Тема 7. Преобразовательные устройства

Выпрямители. Принципы действия, временные диаграммы напряжений и токов, упрощенные расчеты выпрямителей по схемам: однофазной однополупериодной, однофазной двухполупериодной со средней точкой трансформатора, однофазной мостовой, трехфазной с нулевым выводом, трехфазной мостовой. Коэффициенты выпрямления и напряжения на вентилях в этих схемах. Пульсации напряжения на нагрузке. Сглаживающие фильтры; емкостный, индуктивный и комбинированные. Приближенные расчёты фильтров. Зависимость коэффициента сглаживания от тока нагрузки в емкостном и индуктивном фильтрах.

Управляемые и неуправляемые (пассигные) элементы электронной техники. Линейные и нелинейные элементы. Назначение различных видов элементов в электронной схемотехнике. Обозначения на схемах различных видов резисторов, конденсаторов, дросселей (индуктивных элементов), трансформаторов, диодов, транзисторов, тиристоров, электровакуумных и газоразрядных приборов, интегральных схем и микросхем.

Технические характеристики, основные параметры и применение в электронных устройствах резисторов, конденсаторов, индуктивных элементов (дросселей) и трансформаторов. Типизация этих элементов их классификационные обозначения, свойства и особенности различ­ных типов.

Стабилизаторы напряжения на стабилитронах по схемам параметрического и компенсационного типов.

Управляемые выпрямители (УВ). Применение обратного вентиля в УВ. Несимметричные мостовые схемы УВ. Реверсивные управляемые выпрямители.

Инверторы, ведомые сетью. Автономные инверторы. Инверторы тока и инверторы напряжения. Преобразователи частоты со звеном постоянного тока и с непосредственной связью с сетью.

Тиристорные включатели и регуляторы переменного тока.

Тиристорные коммутаторы и широтно-импульсные регуляторы постоянного тока. Преобразователи постоянного напряжения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К теме 1. Элементы электронной техники

1. Для каких целей применяются в электронных устройствах резисторы, конденсаторы, индуктивные дроссели, трансформаторы? Начертить условные графические изображения этих элементов.

2. В каких единицах (СИ) выражается сопротивление, емкость и индуктивность? Дать определения этих единиц и кратных им единиц.

3. Что такое активный (регулируемый) электронный элемент? Приведите примеры регулируемых электронных элементов (линейно-усилительных и переключающих).

4. С помощью каких датчиков осуществляется преобразование тепловых, механических, световых и др. величин в электрические?

5. Что такое номинальная мощность резистора? На какую номинальную мощность следует выбрать резистор с сопротивлением R=1,1кОм, включенный на напряжение 12 В? То же для резистора с Р=56 Ом, при токе 150 мА.

6. Рассчитать на сколько снизится напряжение на конденсаторе ёмкостью 3000 мкФ при разрядном токе 0,54 А в течение 0,01 секунды

7. Определить в каком отношении U_н/U снижается напряжение на резисторе R_н=160 Ом в схеме на рис.1 к напряжению источника сигнала переменного напряжения частот: 1) 100 Гц, 2) 10000 Гц, если ёмкость последовательно включенного конденсатора С=1 мкФ.

8. Найти емкость конденсатора С_Д дифференцирующей цепочки, рис.2, необходимую для того, чтобы ток в резисторе R_Д снизился до значения i_мин=0,1U/R в течение времени t_И. Величины R_Д и С_Д даны в табл.1.

Таблица 1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
RД (Ом)	220	3100	560	2400	680	1700	1000	1500	9100	100
tИ (мкс)	100	75	10	25	60	100	10	30	50	23

Указания к задачам 7, 8: напряжение на нагрузке U_H определяется по закону Ома: U_H=R_H/Д*i_H/Д, где ток в схеме рис.1

, а в схеме рис.2 ,откуда.

9. Определить величину индуктивности дросселя фильтра в цепи двухполупериодного выпрямителя (рис.3), необходимую для снижения пульсаций тока в к_С=5 раз. Сопротивление нагрузки R_H=6,3 Ом, частота сети переменного тока f_C=50 Гц.

10. Начертите схему включения магнитного пускателя, поясните её работу.

К теме 2. Полупроводниковые приборы

1. Как возникает собственная электропроводимость в полупроводниках? Объясните наличие двух видов носителей тока в полупроводниках – электронов (n) и дырок (р), механизм их движения.

2. Что такое примесная проводимость полупроводников? Какие примеси создают электронную или дырочную проводимость?

3. Какие процессы происходят в электронно-дырочном переходе? Объясните возникновение потенциального барьера в p-n – переходе при приложении внешнего прямого и обратного напряжения?

4. Изобразите полную вольт - амперную характеристику полупроводникового диода, дайте определения основных параметров диода.

5. Объяснить физические принципы работы биполярных транзисторов p-n-p и n-p-n – структур. Какими условиями обеспечиваются усилительные свойства транзисторов?

6. Начертить схемы включения транзисторов с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). Объяснить основные свойства каждой из этих схем.

7. Изобразите вид выходных и входных характеристик транзисторов в схеме с общим эмиттером.

8. Объясните принцип действия полевых транзисторов с затвором в виде p-n – перехода и их выходные и регулировочные (проходные) характеристики.

9. Объясните принцип действия полевых транзисторов структуры МДП с встроенным и с индуцированным каналами и их выходные и регулируемые характеристики.

10. Каков характер работы тиристора? В каких устройствах находят применение тиристорs?

11. Дайте определения основных статических и динамических параметров тиристоров?

12. Сделайте ориентировочный расчет параметрических стабилизаторов напряжения для следующих условий:

А) при постоянном токе нагрузки Iн=100мА и нестабильной ЭДС источника питания Uип=6…8В для стабилизации напряжения Uст=4,7В (рис4)

Б) при постоянной ЭДС источника питания Uип=16В с внутреннем сопротивлением Rвн= 40 ОМ и изменяющемся токе нагрузки в пределах Iн=100…10мА для стабилизации напряжения на уровне Uст=9 (рис.5)

Рис.4 Рис.5

Указание: Для каждого случая определить величину сопротивления балластного резистора R_б, определить токи в балластном резисторе и стабилитроне в предельных (минимальном и максимальном) режимах, мощности, выделяемые в R_биD_C.

13. Для каких цепей применяются оптроны? Виды оптронов и их основные свойства и параметры.

14. Опишите принципы действия и основные свойства полупроводниковых фоторезисторов и терморезисторов.

15. По характеристикам заданного транзистора (см. табл.2) определить все его h- параметры.

Таблица 2

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Тип тран- зистора	ГТ- 101А	КТ- 205Б	КТ- 312Б	КТ- 403А	КТ- 506В	КТ- 602А	ГТ- 304А	КТ- 701А	КТ- 815Б	КТ- 925А

К теме 3. Электронные усилители

1. В чем состоит принципиальное отличие усилителей переменного тока (напряжения, мощности) от усилителей медленно меняющихся сигналов (усилителей постоянного тока, УПТ) по схемным признакам и по свойствам?

2. Начертите схему усилительного каскада переменного тока на биполярном транзисторе с общим эмиттером. Объясните назначение всех её элементов.

3. Каковы основные особенности транзисторных усилителей по схемам с ОЭ, ОК, ОБ?

4. Произведите расчет транзисторного промежуточного каскада усиления напряжения с ОЭ, работающего в режиме класса А на нагрузку, данные которой приведены в табл. 3 (по вариантам). (Выбрать транзистор по табл. П-2, в соответствии с данными ниже методическими указаниями, рассчитать величины R_K, C₁, C₂, перечертить на миллиметровку входные и выходные характеристики выбранного транзистора, построить на семействе выходных характеристик линию нагрузки по постоянному току, выбрать точку покоя и рассчитать сопротивления резисторов цепи смещения базы R_б1 и R_б2). Определить входной ток, напряжение и коэффициенты усиления каскада по напряжению, току и мощности. Схема усилителя дана на рис.6.

Таблица 3

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Выходное напряжение Uвых, В	2,4	4	2,8	5	4,2	2,1	1,4	7	5,6	2,8
Сопротивление нагрузки RH. кОм	2	1,2	0,4	2	1	0,7	0,4	0,5	0,7	1,4
Диапазон частот fмин-fmax кГц	0,1-20	0,2-20	100-1000	0,05-20	100-3000	100-3000	100-3000	0,02-20	0,04-20	3000-30000

Указания. Напряжение питания каскада определяется по выражению:

,

где – коэффициент динамической нагрузки. Большие значения К_gдают более полное использование транзистора по напряжению, меньше – по току.

Средний ток (ток покоя) транзистора определяется предварительно по соотношению

Максимальный ток коллектора

,

Транзистор выбирают по условиям:

,

причем, не допускается, чтобы два параметра были близки к предельным. Если по предварительному расчету транзистор выбрать затруднительно, расчет повторяют, задаваясь другим значение К_g.

Для выбранного типа транзистора находят в справочниках (приложение П-3) его характеристики, (перечертить их в тетрадь) и на них строят линию нагрузки по постоянному току по двум точкам: А – закрытый транзистор I_K=0,U_K=U_ип; В – открытый транзисторI_K=U_ИП/R_КU_K=0, соединив точки А и В прямой линией.

Напряжение питания выбирается из ряда: 6; 9; 12; 18; 24; 30; 36; 45; 60 вольт, сопротивление R_Kнаходится по соотношению

R_К=U_ИП/I_max.

На линии нагрузки выбирают точку покоя ), таким образом, чтобы сверху и снизу от нее линия нагрузки пересекала одинаковое число горизонтальных частей (рабочих ветвей) характеристик транзистора. По положению этой точки на графике уточняют значения тока I_KO и напряженияU_KO покоя транзистора. Путем интерполяции определяют токi_бобазы транзистора в состоянии покоя, проводя через точку 0 ) дополнительную характеристику, параллельно паспортным характеристикам транзистора, см. рис.7.

Далее определяют величину сопротивления R_б1, необходимую для обеспечения тока покоя базыI_бо. Для схемы по рис.6:

.

Сопротивления резисторов R_ЭО иR_б2выбирают по условиям необходимости стабилизации точки покоя транзистора. В контрольной работе можно принятьR_ЭО=0,05R_K; аR_б2=R_Kдля усилителей высоких частот (свыше 100 кГц) идля усилителей низких частот (до 100 кГц) (- коэффициент передачи тока транзистора).

Емкость конденсаторов C_ВХ и С_ВЫХ определяются по соотношениям:

C_ВХ С_ВЫХ

где f_min- минимальная частота из заданного рабочего диапазона,

r_вх=h₁₁– входное сопротивление транзистора переменному току.

Емкость конденсатора в эмиттерной цепи:

После расчета параметров усилителя на семействе выходных характеристик транзистора строят динамическую нагрузочную характеристику, проходящую через точки О (U_KO,I_KO) и А_Н(I_K=0,U_K=U_KH), см. рис.7, где

На этой прямой отмечают размах рабочих напряжений на нагрузке. При этом должно выполняться условие ,

где U_H– заданное напряжение на нагрузке.

По параметрам (токам базы) крайних рабочих характеристик определятся амплитуда входных токов и напряжения

.

Эффективная величина входного напряжения

Коэффициенты усилений каскада:

- по току

- по напряжению K_U

- по мощности К_р=K_i*K_U

КПД каскада

5. Почему в усилителях мощности применяются преимущественно двухтактные (балансные) усилительные каскады? Приведите пример схемы двухтактного каскада усиления.

6. Какие цели имеет применение обратных связей в электронных усилителях?

7. Приведите схему усилителя постоянного тока на одном транзисторе. Какие недостатки имеет эта схема?

8. Приведите пример схемы балансного усилителя постоянного тока, объясните принцип ее работы, ее преимущества и недостатки.

9. Объясните принцип работы дифференциального каскада усиления постоянного тока и его преимущества.

10. Каковы основные требования, предъявляемые к операционному усилителю его назначением?

11. На каких свойствах операционного усилителя основана работа аналогового сумматора напряжений и прецизионного усилителя?

12. Объясните принцип работы интегратора на операционном усилителе.

К теме 4. Электронные генераторы и формирование импульсов

1. Для каких целей применяются генераторы гармонических колебаний (низкочастотные и высокочастотные) в устройствах электроники?

2. Какие условия требуются для самовозбуждения автогенераторов?

3. Объясните принцип действия R-C автогенераторов на примере одной из «трехточечных» схем. Каким образом создается здесь противофазность входного и выходного напряжения?

4. В чем состоит принцип работы R-C автогенераторов? Назовите преимущества, недостатки и области применения R-C генераторов.

5. Объясните принцип действия мультивибратора на биполярных транзисторах или на микросхеме.

6. Начертите схему и объясните принцип действия мультивибратора на операционном усилители. Почему положительная обратная связь подается здесь через делитель напряжения?

7. Приведите схем блокинг-генератора на транзисторе. Укажите назначение его элементов и поясните принцип действия, используя график и соответствующие расчетные формулы. Что такое «ждущий» блокинг-генератора?

8. Приведите схему одновибратора на биполярном транзисторе или на микросхеме и поясните принцип его работы. Укажите области применения одновибраторов.

9. Приведите одну из схем формирователя линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения, укажите области применения этих устройств.

10. Приведите схему генератора Ройэра и объясните принцип её работы.

11. Что такое компаратор? Приведите схемы компараторов на операционном усилителе и на транзисторном усилителе с эмиттерной связью (триггере Шмитта).

К теме 5. Логические элементы и триггеры

1. Дайте определение логической функции и логического элемента. Приведите таблицы соответствия логических элементов, выполняющих функции И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ (двухвходовые).

2. Приведите диодно-транзисторные схемы логических элементов ИЛИ-НЕ и И-НЕ, их условное графическое изображение на логических схемах и таблицы соответствия входов и выходов.

3. Приведите схемы микроэлектронных логических элементов И-НЕ на базе многоэмиттерных транзисторов (серии ТТЛ).

4. Приведите схему логического элемента ИЛИ-НЕ в интегральном микросхемном исполнении по технологии МДП.

5. Разработать схему, выполняющую логическую функцию «Сложение по модулю 2» (исключающее ИЛИ), на элементах И-НЕ.

Указания.

Функция «Сложение по модулю 2» определятся таблицей:

Х1	Х2	М2
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

В соответствии с этой таблицей аналитическое выражение функции

,

Где знаки «*» и «+» выражают соответственно функции «И» и «ИЛИ», т.е. логическогоумножения илогическогосложения. По этому выражению можно построить искомую схему на элементах И, ИЛИ и НЕ.

Для разработки схемы на единых элементах (напр. И-НЕ) необходимо применять теорему Шеннона:

если , то.

Например, функция «ИЛИ» Y₁=X₁+X₂может быть преобразована так:

И реализована на элементах И-НЕ по схеме (рис.8).

рис.8

Преобразование выражения (1) учитывая, что дает :

Следовательно, функцию М2 выполнит схема с элементом И-НЕ на выходе, на входы которой поступают функции Х_В1=(Х₁+Х₂) и Х_В2=(Х₁+Х₂). Эти функции также нужно преобразовать по теореме Шеннона для реализации на элементах И-НЕ и включить на входе инверторы для получения инверсных значений Х₁ и Х₂.

6. Дайте определение триггера и назовите области применения триггеров

7. Начертите схемы простейших R-Sтриггеров на элементах И-НЕ и на элементах ИЛИ-НЕ; поясните принципы их работы.

8.Охарактеризуйте основные виды триггеров: асинхронные и тактируемые, потенциальные и динамические, D- триггеры, универсальные ј-κ– триггеры, счётные триггеры.

9. Что такое регистры7 Параллельные и последовательные регистры, регистры сдвига?

10 Дайте определения шифратора, дешифратора, мультиплексора.

К теме 6. Управляющие ЭВМ. Микропроцессоры.

1. Изобразите общую структуру управляющей ЭВМ. Определите функции АЛУ, памяти (запоминающих устройств ЗУ), устройств управления, устройств ввода-вывода; их взаимодействие.

2. Какие преимущества имеет в ЭВМ двоичная система счисления при выполнении арифметических и логических операций, запоминании чисел и команд?

3. Что такое программное управление ЭВМ, последовательный принцип выполнения программ?

4. Как записывается программа работы ЭВМ в её память? Дайте определение основных частей команды: кода операции (КОП) и адресной части.

5. Для чего в ЭВМ служат оперативные запоминающие устройства на магнитной ленте, магнитных дисках, перфоленте?

6. Для каких целей в управляющих ЭВМ применяются постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) и репрограммируемые запоминающие устройства (РПЗУ)?

7. Что такое микропроцессор? Приведите общую структуру микропроцессора и опишите функции его основных частей: АЛУ, оперативных и буферных регистров, преобразователя кодов команд, канала входа-выхода.

8. Приведите общую структуру микро-ЭВМ. Что такое одноплатные и однокристальные микро-ЭВМ?

9. Какие функции выполняют в управляющих комплексах периферийные устройства связи о объектом (УСО)? Дайте понятие о работе по инициативе ЭВМ и инициативе УСО, о системе прерываний.

10. Что такое аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи и для чего они применяются в цифровых управляющих комплексах?

К теме 7. Преобразовательные устройства.

1. Дайте определение основных видов преобразовательных устройств: выпрямителей, управляемых выпрямителей, инверторов, ведомых сетью, автономных инверторов, высокочастотных генераторов. Приведите примеры применения каждого из этих устройств.

2. Приведите схемы и объясните принципы работы однофазных схем выпрямителей со средней точкой трансформатора и мостовой. Каковы в этих схемах отношения выпрямленных напряжений и токов к выпрямляемым переменным напряжениям и токам?

3. Приведите схемы и объясните принципы работы трёхфазных нулевой и мостовой схем выпрямителей. Каковы коэффициенты выпрямления по напряжению и току в этих схемах?

4. Поясните принцип работы ёмкостного сглаживающего фильтра, его влияние на работу выпрямителя и на коэффициенты выпрямления.

5. Объясните принцип работы индуктивного сглаживающего фильтра и его влияние на форму токов в схеме выпрямления и трансформаторе.

6. Приведите пример схемы компенсационного стабилизатора напряжения и поясните принцип его работы.

7. Объясните принцип работы управляемого выпрямителя на примере однофазной двухполупериодной схеме со средней точкой трансформатора. Что такое «горизонтальный» и «вертикальный» принципы управления фазой включения управляемых вентилей?

8. В чём состоит особенность работы управляемого выпрямителя на индуктивную нагрузку (индуктивный оглаживающий фильтр)? Зачем применяются обратные вентили в управляемых выпрямителях?

9. Объясните принцип действия инвертора, ведомого сетью.

10. В чем состоит отличие автономных инверторов тока и инверторов напряжения?

СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Перед выполнением домашних контрольных работ студент должен изучить теоретический материал по соответствующим темам настоящей программы, изложенный в учебных пособиях, рекомендованных для каждой темы, и знать ответы на все контрольные вопросы по каждой теме.

В каждой контрольной работе студент отвечает на вопросы и выполняет расчетные или графические работы по варианту, соответствующему последней цифре его учебного шифра. Номера контрольных вопросов и задач по темам и вариантам даны в таблицах 4 и 5. Исходные данные для расчётных работ по вариантам брать по таблицам 1,2 .

Каждую контрольную работу нужно выполнять в отдельной тетради, на обложке которой должны быть указаны фамилия, имя, отчество студента, номер его учебного шифра, специальность, домашний адрес, наименование учебной дисциплины. На страницах текста должны быть поля шириной около 3 см.. Чертежи и графики можно выполнять карандашом. Условные графические изображения обязательно чертить согласно ГОСТам Единой системы конструкторской документации (ЕСКД). Сложные графики рекомендуется выполнять на миллиметровой бумаги в масштабах, удобных для определения параметров, размечаемых по осям координат. В тексте недопустимо заменять названия электрических величин их условными буквенными обозначениями.

При выполнении расчётных задач для каждого рассчитываемого параметра необходимо сначала привести его расчётную формулу, затем подставить в неё цифровые значения в основных единицах СИ, а результат округлить до практически необходимой номинальной величины. При выборе сопротивлений резисторов и ёмкости конденсаторов следует пользоваться справочником или шкалой номинальных величин, приведенной в приложении П-1.

Ответы на теоретические вопросы курса в контрольных работах должны быть ясными и достаточно подробными, сформулированными самостоятельно, с указанием использованного учебного или другого пособия. Текстовый ответ необходимо пояснять рисунками, графиками или расчетными формулами.

В конце каждой контрольной работы должны быть подпись студента и дата выполнения работы.

Задания к контрольной №1.

Таблица 4

Вариант	Номер темы
	1	2	3
1	1,6	11,15	4
2	2,6	15	3,4
3	4,6	8,15	4,8
4	7	2,4,15	4,11
5	5	12,15	1,4
6	2,8	5,15	4,5
7	7,10	6,15	4,6
8	8	1,13,15	4,9
9	9	3,15	4,1
0	1	9,14,15	4

Указание. Для выполнения задачи №15 темы 2 необходимо перечертить характеристики соответствующих транзисторов на миллиметровку и на них выполнить графические построения, требуемые для нахождения всех параметров транзисторов. При этом все величины необходимо выражать (перевести) в основных единицах системы СИ. Характеристики транзисторов даны в приложении.

Для выполнения задач по теме 1 необходимо использовать основные положения общей электротехники.

Таблица 5

Задание к контрольной работе №2

Вариант	Номер темы
	4	5	6	7
1	5	2	3	10
2	2	5	-	4
3	3	3	-	11
4	-	5	4	2
5	-	1	5	5
6	-	5	3	3
7	-	4	7	14
8	4	9	-	8
9	9	5	1
0	6	5	6	6

Указание. При выполнении задачи №4 темы 3 полеченные в результате расчета значения сопротивлений резисторов выбирать в соответствии с таблицей номинальных величин (Приложение П-2). Кроме того, необходимо рассчитать и выбрать мощность каждого резистора.

ПРИЛОЖЕНИЕ

П.1. Ряд номинальных мощностей радиорезисторов.

0,1; 0,125; 0,25; 0,5;1; 2;5; 10; 15; 30; 50; 75….Вт.

П.2. Ряд номинальных величин сопротивлений резисторов (Е-24)

1,0	1,5	2,2	3,3	4,7	6,8
1,1	1,6	2,4	3,6	5,1	7,5
1,2	1,8	2,7	3,9	5,6	8,2
1,3	2,0	3,0	4,3	6,2	9,1

Остальные номинальные величины резисторов определяются умножением коэффициентов ряда Е-24 на 10, где n- целое положительное или отрицательное число.

П-3. Предельные данные некоторых транзисторов.

Тип транзистора	Предельные параметры					Коэффициент передачи тока
ГТ 108А	6	20	-	0,03	1	30-100
КТ 203Б	30	10	30	0,15	5	10-50
КТ 312	20	30	60	0,225	60	10-100
КТ 3102	30	100	200	0,25	30	20-100
ГТ 404	25	500	-	0,6/0,3	0,5	30-150
КТ 503	40	300	600	0,5	5	40-80
КТ 602	100	75	500	2,8/0,8	30	80-200
КТ 704А	1000	2500	4000	5,0/1	1	35-50
КТ 814	40	1500	3000	5,0/0,5	5	40-70
КТ 815
КТ 928	60	900	1200	5,0/0,5	30	100-200

Uk- напряжение эмиттер- коллектор схеме с 00.

Ik- максимальный ток коллектора (длительный)

Iимп- максимальный ток коллектора в импульсе

Pрас- допустимая мощность рассеяния (числитель- с радиатором, знаменатель- без радиатора)

Fпр- предельная частота усиления.

Усреднённые характеристики транзисторов даны на с.25…31.

Рис.П3-2

Рис.П3-3

Рис.П3-4

Рис.П3-5

Рис.П3-6

Рис.П3-7

Рис.П3-8

Рис.П3-9

Рис.П3-10