Устройства электронной техники. методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Шелякин В.П., Савельева Е

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Кафедра электромеханических систем и электроснабжения

УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ для студентов направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электроснабжение») очной формы обучения

Воронеж 2021

1

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные занятия являются одним из важнейших элементов учебного процесса.

Выполнение лабораторных работ по дисциплине «Устройства электронной техники» для направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Электроснабжение») имеет своей целью закрепление и углубление теоретических сведений, излагаемых в лекционных курсах и учебных пособиях.

При выполнении лабораторных работ студенты знакомятся с цепями постоянного тока с линейными и нелинейными элементами, выпрямителями однофазного и трехфазного переменного напряжения, усилителями низкой частоты на биполярных транзисторах, компенсационными стабилизаторами напряжения, базовыми логическими схемами и RS-триггерами на их основе, с цифровыми устройствами регистрации числа импульсов; изучают работу полевого транзистора в аналоговых и ключевых схемах, исследуют генераторы синусоидальных колебаний.

Объем каждого лабораторного занятия рассчитан на 2-4 академических часа работы в лаборатории и на 1,5-2 часа домашней работы.

Для выполнения каждой лабораторной работы необходима предварительная подготовка.

Предварительная подготовка включает в себя следующее:

–изучение соответствующих разделов по литературным источникам и конспекту лекций;

–тщательное ознакомление с содержанием лабораторной работы по методическим указаниям, усвоение её целевого назначения и программы;

–подготовку таблиц для занесения результатов испытаний;

–ознакомление с правилами оформления экспериментальных данных, с правилами построения графических зависимостей.

Студент допускается к выполнению лабораторной работы после представления преподавателю отчета за предыдущую работу и при удовлетворительных ответах на контрольные вопросы для домашней подготовки.

На первом лабораторном занятии студент должен изучить инструкции по технике безопасности и расписаться в журнале инструктажа по технике безопасности.

Перед началом выполнения лабораторной работы студент должен на рабочем месте подробно ознакомиться с необходимой схемой соединения и только после этого приступить к сборке схемы. Сборку электрической схемы необходимо производить без напряжения при отключенных выключателях со стороны питающей сети. Собранная схема проверяется преподавателем, после чего дается разрешение на её включение.

Лабораторная работа выполняется в том порядке, какой указан в методических указаниях на выполнение лабораторной работы. Результаты измерений заносятся в соответствующие таблицы каждым членом бригады.

3

По полученным данным выполняются необходимые предварительные расчеты и строятся графики.

Черновые материалы представляются преподавателю, и после подписи работа считается законченной.

После выполнения полного объема лабораторной работы с разрешения преподавателя схема разбирается.

ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчет выполняется каждым студентом индивидуально!

Окончательный отчет по выполненной лабораторной работе составляется во внеурочное время. Вычерчивание графических зависимостей и схем в отчете от руки, без применения чертежных принадлежностей не допускается.

Отчет к каждой работе должен содержать следующее:

1.Титульный лист;

2.Название лабораторной работы;

3.Цель работы;

4.Принципиальные схемы;

5.Результаты исследований в виде таблиц, графиков и диаграмм;

6.Описание приборов и материалов, используемых в лабораторной работе;

7.Необходимые расчеты;

8.Выводы.

Отчет должен снабжаться титульным листом, на котором указывается: наименование института, кафедры, лаборатории, номер и название работы, шифр группы, фамилия и инициалы студента.

Расчеты должны производиться в системе СИ с необходимыми пояснениями. Схемы и графики должны выполняться в соответствии с ЕСКД. Если в одних координатных осях строится несколько графиков в функции одной независимой переменной, то нужно строить дополнительные оси параллельно основной и каждую со своей масштабной шкалой.

В заключение студент в письменном виде дает ответы на вопросы, поставленные в описании к данной лабораторной работе.

Отчет подписывается исполнителем, указывается дата оформления отчета. После выполнение лабораторной работы и представления по ней пра-

вильно оформленного отчета студент отчитывается за проделанную работу. Студенты, у которых все отчеты приняты, получают зачет по лаборатор-

ному курсу.

4

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Перед началом выполнения лабораторных работ студенты обязаны изучить инструкцию по технике безопасности и противопожарным мерам для работающих в лаборатории, ознакомиться с расположением силового оборудования и низковольтного оборудования стендов.

Во избежание несчастных случаев при работе в лаборатории необходимо строгое выполнение следующих основных правил техники безопасности:

•до начала проведения лабораторной работы ознакомиться со схемой стенда на месте;

•сборка схем должна производиться при отключенной питающей сети;

•нельзя прикасаться руками к неизолированным проводам, соединительным клеммам и другим частям схемы, находящимся под напряжением;

•при работе с цепями переменного тока, содержащими последовательно соединенные индуктивности и емкости, следует помнить, что напряжение на индуктивности и емкости в некоторых случаях может быть много выше напряжения источника питания;

•изменения следует производить исправными приборами с хорошо изолированными проводами;

•смена предохранителей производится преподавателем или лаборантом при выключенном электропитании;

•в случае неисправности стенда или прибора их необходимо отключить и сообщить об этом преподавателю;

•если произошел несчастный случай, то лабораторную установку следует отключить, а пострадавшему оказать первую помощь.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ЛИНЕЙНЫМИ

И НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Цель работы

Изучение методов формирования различных уровней напряжения в цепях постоянного тока.

Краткие теоретические сведения

Линейным называется элемент цепи, сопротивление которого остается постоянным независимо от силы тока в нем и от величины напряжения на его зажимах.

Элемент электрической цепи, сопротивление которого зависит от тока в нем или от напряжения на его зажимах, называется нелинейным элементом.

5

Цепи постоянного тока широко используются в электронных схемах для задания режима работы усилительных каскадов по постоянному току, для согласования уровней напряжений. Расчет их ведется на основе уравнений Кирхгофа и сводится к решению системы алгебраических уравнений. Включение нелинейного элемента в цепи (п/п диода) существенно усложняет расчет, т.к. необходимо решать трансцендентные уравнения. В этих случаях широко используются графические методы расчета.

Пример расчета резистивных делителей напряжения

Принципиальная схема делителя напряжения на базе резисторов приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Принципиальная схема резистивного делителя

При подключенной нагрузке

Пример анализа цепи с нелинейным элементом – стабилитроном.

Схема полупроводникового стабилизатора напряжения выполняется на ос нове стабилитрона. Стабилитрон – это кремниевый диод c определенной технологией изготовления р-n-перехода. Его вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет участок стабильного напряжения (рис. 1.2а). Параметрами стабилитрона являются: напряжение стабилизации Uст(от единиц вольт до 180 В), минималь-

ный и максимальный ток стабилизации Iст мин., Iст макс; допустимая мощность Рдоп, выделяемая на стабилитроне в режиме стабилизации. Непараллельность ветви

стабилизации ВАХ по отношению к оси тока определяется дифференциальным сопротивлением весьма малого значения. При прямом смещении ВАХ стабилитрона соответствует ВАХ обычного маломощного кремниевого диода.

6

Типичным примером стабилизатора напряжения является параметрический стабилизатор напряжения (рис. 1.2б). Схема стабилизатора напряжения включает: стабилитрон, рабочий режим которого выбран на отрезке стабилизации его ВАX и балластное сопротивление R1. Сопротивление нагрузки Rн подключается параллельно стабилитрону. Напряжение Uн является напряжением стабилизации стабилитрона. Из-за малого значения дифференциального сопротивления оно мало меняется при изменении режима.

Разность между входным напряжением и напряжением на нагрузке равно падению напряжения на резисторе R1.

Рис. 1.2. ВАХ стабилитрона (а), принципиальная схема параметрического стабилизатора (б)

Количественный расчет выполняется графоаналитическим методом расчета цепей с нелинейными элементами. Анализируемая схема разделяется на линейную часть и нелинейный элемент (рис. 1.3).

Изменения Rн не повлияют на положение точки 2 (рис. 1.3б). Координаты же точки 1 будут различными. В режиме холостого хода стабилизатора это 1/ , в режиме номинальной нагрузки стабилизатора, например, при Rн=R1 координата Uab=0,5 Uвх (точка 1//). Как видно из графического построения, принятый диапазон изменения Uвх вызовет незначительное изменение напряжения на стабилитроне.

Рис. 1.3. Графоаналитический расчет параметрического стабилизатора

7

Стабилизация напряжения на нагрузке при нестабильности входного напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации:

К = ∆Uвх .

ст ∆U Н

При этом изменение входного напряжения Uвх может быть вызвано как случайным изменением входного напряжения, так и его пульсациями.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора не более 5- 6. Лучшими стабилизирующими свойствами обладает компенсационный стабилизатор выполненный с использование активных элементов по гораздо более сложной схеме.

Параметрические полупроводниковые стабилизаторы, как правило, применяются для получения стабильного напряжения питания электронных и измерительных устройств сравнительно небольшой мощности (до десятков ватт).

Экспериментальная часть

Приборы и оборудование

Лабораторный стенд, источники питания постоянного напряжения, генератор синусоидальных колебаний, осциллограф, цифровой вольтметр (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Монтажная схема лабораторного стенда

Порядок выполнения работы

1. Изучение резистивных делителей напряжения. Внимательно изу-

чить стенд и входящие в него элементы.

1. С помощью резисторов R1 и R2 построить делитель постоянного напряжения, обеспечивающий напряжение на выходе делителя в 2 раза меньше входного напряжения.

8

2. Рассчитайте ожидаемое значение напряжения на выходе при подключении параллельно выходу делителя нагрузки (резистор R4=10 Ком).

Примечание: При расчете желательно преобразовать схему с параллельно включенным делителем напряжения в схему с последовательным эквивалентным источником напряжения Uэкв. и сопротивлением Rэкв.

При этом

3.Измерьте новый уровень выходного напряжения и сравните его с рассчитанным значением.

4.Измерьте зависимость выходного напряжения нагруженного (с подключенной нагрузкой) и ненагруженного (без подключения нагрузки) делителя от входного. Данные занесите в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Uвх ( В )

Uвых без Rн ( В )

Uвых с Rн ( В )

2. Изучение делителей напряжения с нелинейным элементом – стабилитроном.

1.Соберите схему, представленную на рис. 1.2б.

2.Снимите передаточную характеристику Uвых = f(Uвх). Постоянное напряжение на входе изменяйте ступеньками по 5 В, в диапазоне 0-20 В. Данные занесите в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Uвх

(В)

Uвых

(В)

3.Постройте график по результатам измерений. Объясните особенности передаточной характеристики.

4.Подключите нагрузку R4 параллельно стабилитрону. Измерьте напряжение на выходе схемы. Сделайте вывод о наблюдаемых изменениях выходного напряжения. Снимите характеристику Uвых =f(Uвх).

5.Данные занесите в табл. 1.3.

9

Uвх (В)

Uвых с Rн

6.Постройте график по результатам измерений. Объясните особенности передаточной характеристики.

3.Изучение ограничителей на полупроводниковых диодах.

1.Соберите схемы, представленные на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Схемы ограничителей

2.Подключите ко входу схемы генератор синусоидальных колебаний. Установите частоту 1 кГц и входное напряжение 0,5 Вольт.

3.Последовательно увеличивая входное напряжение наблюдать за изменением формы выходного сигнала. Зарисуйте осциллограммы. Объясните наблюдаемую закономерность.

Контрольные вопросы

1.Рассчитать выходное напряжение нагруженного делителя, исполь-

зуя Uэкв. и Rэкв.

2. Объясните передаточную характеристику электрической цепи рези- стор-стабилитрон.

3. Рассчитайте величину балластного сопротивления R при заданных значениях Iн.макс., Iст.мин., Uвх., Uвых.

4. На каком принципе основана работа ограничителя амплитуды переменного сигнала. Нарисуйте схему одностороннего и двухстороннего ограничителя. Каким образом можно изменять уровень ограничения.

10