Д6250-2 Дорошков АВ Общая электротехника и электроника Ч2

УДК 621.3

Дорошков А.В. Общая электротехника и электроника. Ч. 2: Метод. указания к контрольным работам № 3 и 4 для студентов на- правлений 220200 и 220301 очной и заочной форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2010. – 32 с.

Даны варианты заданий и приведены методические указания для выпол- нения двух контрольных работ (расчет усилительного каскада с общим эмитте- ром и расчет усилителя переменного тока низкой частоты на операционных уси- лителях) по курсу «Общая электротехника и электроника» для студентов по на- правлению подготовки бакалавров – 220200 «Автоматизация и управление» и по направлению подготовки дипломированных специалистов – 220301 «Автомати- зация технологических процессов и производств пищевой промышленности».

Указания содержат таблицы с основными параметрами биполярных тран- зисторов, интегральных операционных усилителей и полупроводниковых стаби- литронов. Приведены требования к содержанию пояснительных записок и гра- фической документации.

Рецензент Канд. техн. наук, доц. Ю.А. Рахманов

Рекомендованы к изданию редакционно-издательским советом уни-

верситета

©Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2010

2

Введение

Курс «Общая электротехника и электроника» изучается в тече- нии двух семестров студентами направления подготовки бакалав- ров – 220200 «Автоматизация и управление» и направления подго- товки дипломированных специалистов – 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств пищевой промышленно- сти» всех форм обучения.

Во втором семестре изучения дисциплины студентами дневной и заочной форм обучения выполняются две контрольных расчетно- графических работы № 3 и № 4. Студенты сокращенной формы обу- чения выполняют одну расчетно-графическую работу № 4.

Номер варианта определяется по последним двум знакам шиф- ра зачетной книжки. Если получается число больше 30, то номер ва- рианта определяется по предпоследней цифре шифра зачетной книж- ки.

Контрольные работы присылаются по мере их выполнения, но не позже, чем за 10 дней до начала учебной сессии. При необходимо-

сти студенты заочной формы обучения могут получить консультацию в письменной или устной форме на кафедре.

При изучении курса рекомендуется пользоваться литературой, список которой приведен на с. 30 настоящих методических указаний.

Требования к оформлению контрольных работ

К контрольным заданиям, присланным на проверку, предъяв- ляются следующие требования:

1.Работа должна быть выполнена на листах формата А4 руко- писным или машинописным способом. С левой стороны на листах должно быть оставлено поле шириной 20 мм, а справа – 10 мм.

2.Схемы электрические принципиальные рассчитываемых устройств должны быть выполнены в соответствии с действующими стандартами на белой бумаге либо на миллиметровке (ксерокопии схем не принимаются).

3.Условия решаемых задач необходимо приводить полностью.

4.Решения задач должны сопровождаться краткими поясне- ниями каждого этапа решения.

5.Вычисления необходимо оформлять следующим образом:

3

расчетная формула в общем виде Þ формула с подставленными чи- словыми значениями величин Þ результат с указанием единиц изме-

рения. Обязательно необходимо расшифровывать используемые обо- значения переменных.

6.При решении задач следует пользоваться единицами систе-

мы СИ.

7.Все вычисления рекомендуется проводить с помощью соот- ветствующих компьютерных программ (например, для производства вычислений и оформления пояснительной записки удобно использо- вать программу «Mathcad», а для выполнения электрических схем – программу «PCAD»). Результаты вычислений записывать с точно- стью до третьей значащей цифры.

8.Если контрольное задание при проверке не зачтено препода- вателем, то все исправления должны быть сделаны студентами в той же тетради после подписи рецензента. Не разрешается вновь пере- делывать всю работу и делать исправления ошибок в первоначаль- ном, проверенном рецензентом тексте. Исправленную работу студент должен выслать на новую проверку вместе с ранее проверенной и ре- цензией на неё.

4

Контрольная работа № 3

РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Цель работы

Рассчитать схему усилительного каскада с общим эмиттером, если заданы: минимальный коэффициент усиления по напряже- нию KU, напряжение на нагрузке UH, сопротивление нагрузки RH, нижняя fH и верхняя fВ граничные частоты полосы пропускания.

Схема каскада приведена на рис. 3.1, а значения исходных дан- ных по вариантам приведены в табл. 3.1.

Рис. 3.1. Схема усилительного каскада по схеме с общим эмиттером

Общие сведения

Рассчитываемая схема представляет собой однокаскадный усилитель переменного тока на биполярном транзисторе VT1, пи- тающийся от однополярного источника постоянного напряжения EП. Транзистор работает в режиме класса А, при котором мгновенные ток и напряжение коллектора изменяются по близкому к синусоидально- му закону, если ко входу усилителя приложено напряжение синусои- дальной формы.

5

При работе транзистора в режиме класса А напряжение покоя коллектора UКП выбирают близким к 0,5EП , а ток покоя коллектора

близким к половине тока насыщения транзистора IКП ≈ 0,5Iнас .

6

Необходимый ток покоя коллектора IКП задается при помощи резистивного делителя RБ1 и RБ2 . Уменьшение величины RБ1 или увеличение величины RБ2 приводит к увеличению тока покоя базы и,

соответственно, к увеличению тока покоя коллектора. Увеличение величины RБ1 или уменьшение величины RБ2 – приводит к умень-

шению тока коллектора. Для уменьшения паразитных изменений то- ка покоя коллектора при изменениях температуры рабочей среды, т.е. улучшения термостабильности каскада, в эмиттерную цепь вклю- чено сопротивление обратной связи RЭ . Чем больше его величина,

тем лучше термостабильность каскада, но тем меньше у него макси- мальное значение выходного напряжения.

От величины тока покоя коллектора и величины коллекторно- го сопротивления RК зависит напряжение покоя коллектора, так как

UКП = EП − IКП RК .

Чем больше ток покоя коллектора, тем меньше напряжение покоя коллектора и наоборот.

Для того, чтобы источник входного сигнала и сопротивление нагрузки не влияли на ток и напряжение покоя транзистора, т.е. на режим работы по постоянному току, в схему введены разделительные конденсаторы СР1 и СР2 . Конденсаторы не пропускают постоянный

ток и в то же время, при должном выборе их емкостей, в рабочем

диапазоне частот они не оказывают существенного сопротивления для прохождения через них переменного тока. Чем больше величины емкостей разделительных конденсаторов СР1 и СР2 , тем более низкие

частоты способен усиливать усилительный каскад.

Конденсатор СЭ в цепи эмиттера шунтирует резистор RЭ и

устраняет тем самым отрицательную обратную связь по переменному току, которая снижает коэффициент усиления каскада по напряже- нию. Величина емкости этого конденсатора определяет низкочастот- ную границу полосы частот усиливаемого сигнала. Чем больше ем- кость, тем меньше нижняя граничная частота fН.

Работа усилительного каскада заключается в следующем.

Входной сигнал синусоидальной формы через разделительный конденсатор СР1 поступает на базу транзистора. Так как для пере-

7

менного тока сопротивление конденсатора СЭ мало, то практически

все входное напряжение оказывается приложенным между базой и эмиттером транзистора.

Положительная полуволна этого напряжения вызывает увели- чение базового тока и, соответственно, увеличивается по синусои- дальному закону ток коллектора. Важно, что изменения тока коллек- тора в десятки и даже сотни раз получаются большими, чем измене- ния тока базы. Увеличение тока коллектора вызывает уменьшение по синусоидальному закону мгновенного напряжения между коллекто- ром и эмиттером. Переменная составляющая этого напряжения через разделительный конденсатор СР2 поступает в нагрузку и таким обра-

зом на сопротивлении нагрузки RН формируется отрицательная по-

луволна сигнала, во много раз большая, чем на входе каскада.

Отрицательная полуволна входного напряжения вызывает уменьшение тока коллектора и вызывает увеличение по синусои-

дальному закону мгновенного напряжения между коллектором и эмиттером. На сопротивлении нагрузки RН формируется при этом

положительная полуволна сигнала.

Сравнивая фазы входного сигнала и сигнала на нагрузке мож- но заметить, что каскад с общим эмиттером осуществляет инвертиро- вание входного сигнала.

Методика расчета

1. Для получения максимального коэффициента полезного действия η усилительного каскада, выбираем

RК = RН .

2. Находим амплитудное значение коллекторного напряжения

UК max = UН 2 .

3. Рассчитываем ток покоя коллектора

IКП = (2,1...2,3)UК max .

RН

8

4.Определяем минимальное напряжение источника питания

EП min = (2,2...2,4)UК max .

5.Из стандартного ряда напряжений источников питания EП

(5, 6, 9, 12, 15, 18, 24, 27, 36, 48) В выбираем ближайший так, чтобы

выполнялось неравенство

EП ³ EП min .

6. Вычисляем значение максимального тока коллектора

IК max = 2IКП .

7. Находим мощность сигнала на нагрузке

U 2 PН = RН .

Н

8. Производим оценку мощности рассеиваемой на коллекторе

транзистора

PК' = (2,1...3)PН .

9. Используя данные табл. 3.2 (или данные кафедральной элек- тронной базы по транзисторам)1 подбираем биполярный транзистор, анализируя его следующие параметры:

– максимально допустимая мощность PКдопmax , рассеиваемая на

коллекторном переходе транзистора;

– максимально допустимое постоянное напряжение между

коллектором и эмиттером U доп в схеме с общим эмиттером;

КЭ max

–максимально допустимый постоянный ток IКдопmax коллектора;

–минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером h21Э min ;

1 Можно воспользоваться и справочными данными транзисторов из интернета, приведенными,

например, на сайте http://cxem.net/sprav/sprav43.php.

9

– граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером fгр .

Транзистор подходит, если выполняется следующая система неравенств:

PКдопmax ³ PК' ;

IКдопmax ³ IК max ;

h21Э min ³ KU ;

fгр ³1,3 fВ ,

10. Рассчитываем сопротивление резистора в цепи эмиттера

11. Определяем значение тока покоя базы

12. Рассчитываем сопротивления резистивного делителя RБ1 и RБ2 выполняя следующие действия:

12.1. Выбираем величину тока IД, протекающего по сопротив- лениям RБ1 и RБ2 (ток делителя напряжения)

IД = (3…5) IБП,

12.2. Находим напряжение покоя базы UБП

UБП = UЭП + UЭ ,

где UЭ = 0,5...0,8 В – падение напряжения на базоэмиттерном пере- ходе, а UЭП ≈ IКП RЭ – падение напряжения в цепи эмиттера.

10