сухого, 2002; задание 4 - ГГПУ им. Сухого

При составлении задания 5 были использованы материалы из книги Преображенского В.И. «Полупроводниковые выпрямители» - М. «Энергоиздат», 1986

ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ЗАДАНИЕ 1 – Элементы электронных устройств

Для создания узлов электронной аппаратуры используются пассивные радиоэлементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности), элек- тронные приборы – электровакуумные, ионные, полупроводниковые (дио- ды, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы), элементы коммутации и др. Используя эти комплектующие элементы создаются уст- ройства, осуществляющие усиление, генерирование, выпрямление и другие преобразования электрических сигналов.

В соответствии с вариантом (таблица 1.1) кратко опишите пять типов элементов электронных устройств. Ответ должен включать:

§для пассивных элементов (резисторы, конденсаторы, катушки индук- тивности) и коммутационных устройств – назначение, основные пара- метры, классификация, условно-графические обозначения;

§для полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы, тиристоры, фотоприборы) - назначение, принцип работы, основные параметры, схе- ма включения, вольтамперная характеристика, условно-графическое обозначение;

§для интегральных микросхем (ИМС) – определение, классификация, особенности конструкции;

§для приборов индикации – назначение, принцип работы, достоинства и недостатки по сравнению с другими видами индикаторов.

Таблица 1.1 – Варианты заданий – элементы электронных устройств

ЗАДАНИЕ 2 – Электронные усилители

Общие сведения

Электронные усилители - это устройства, предназначенные для усиле- ния напряжения, тока и мощности электрического сигнала.

Использование усилителей вызвано тем, что обычно электрические сигналы (напряжения и токи), поступающие в электронные устройства, контроля, управления и преобразования, малы по амплитуде и возникает необходимость увеличивать их до требуемой величины, достаточной для дальнейшего использования (преобразования, передачи, подачи на нагруз- ку).

Структурная схема усилителя

Мощность, выделяющаяся на нагрузке усилителя, является преобразо- ванной мощностью его источника питания, а входной сигнал только управ- ляет ею.

Обычно усилитель состоит из нескольких каскадов усиления, соеди- ненных между собой межкаскадными связями, с помощью которых выход- ной сигнал одного каскада усиления передается на вход следующего. Первые каскады усиления, предназначенные, главным образом для усиле- ния напряжения сигнала, называют предварительными. Их схемное по- строение определяется типом источника входного сигнала. Каскад, служащий для усиления мощности сигнала, называют оконечным или выходным. Их схемотехника определяется видом нагрузки. Так же, в состав усилителя могут входить промежуточные каскады, предназначенные для получения необходимого коэффициента усиления и (или) формирования необходимых характеристик усиливаемого сигнала.

Классификация усилителей:

1)в зависимости от усиливаемого параметра входного сигнала

усилители напряжения, тока, мощности

2)по роду усиливаемых сигналов

-усилители гармонических (непрерывных) сигналов;

-усилители импульсных сигналов.

3)по полосе усиливаемых частот

- усилители постоянного тока; - усилители переменного тока - низкой частоты, высокой, сверхвысокой

ит.д.

4)по характеру частотной характеристики

-резонансные (усиливают сигналы в узкой полосе частот);

-полосовые (усиливают определенную полосу частот);

-широкополосные (усиливают весь диапазон частот).

5)по числу каскадов усиления

однокаскадные, двухкаскадные, многокаскадные

6)по типу усилительных элементов

-на электровакуумных лампах;

-на полупроводниковых приборах;

-на интегральных микросхемах.

Основные параметры усилителей:

1) Коэффициенты усиления по мощности, по напряжению, по току

- коэффициент усиления по мощности - это отношение мощности, отда- ваемой усилителем нагрузке к мощности, подводимой ко входной цепи.

Кр = Рвых/Рвх ; Кр(dB) = 10 lg (Рвых/Рвх)

- коэффициент усиления по напряжению (по току)

Кu = Uвых/Uвх ; КI =Iвых/Iвх ; Кu· KI=Kp KU(I)(dB) = 20 lg (U(I)вых/U(I)вх)

(коэффициент усиления сильно зависит от f усиливаемого сигнала);

2)Линейные (частотные) искажения - характеризуют неравномерность усиления в полосе пропускания;

3)Нелинейные искажения – характер-т искажение формы усиливаемого сигнала;

4)Рабочий диапазон частот;

5)Чувствительность - наименьшая величина входного сигнала, при кото- рой на выходе создается номинальная мощность;

6)Выходная мощность;

7)Входное и выходное сопротивления;

8)Уровень собственных шумов.

Восновном используются интегральные усилители, что объясняется их более высокой технологичностью, надёжностью, дешевизной и меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с усилителями на дис- кретных элементах.

Интегральные операционные усилители

Операционный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель посто-

янного и переменного тока с большим коэффициентом усиления и глубокой отрицательной обратной связью. За счёт наличия глубокой отрицательной обратной связи коэффициент усиления, свойства и параметры ОУ зависит только от параметров и структуры цепи обратной связи и структуры вход- ной цепи.

Широкое распространение операционных усилителей связано с их уни- версальностью (возможность построения на их основе различных электрон- ных устройств, причём, как аналоговых, так и импульсных), широким диапазоном частот (усиление сигналов постоянного и переменного токов), независимость основных параметров от внешних дестабилизирующих фак- торов (изменение температуры, напряжения питания и др.).

Присутствие в названии слова “операционные” объясняется возможно- стью выполнения данными усилителями ряда математических операций - суммирования, вычитания, дифференцирования, интегрирования и др.

В основном используются интегральные усилители (ИОУ), что объясня- ется их более высокой технологичностью, надёжностью, дешевизной и меньшими массогабаритными характеристиками по сравнению с усилителя- ми на дискретных элементах.

Рассмотрим работу ИОУ на основании амплитудной (передаточной) ха-

При наличии обратной связи на входе усилителя действует входное на- пряжение и напряжение обратной связи, и коэффициент усиления находит-

ся по формуле

К = Uвых/ Uу, (2.2) где Uу = Uвх – Uос

Отрицательная ОС – напряжение обратной связи имеет противопо- ложную полярность (фазу) по отношению к входному сигналу, и поэтому имеет знак “минус”. Т.о. отрицательная обратная связь (ООС) уменьшает коэффициент усиления, но при этом повышает стабильность работы усили- теля, уменьшает нелинейные искажения и расширяет полосу пропускания.

При глубокой ООС коэффициент усиления зависит только от коэффициента обратной связи, что позволяет избавится от влияния нестабильности пара- метров полупроводникового материала, на котором выполняются усилители.

Рисунок 2.5 - Неинвертирующий усилитель

Для обеспечения заданного коэффициент усиления необходимо задать соответствующие значения R1 и R2. Значение R1 выбирается в диапазоне 2 ÷10 кОм. Задавшись значением R1, определяется значение R2.

Данные соотношения относятся и к другим типам ОУ

Знак минус показывает инвертирование фазы (изменение полярности).

Сложение входных сигналов происходит с учётом их полярности.

Также с учётом полярности входных напряже- ний.

Рисунок 2.8 – Вычитающий усилитель

В соответствии с вариантом (таблица 2.1) выполните следующие задания:

1)Начертите схему усилителя заданного варианта;

2)Рассчитайте параметры элементов усилителя – сопротивление рези- сторов R1,R2 и коэффициент усиления К;

3)Рассчитайте и постройте амплитудную (передаточную) характеристи- ку усилителя;

4)Кратко опишите работу усилителя с использованием временных диа- грамм входных и выходного напряжений. Временные диаграммы работы строятся в масштабе по осям напряжения и времени, и синхронно во вре- мени, т.е. друг под другом;

5)Постройте АХ и временные диаграммы, отражающие работу усилителя при увеличении сопротивления R2 в 2 раза.

Таблица 2.1 – Варианты заданий для расчёта ИОУ

При достижении равенства -Uн = -Uс снова произойдёт изменение

состояние Uвых.

Процесс повторяется.

Изменение постоянной времени τ RC-цепи приводит к изменению времени заряда и разряда конден- сатора, а значит и частоты колеба- ний мультивибратора.

Рисунок 3.4 – Временные диаграммы

работы мультивибратора

Кроме того, частота зависит от

параметров ПОС и определяется по формуле:

f = 1/T = 1/2tи = 1/[2τ ln(1+2 R1/R2)] (3.3)

При расчете симметричного мультивибратора обычно известна тре- буемая частота f колебаний. Задаваясь отношением R1/R2≤0.5, из уравне- ния (3.3) определяют τ = RC. В свою очередь, задаваясь величиной С (или R), определяют R (или С).

При расчете несимметричного мультивибратора обычно известны дли- тельность импульса tи и паузы tп. Тогда, определив период Т, находят час- тоту f. Из уравнений (3.4) и (3.5) определяют τи и τп. Задаваясь значением С, определяют Rи и Rп. А из заданного значения R1/R2≤0.5, определяют величину R2, задаваясь R1 (или наоборот). Значения R1, R2, Rи, Rп надо выбирать не менее десятка кОм.

В соответствии с вариантом (таблица 3.1) выполните следующие задания:

1) Начертите схему генератора заданного варианта;

2)Рассчитайте параметры элементов схемы генератора;

3)Постройте временные диаграммы работы: для RC- генератора – Uвых, для мультивибратора - по аналогии с рисунком 3.4. Временные диаграммы работы строятся в масштабе по осям напряжения и времени, и синхронно во времени, т.е. друг под другом;

4)Кратко опишите работу генератора;

5)Постройте временные диаграммы, отражающие работу генератора при увеличении (для нечетного номера варианта) или при уменьшении (для четного) сопротивления резистора R в 2 раза для RC- генератора и R2 в 2 раза для мультивибратора. Проанализируйте работу генератора с изменён- ным значением сопротивления резистора.

Таблица 3.1 – Варианты заданий для расчёта схемы генератора