Теоретические основы электротехники и электроники. Практикум

С.Е. Меньшенин

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

И ЭЛЕКТРОНИКИ

Практикум

2-е издание

Москва Ай Пи Ар Медиа

2024

УДК 621.3

ББК 31.2 М51

Автор:

Меньшенин С.Е. — канд. техн. наук, доц. кафедр «Судовые энергетические установки» и «Математика, естественнонаучные и общепрофессиональные дисциплины» Института водного транспорта им. Г.Я. Седова — филиала ФГБОУ ВО «Государственный морской университет

имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Меньшенин, Сергей Евгеньевич.

М51 Теоретические основы электротехники и электроники : практикум / С.Е. Меньшенин. — 2-е изд. — Москва : Ай Пи Ар Медиа, 2024. — 90 с. — Текст : электронный.

ISBN 978-5-4497-3406-8

В практикуме представлены основные термины и определения по электротехнике и электронике в наиболее доступной для студентов форме, а также тесты для закрепления полученных знаний и самоконтроля.

Подготовлен в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования.

Предназначен для студентов технических направлений подготовки, изучающих дисциплины «Теоретические основы электротехники» и «Общая электротехника и электроника».

Учебное электронное издание

Учебное издание

Редактор О.О. Скоробогатова

Технический редактор, компьютерная верстка С.А. Шарам

Корректор А.В. Мисенжников Обложка С.С. Сизиумовой

Подписано к использованию 30.07.2024. Объем данных 7 Мб.

ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа» 8 800 555 22 35 (бесплатный звонок по России)

E-mail: sales@iprmedia.ru

4

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время электрическая энергия является основным видом энергии, обеспечивающим нормальную жизнь современного общества. Единственным недостатком электрической энергии является невозможность запасать ее в больших количествах и сохранять эти запасы в течение длительного времени. Запасы электрической энергии в аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для работы сравнительно маломощных устройств, причем сроки ее хранения ограничены. Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда, когда ее требует потребитель, и в том количестве, в котором она ему необходима.

Непрерывное расширение области применения электрической энергии влечет за собой глубокое внедрение электротехники во все отрасли промышленности, сельского хозяйства и быта, а это требует дальнейшего подъема электровооруженности труда, широкой автоматизации производственных процессов и использования автоматизированных систем управления.

Цель: получить необходимые теоретические знания и уметь анализировать энергетические процессы в электрических и магнитных цепях, производить расчеты цепей по заданным параметрам, а также определять параметры по заданным условиям работы цепей в электротехнических устройствах.

Задачи: подготовка инженеров неэлектротехнических специальностей, позволяющая располагать системой знаний, умений и навыков в актуальных для них областях, связанных с электротехникой и электроникой.

5

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ГЛОССАРИЙ

А

Активная ветвь — ветвь, содержащая источник электрической энергии.

Активный преобразователь сопротивлений — преобразователь, позво-

ляющий изменить значение или характер сопротивлений или проводимостей пассивных двухполюсных элементов: резисторных, индуктивных или емкостных. К таким преобразователям относят конверторы и инверторы сопротивлений и проводимостей.

Активные преобразователи сопротивлений находят широкое применение в активных фильтрах, различных корректирующих устройствах, при создании селективных усилителей и генераторов и во многих других случаях.

Активный фильтр представляет собой четырехполюсник, содержащий пассивные RC-цепи и активные элементы: транзисторы, электронные лампы или операционные усилители. Активные фильтры обычно не содержат катушек индуктивности. Стремление исключить катушки индуктивности из фильтра вызвано рядом причин: катушки индуктивности имеют большие габариты и массу; потери в катушках приводят к отключению расчетных характеристик фильтра от реальных значений; в катушках рассеивается большая мощность; в катушках с сердечником проявляется нелинейный эффект, связанный с насыщением сердечника.

Активные фильтры можно реализовать на повторителях напряжения, на операционных усилителях, на усилителях с ограниченным усилением и др. В отличии от пассивных, активные фильтры обеспечивают более качественное разделение полос пропускания и затухания. В них сравнительно просто можно регулировать неравномерности частотной характеристики в области пропускания и затухания, не предъявляются жестких требований к согласованию нагрузки с фильтром. Все эти преимущества активных фильтров обеспечили их самое широкое применение.

Активные фильтры можно разделить на группы по различным признакам: назначению, полосе пропускаемых частот, типу усилительных элементов, виду обратных связей и др.

По полосе пропускаемых частот фильтры делятся на четыре основные группы: нижних частот, верхних частот, полосовые и заграждающие. Фильтры нижних частот пропускают сигналы от постоянного напряжения до некоторой предельной частоты, называемой частотой среза фильтра. Фильтры верхних частот, наоборот, пропускают сигналы, начиная с частоты среза и выше.

6

Полосовые фильтры пропускают сигналы в некоторой полосе частот от f1 до f2, а заграждающие фильтры имеют характеристику, противоположную полосовым фильтрам, и пропускают сигналы с частотой ниже f1 и выше f2. Как полосовые, так и заграждающие фильтры могут иметь гребенчатую частотную характеристику, в которой будет несколько полос пропускания и затухания.

По назначению фильтры делятся на сглаживающие фильтры источников питания, заграждающие фильтры помех, фильтры для селективных усилителей низкой и высокой частоты и др.

По типу усилительных элементов можно выделить транзисторные фильтры, фильтры на усилителях с ограниченным усилением, на операционных усилителях, на повторителях напряжения и др.

Все рассмотренные фильтры могут иметь одну цепь обратной связи или несколько таких цепей. В связи с этим различают фильтры с одноконтурной или многоконтурной обратной связью. Кроме этого, различают фильтры по числу полюсов на частотной характеристике — фильтры первого порядка, второго и более высоких порядков. Фильтры высоких порядков имеют более крутые границы полос пропускания и затухания и более плоскую характеристику в области полосы пропускания. Широкие возможности активных RCфильтров связаны с использованием в них активных элементов. В отличие от пассивных, активные RC-фильтры (АRC-фильтры) могут иметь полюсы в любой части комплексной плоскости.

Амплитудные детекторы предназначены для получения выходного напряжения, изменяющегося по закону модуляции амплитуды входного модулированного колебания. Если на входе амплитудного детектора действует ампли- тудно-модулированное колебание u(t) = Um(t) cos ω0t, то выходное напряжение будет содержать составляющую с частотой Ω. По виду нелинейного преобразователя амплитудные демодуляторы делятся на диодные, транзисторные и с операционными усилителями. Простейшими амплитудными демодуляторами являются диодные, которые могут быть однотактными и двухтактными.

Аналоговые перемножители напряжений. Аналоговыми перемножите-

лями напряжений называют интегральные микросхемы, предназначенные для выполнения операции перемножения двух сигналов и выдачи результата перемножения в форме напряжения:

U U

Uвых = Uх r у = KпU хU у ,

где Kп — масштабирующее напряжение.

7

Особенностью операции перемножения является то, что полярность выходного напряжения определяется полярностями двух входных напряжений, каждое из которых может быть как положительным, так и отрицательным. Если входные и выходные сигналы могут быть как положительными, так и отрицательными, и полярности их согласованы, то такой перемножитель называется четырехквадрантным. Если выходной сигнал изменяет полярность при изменении полярности только одного входного сигнала, то умножитель называют двухквадрантным. Если все сигналы могут быть только однополярными, то умножитель называют одноквадрантным. Масштабирующее напряжение Ur обычно является постоянным (хотя и с подстройкой), но в большинстве микросхем перемножителей значением этого напряжения можно управлять, подавая ток или напряжение управления на третий вход.

Поскольку в аналоговых перемножителях выходное напряжение зависит от двух входных напряжений, то его характеристики могут сложным образом зависеть от этих напряжений. В реальном перемножителе выходное напряжение оказывается пропорциональным не только произведению входных сигналов.

Для получения высокой точности перемножения сигналов в микросхемах перемножителей вводятся по крайней мере четыре регулировки, позволяющие установить требуемый коэффициент передачи Kп и устранить прямое прохождение сигналов Uх и Uу. Кроме этого, вводится регулировка смещения нулевого уровня.

Разработано несколько способов построения аналоговых перемножителей напряжения: логарифмирующие, квадратирующие, с широтно-импульсной модуляцией и другие, однако в интегральных микросхемах преимущественно применяется метод построения перемножителей на принципе переменной крутизны.

Масштабирующий коэффициент Kп представляет собой статический параметр, и в большинстве перемножителей его значение принято равным 0,1 В–1. Однако в ряде случаев применяются масштабирующие коэффициенты, отличные от этого значения. В некоторых случаях имеется даже возможность подстройки масштабирующего коэффициента.

Погрешность масштабирующего коэффициента может быть сведена к нулю подстройкой в какой-либо точке диапазона. Подстроить значение масштабирующего коэффициента во всем диапазоне невозможно из-за нелинейности.

Погрешность нелинейности не поддается уменьшению. Обычно ее оценивают по максимальному отклонению от среднего значения масштабирующего коэффициента.

8

Погрешность, связанная с прямым прохождением сигнала, состоит из двух частей — линейной и нелинейной. Линейная часть является произведением напряжения на сигнальном входе и напряжения смещения нуля. Ее можно скомпенсировать до нуля введением равного по значению и противоположного по знаку напряжения коррекции на подстраиваемом входе. Нелинейная часть обусловлена нелинейностью схемы перемножителя, и ее нельзя убрать подстройкой смещения.

Динамика перемножителя характеризуется полосой пропускания по уровню 0,7 при малом сигнале (т.е. по уменьшению коэффициента передачи на 3 дБ). Понятие «малый» сигнал означает, что уровень выходного сигнала не превышает 10 % от максимального значения выходного напряжения. Полоса пропускания существенным образом зависит от сопротивлений нагрузки перемножителя.

В связи с этим перемножители, которые предназначены для работы в широкой полосе частот, имеют открытый коллекторный выход, к которому подключается внешнее сопротивление нагрузки. Так, например, для перемножителя МС1495 при сопротивлении нагрузки 11 кОм полоса пропускания равна 3 МГц, а при сопротивлении 50 Ом полоса пропускания расширяется до 80 МГц.

Перемножители напряжений можно разделить по следующим признакам: принципу действия, полосе частот и погрешности перемножения. По принципу действия перемножители можно разделить на три основные группы: логарифмические, с широтно-импульсной модуляцией и с переменной крутизной.

Первые два типа промышленностью не выпускаются. Имеются только базовые узлы логарифматоров и широтно-импульсных модуляторов, однако законченных перемножителей нет. Серийно выпускаются только перемножители на принципе управления крутизной дифференциального каскада, рассмотренные выше.

По погрешности перемножения выпускаемые перемножители можно разделить на группы малой, средней и высокой точности. Перемножители малой точности являются самыми простыми — они не содержат входного логарифматора и выходного операционного усилителя. Обычно такие перемножители называют балансными модуляторами и используют для преобразования частоты сигналов. Погрешность балансных модуляторов обычно не нормируется. Такие перемножители имеют открытый коллекторный выход, который допускает подключение резистивнои или индуктивной нагрузки (например, колебального контура). Перемножители средней точности обычно содержат входной логарифматор, позволяющий увеличить входной сигнал до 10 В. Выходной операционный

9

усилитель и нагрузочные резисторы в таких перемножителях не входят в состав микросхемы. Погрешность перемножения таких перемножителей больше 1 %. Перемножители высокой точности имеют в своем составе все элементы для построения схемы перемножения: входной логарифматор, выходной операционный усилитель и стабилизатор напряжений питания отдельных узлов микросхемы. Нагрузочные резисторы и резисторы обратной связи операционных усилителей

втаких перемножителях выполняются с высокой точностью с помощью лазерной подгонки. Входы высокоточных перемножителей могут быть симметричными (дифференциальными) или несимметричными. Погрешность перемножения

втаких микросхемах обычно не превышает 1 %. Микросхемы перемножителей находят применение в различных электронных устройствах. Кроме этого, они входят составной частью во многие специализированные микросхемы и узлы.

Перемножители можно использовать для вычисления активной и реактивной мощности, определения фазового сдвига двух напряжений, деления частоты сигналов и во многих других случаях.

Аналоговый компаратор напряжений — интегральная микросхема,

предназначенная для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше. Основные особенности аналого-

вых компараторов связаны с отсутствием в них частотной коррекции и большим коэффициентом усиления. В отличие от операционных усилителей, в компараторах практически никогда не применяют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность их работы. Специализированные компараторы напряжений имеют малые задержки, высокую скорость переключения, устойчивы к большим переключающим сигналам. Для устранения многократных переключений в момент сравнения сигналов в компараторах часто используют положительную обратную связь. Положительная обратная связь обеспечивает надежное переключение компаратора и устраняет дребезг выходного напряжения в момент сравнения. Однако при введении положительной обратной связи создается зона неопределенности, обусловленная гистерезисом. Если сигнал на входе компаратора изменяется монотонно, то наличие гистерезиса не отражается на погрешности компарирования. Напряжения на входах компаратора из-за отсутствия отрицательной обратной связи могут существенно отличаться. Поэтому для ограничения входного напряжения на входе компаратора часто устанавливают двухсторонний диодный ограничитель. Быстродействие компаратора существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала. С увеличением входного сигнала до определенного значения время переключения уменьшается. Однако дальнейшее увеличение входного

10