zaLrOavrsu

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

________________________________

КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Методические указания к лабораторным работам

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2014

УДК 621.396: 658.512

Компоненты электронной техники: метод. указания к лаб. работам / сост.: А. Ю. Грязнов, Д. К. Кострин, С. А. Марцынюков, В. Б. Бессонов, К. К. Жамова, Н. Е. Староверов. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. 48 с.

Рассмотрены основные свойства и характеристики пассивных элементов электронной техники. Дается описание лабораторных работ по исследованию линейных и нелинейных резисторов, конденсаторов различных типов, катушек индуктивности, светодиодов, фотодиодов и наиболее распространенных схем однофазных выпрямителей.

Предназначены для студентов, обучающихся по направлению 210100 – «Электроника и наноэлектроника».

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний

© СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

2

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные работы выполняются на унифицированном лабораторном стенде (рис. В.1), содержащем необходимые источники питания, индикатор-

ные устройства и сборочное поле для монтажа исследуемых элементов.

На стенде исследуются свойства пассивных элементов электронных схем и различных выпрямителей. Часть схемы, относящаяся к исследованию пассивных элементов, выделена контуром I, а часть, относящаяся к исследо-

ванию выпрямителей, – контуром II.

В схеме для исследования пассивных элементов (I) переменное напряжение ~220 В, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора Т1, выпрямляется диодным мостом VD1– VD4, пульсации сглаживаются конденсатором С3. К выпрямителю подключен потенциометр R1, с выхода которого напря-

3

жение 0…28 В подается на мощный проволочный резистор R2 трубчатой формы, выполняющий функции нагревателя пассивных элементов.

Внутри стенда имеется 2 стабилизатора напряжения DA1 (+18 В) и DA2 (+5 В). Питание на стабилизаторы подается через RC-фильтр (R4C5). Напря-

жение +18 В используется в исследованиях температурных зависимостей то-

ков утечки конденсаторов и для питания цепи затвора транзистора VT2.

Напряжением +5 В питается мультивибратор DA3 (микросхема NE555),

создающий короткие импульсы частотой около 2 кГц. Эти импульсы далее усиливаются биполярным транзистором VT1 (ВС547) и подаются на затвор ключа на мощном полевом транзисторе VT2 (IRF540). Если включить нагруз-

ку между регулируемым источником напряжения 0…+28 В и стоком транзи-

стора VT2 (выход Mod), то ток в такой цепи будет протекать только в те мо-

менты времени, когда транзистор VT2 открыт. Это дает возможность выде-

лять в низкоомной нагрузке большую импульсную мощность при сохранении небольшой средней мощности. Контроль тока в данном случае ведется с по-

мощью осциллографа, которым измеряется падение напряжения на шунте с

известным сопротивлением (RS3).

В схеме для исследования выпрямителей (II) переменные напряжения

Uac1 и Uac2 (9…12 В), имеющие общую точку СОМ и снимаемые со вто-

ричной обмотки трансформатора T2, подаются на разъем ХР1 (выводы

4, 6, 8). В разъем могут вставляться платы, на которых смонтированы раз-

личные схемы выпрямителей. Выход выпрямленного напряжения (вывод

Udc) может быть подсоединен к нагрузке напрямую через амперметр А (в ка-

честве нагрузки используется последовательное соединение ограничительно-

го резистора Rb1 и переменного резистора Rн1) или с применением фильтра

(соединение L1, С1 и С2 в различных комбинациях). Резисторы RS1и RS2

выполняют функции шунтов для снятия осциллограмм.

Стенд оснащен мультиметром 1, используемым для измерения тока и сопротивления, и мультиметром 2, предназначенным, в основном, для изме-

рения емкости конденсаторов и температуры внутри резистора R2. Для кон-

троля температуры к мультиметру 2 подключена термопара типа К (хромель– алюмель). Стрелочный вольтметр с пределами измерений 0…50 В, служащий в основном для измерения постоянного напряжения, снимаемого с потен-

циометра R1. Все переключения мультиметров должны производиться толь-

ко при выключенном питании стенда.

4

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСТОЯННЫХ РЕЗИСТОРОВ

Цель работы – ознакомление со стандартным рядом номиналов и допустимыми отклонениями от номиналов сопротивлений постоянных резисторов.

1.1. Основные сведения о резисторах

Резистором называют элемент электронной аппаратуры, обладающий свойством активного электрического сопротивления. Основными параметра-

ми постоянных резисторов являются номинальное сопротивление, допусти-

мое отклонение, номинальная рассеиваемая мощность и температурный ко-

эффициент сопротивления.

Номинальное сопротивление – сопротивление, которое указано на кор-

пусе резистора. Значение номинального сопротивления гарантируется во всем рабочем диапазоне температур (обычно от –55 до +70 ° С).

Допустимое отклонение сопротивления резистора – пределы отклоне-

ния сопротивления резистора от его номинального значения (в процентах), за которые не должен выходить дрейф сопротивления в заявленных условиях эксплуатации и в течение гарантированного срока службы. Значению допус-

ка всегда предшествует знак «±», так как реальное значение сопротивления может оказаться выше или ниже номинального.

Номинальная рассеиваемая мощность – это мощность, которую может рассеять резистор в спокойной воздушной среде при нормальном атмосфер-

ном давлении и непрерывной электрической нагрузке без превышения объ-

явленного допуска на значение сопротивления. Мощность (Р), которую рас-

сеивает резистор в конкретной электрической цепи, определяется произведе-

нием проходящего тока (I) и падения напряжения (U):

Р = UI.

Выражая с помощью закона Ома напряжение или ток через сопротивление R, имеем формулы для расчета мощности:

P = I 2R или P = U 2R.

Маркировка резисторов позволяет определить его основные параметры.

Все мощные, прецизионные и большинство резисторов отечественного про-

изводства имеют маркировку, из которой напрямую читаются тип, номи-

нальные мощность и сопротивление, а также допустимое отклонение. На-

5

пример, проволочный резистор типа С5-5 мощностью 8 Вт, имеющий сопро-

тивление 68 Ом и допускаемое отклонение от номинального сопротивления

±1 %, имеет на своем корпусе следующую надпись: С5-5 – 8 – 68 Ом ±1 %.

Как следует из приведенного полного обозначения, единица измерения но-

минальной мощности в нем не указана, так как мощность принято всегда вы-

ражать в ваттах. Это также относится к маломощным резисторам, например:

МЛТ – 0,25 – 10 кОм ±10 % (резистор типа МЛТ мощностью 0,25 Вт).

Номинальное сопротивление в приведенном полном обозначении состо-

ит из числового значения (цифра) и обозначения единицы измерения (Ом –

омы, кОм – килоомы, МОм – мегаомы, ГОм – гигаомы, ТОм – тераомы).

В целях уменьшения количества наносимых на поверхность резистора символов часто в обозначение номинального сопротивления вводится мно-

житель, обозначаемый буквой. Латинские буквы R, K, M, G, T обозначают множители 1, 103, 106, 109, 1012 соответственно (изредка в русской тран-

скрипции для обозначения единиц Ом вместо R ставят Е, а гигаомам соответ-

ствует буква Г). Результат расшифровки записанного таким образом значе-

Номинальные сопротивления резисторов не являются произвольными.

Существуют специальные ряды номиналов, представляющие собой множе-

ства значений от 1 до 10 (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Значения номиналов резисторов

Номинал детали определенного ряда является произвольным значением из соответствующего множества, умноженным на произвольный десятичный множитель (10 в целой степени). Название ряда указывает общее число эле-

ментов в нем. Каждый ряд соответствует определенному допуску в номина-

лах деталей. Так, детали из ряда E6 имеют допустимое отклонение от номи-

6

нала ±20 %, из ряда E12 – ±10 %, из ряда E24 – ±5 %. Собственно, ряды устроены таким образом, что следующее значение отличается от предыдуще-

го чуть меньше, чем на двойной допуск.

1.2.Порядок выполнения исследований

1.Получить у преподавателя группы резисторов для исследования. Для каждого резистора произвести расшифровку номинального сопротивления по маркировке и с помощью мультиметра измерить реальное сопротивление. Заполнить табл. 1.2.

Таблица 1.2

Результаты измерений сопротивлений резисторов

Для каждой группы резисторов провести обработку результатов согласно приведенному алгоритму:

2.1.Упорядочить выборку в порядке возрастания ее элементов.

2.2.Провести проверку выборки на наличие грубых погрешностей и ее связность по размаху выборки, используя формулу:

xi+1 − xi < U P, N R,

где i = 1...N −1 ( N – количество элементов); U P, N – коэффициент для про-

верки результатов наблюдений на наличие грубых погрешностей; R = xN − x1.

В зависимости от объема выборки для доверительной вероятности Р = 95 % данный коэффициент принимает значения, представленные в табл. 1.3.

2.3. Вычислить среднее значение:

N

x = ∑ xi N .

i=1

2.4. Вычислить СКО среднего:

Sx = ∑(∆xi )2 (N (N −1)),

где ∆xi = xi − x.

7

2.5. Определить случайную погрешность:

∆x = tP, N Sx ,

где tP, N – коэффициент Стьюдента. В зависимости от объема выборки для

доверительной вероятности Р = 95 % данный коэффициент принимает значения, представленные в табл. 1.4.

Таблица 1.4

Значения коэффициента Стьюдента

2.6. Определить оценочное значение погрешности по размаху выборки: ∆x = βP, N R,

где βP, N – коэффициент для расчета доверительной погрешности по размаху

выборки. В зависимости от объема выборки для доверительной вероятности

Р = 95 % данный коэффициент принимает значения, представленные в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Значения коэффициента βP, N

Значения погрешностей, полученные в пп. 2.5 и 2.6, должны примерно

8

2.10. Округлить полученные значения. Определить, какому ряду номиналов соответствуют группы резисторов. Свести результаты в табл. 1.6.

3. Получить у преподавателя блок резисторов, изображенный на рис. 1.1, измерить сопротивления между выводами блока резисторов, результаты занести в протокол. Рассчитать значения резисторов в блоке.

1.3.Содержание отчета

1.Цель работы, схемы измерений.

2.Заполненные табл. 1.2, 1.6.

3.Рассчитанное сопротивление каждого резистора в блоке и пример расчета.

4.Выводы.

Лабораторная работа № 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ РЕЗИСТОРОВ

Цель работы – ознакомление с системой обозначений, типами и температурными зависимостями сопротивления линейных постоянных резисторов.

2.1. Основные сведения о резисторах

Резистором называют элемент электронной аппаратуры, обладающий свойством активного электрического сопротивления. В зависимости от применяемых материалов, резисторы могут быть линейными (зависимость падения напряжения от тока представляет собой линейную функцию) и нелинейными, у которых сопротивление изменяется под воздействием тока или напряжения. В настоящей работе исследуются постоянные резисторы.

Мощные проволочные резисторы (от 5 до 1000 Вт) имеют трубчатое ке-

рамическое основание, на котором намотана спираль из нихрома (Ni 80 % + Cr 20 %) или других сплавов, содержащих никель и хром. У самых мощных резисторов спираль оголена, а у резисторов мощностью до 250 Вт покрыта защитным слоем стеклоэмали.

Прецизионные проволочные резисторы выпускаются мощностью от 0,05 до

5 Вт. Они имеют герметичный корпус, внутри которого находится спираль из константана (Cu 55 % + Ni 45 %) или манганина (Cu 86 % + Ni 2 % + Mn 12 %).

Пленочные резисторы (обычно от 0,075 до 2 Вт) имеют резистивный материал в виде пленки, нанесенной на диэлектрическое основание в основном

9

цилиндрической формы, подразделяются на углеродистые, металлопленочные, металлоокисные и металлодиэлектрические.

Объемные резисторы (обычно от 0,125 до 2 Вт) представляют собой спеченную или полимеризованную многокомпонентную смесь, содержащую материал – связку и проводящий компонент (композиционные резисторы).

Основными параметрами постоянных резисторов являются номинальное сопротивление, допустимое отклонение, номинальная рассеиваемая мощность и температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС или αR) характери-

зует чувствительность сопротивления резистора к изменениям температуры. ТКС выражают в относительных единицах.

Так как температурные изменения сопротивления резисторов очень малы, в справочниках ТКС указывают в единицах миллионных долей относи-

тельного изменения сопротивления на градус Цельсия (10–6 /° С). В настоящее время во многих справочниках вместо 10–6 принято обозначение ppm (Parts Per Million – «частей на миллион»). ТКС записывают в этом случае в ppm/° С. Значение ТКС резистора [ppm/° С] определяется по формуле

αR = (1 R)(dRdT )106 = (1 R)(∆R∆T )106,

где R – сопротивление резистора при некоторой, заданной температуре; ∆R – изменение сопротивления при изменении температуры на ∆Т.

Еще одной формой записи номинального значения сопротивления является запись четырехзначным числовым кодом. В этом коде первые три цифры задают значащую часть номинала сопротивления, а четвертая выражает степень

Рис. 2.1. Маркировка резисторов цветовым кодом: а – четырьмя кольцами; б – шестью кольцами

10