Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут»
Факультет електроніки
Кафедра звукотехніки та реєстрації інформації
Основи електроніки
Методичні вказівки
до виконання лабораторних робіт
Київ 2011
Вступ
Курс основи електроніки включає в себе 8 лабораторних робіт. Дана збірка містить в собі методичні вказівки щодо їх виконання, а також завдання та персональні варіанти.
В ході виконання лабораторних робіт слід ознайомитися з середовищем моделювання електричних кіл та сигналів Electronics Workbench Multisim, одержати навички побудови і аналізу роботи основних складових блоків програми та досягти високого рівня досвіду в роботі зі складовими електричними схемами.
В даному курсі будуть розглянуті такі основні питання як: особливості нелінійних електричних кіл, дослідження напівпровідникових діодів, напівпровідникового стабілітрона та напівпровідникового тиристора, аналіз роботи біполярних та польових транзисторів, робота операційного підсилювача, а також побудованого на ньому фільтру нижніх частот.
По закінченні виконання курсу лабораторних робіт студент повинен дослідити всі зазначені електричні елементи та кола та навчитися вільно використовувати знання щодо роботи з ними.
Критерії оцінювання та правила оформлення лабораторних робіт
Лабораторні роботи оцінюються за наступними критеріями:
Правильність виконання роботи (правильність моделі схеми, підрахунків і т.д.);
Оформлення роботи за правилами ДСТУ-3008095-К.
Захист лабораторної роботи (відповідь на контрольні питання чи питання, які стосуються виконаної лабораторної роботи )
Правила оформлення лабораторних робіт:
Лабораторна робота має містити в собі наступні пункти: тема роботи, мета, прилади та матеріали, теоретичні відомості, хід роботи, висновки, перелік посилань.
Оформлення роботи за правилами ДСТУ-3008095-К, що стосуються оформлення документації.
Лабораторна робота № 1
Завдання
Тема: Дослідження нелінійних електричних кіл.
Мета: набути навичок зняття вольт-амперних характеристик (ВАХ) лінійних та нелінійних елементів кіл та визначення їх робочих режимів, а також апроксимація їх нелінійних ВАХ.
Короткі теоретичні відомості
Призначення нелінійних елементів в електричних колах
В електричні кола можуть входити пасивні елементи, електричний опір яких істотно залежить від струму або напруги, внаслідок чого струм не знаходиться в прямопропорційній залежності по відношенню до напруги. Такі елементи і електричні кола, в які вони входять, називають нелінійними елементами.
Нелінійні елементи надають електричним колам властивості, недосяжні в лінійних колах(стабілізація напруги або струму, посилення постійного струму та ін.). Вони бувають некеровані і керовані. Перші - двополюсники - призначені для роботи без дії на них впливаючого чинника (напівпровідникові терморезистори і діоди), а інші - багатополюсники - використовуються при дії на них впливаючого чинника (транзистори і тиристори).
Електричні властивості нелінійних елементів представляють вольт-амперними характеристиками I(U) експериментально отриманими графіками, що відображують залежність струму від напруги, для яких іноді складають наближену, зручну для розрахунків емпіричну формулу.
Некеровані нелінійні елементи мають одну вольт-амперну характеристику, а керовані - сімейство таких характеристик, параметром якого є впливаючий чинник.
У лінійних елементів електричний опір постійний, тому вольт-амперна характеристика їх є прямою лінією, що проходить через початок координат (рис. 2.1, а).
Вольт-амперні характеристики нелінійних мають різну форму і розділяються на симетричних і несиметричних відносно осей координат (рис. 2.1, б, в).
Рис. – 2.1 ВАХ пасивних елементів: а - лінійних, б - нелінійних симетричних, в - нелінійних несиметричних
Діод — електронний прилад з двома електродами, що пропускає електричний струм лише в одному напрямі. Застосовується у радіотехніці, електроніці, енергетиці та в інших галузях, переважно для випрямляння змінного електричного струму, детектування, перетворення та помноження частоти, а також для переключення електричних кіл. Напівпровідниковий діод — використовує ректифікаційні властивості p-n переходу, тобто пропускання струму лише в одному напрямку.
Діоди виготовляють з кремнію, германію, селену, та інших напівпровідників.
Розглянемо способи утворення p-n переходу в діоді. Цей перехід не вдається одержати механічним з'єднанням напівпровідників, бо відстань між p і n областями має бути не більшою від міжатомних відстаней. Тому основними методами одержання p-n переходів є сплавлення і дифузія.
Розглянемо германієвий діод з n-електропровідністю. При високій температурі в нього вплавляють індій, внаслідок чого утворюється ділянка з р-електропровідністю. На межі цих ділянок утворюється p-n перехід.
Послідовне з'єднання
При послідовному з'єднанні провідників сила струму в будь-яких частинах кола одна й та ж: I1=I2=I3=…=In
Повна напруга в колі при послідовному з'єднанні, або напруга на полюсах джерела струму, дорівнює сумі напруг на окремих ділянках кола: U=U1+U2+U3+…+Un
Загальний опір усієї ланки кола дорівнює сумі опорів: R=R1+R2+R3+…+Rn
Паралельне з'єднання
При паралельному з'єднанні падіння напруги між двома вузлами, що поєднують елементи кола, однакове для всіх елементів. При цьому величина, зворотня загальному опору кола, дорівнює сумі величин, обернених опорам паралельно включених провідників.ппп
Сила струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює сумі сил струмів в окремих паралельно з'єднаних провідниках: I=I1+I2+I3+…+In
Напруга на ділянках кола і на кінцях всіх паралельно з'єднаних провідників одна й та ж: U1=U2=U3=…=Un
Опір ділянки визначається із рівняння і є сумою провідностей: 1/R=1/R1+1/R2+1/R3+…+1/Rn
Правила Кірхгофа визначають метод розрахунку складних розгалужених електричних кіл. Методика розрахунку розроблена Густавом Кірхгофом.
Перше правило Кірхгофа
В кожному вузлі алгебраїчна сума струмів дорівнює нулю.
При цьому струми, які входять в розгалуження й виходять із нього вважаються величинами різних знаків.
Математично перше правило Кірхгофа можна записати таким чином:
Перше правило Кірхгофа є наслідком закону збереження заряду. Для неперервно розподілених струмів у просторі воно відповідає рівнянню неперервності.
Друге правило Кірхгофа
Для будь-якого замкнутого контура проводів сума електрорушійних сил дорівнює сумі добутків сил струму на кожній ділянці контура на опір ділянки, враховуючи внутрішній опір джерел струму.
Математично друге правило Кірхгофа записується так:
