ЗМІСТ

Стор.

ВСТУП…………………………………………………………5

1 Елементна база засобів вимірювань ……6

1.1 Пасивні елементи засобів вимірювань………………...6

1.2 Активні елементи засобів вимірювань……………….16

2 ТРАНЗИСТОРИ………………………………………….28

2.1 Будова та принцип дії біполярних транзисторів……28

2.2 Параметри та характеристики транзистора………...32

2.3 Режими роботи підсилювальних каскадів на

транзисторах…………………………………………….37

2.4 Будова та принцип дії польових транзисторів………42

2.5 Характеристики і параметри польових

транзисторів……………………………………………..45

3 ОПЕРАЦІЙНІ ПІДСИЛЮВАЧІ………………..….…..50

3.1 Класифікація операційних підсилювачів та їх

основні параметри……………………………………….50

3.2 Поняття про ідеальний компаратор…………………....56

3.3 Детектори ненульового рівня………………….………...57

3.4 Основні підсилювальні схеми з використанням ОП…….…....59

3.5 Диференційний підсилювач……………………………...65

3.6 Інструментальний підсилювач………………………….71

3.7 Компаратори…………………………………………………..77

3.8 Гістерезис…………………………………………….…....81

4 ГЕНЕРАТОРИ СИГНАЛІВ………………………..…….….......87

4.1 Автоколивальний мультивібратор……………….……88

4.2 Очікуючий мультивібратор………………………….….90

4.3 Генератор лінійно-наростаючої напруги…………..…..93

4.4 Генератор лінійно-змінної напруги………………….…94

4.5 Генератор напруги трикутної форми……………….….96

4.6 Генератор пилоподібної напруги……………………....100

4.7 Перетворювачі напруга — частота……………………101

4.8 Генератори синусоїдальних коливань………………...102

5 ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ…………………………….….110

5.1 Нестабілізоване джерело живлення……………………111

5.2 Визначення коефіцієнта стабілізації і величини

пульсацій………………………………………...………….....114

5.3 Біполярне джерело живлення і джерело живлення

з двома номіналами напруги…………………..………..…..117

5.4 Стабілізація напруги живлення……………….……….118

5.5 Стабілізатор напруги на стабілітроні………………....119

5.6 Основна схема стабілізатора напруги на ОП….......…120

5.7 Стабілізатор на ОП з потужним струмовим

виходом …………………………………………………….....122

6 Активні фільтри………………………………….…126

6.1.Типи сигналів та їх основні характеристики……...…126

6.2Типи фільтрів, їх призначення та

характеристики…………………………………………..128

6.3 Будова активних фільтрів………………………………131

6.4 Критерії вибору фільтрів………………………………..132

6.5 Схемотехніка активних фільтрів………………………138

7 ПІДСИЛЮВАЧІ ПОТУЖНОСТІ……………….….….145

7.1 Аналіз схем вихідних каскадів……...…………………..145

7.2 Аналіз схем фазоінверсних каскадів……………….…..149

7.3 Аналіз схемотехнічних рішень попередніх

підсилювачів…………………………………………………..151

7.4 Практична схема підсилювача потужності…………...154

8 ПЕРЕТВОРЮВАЧІ НАПРУГИ…………………….…..156

8.1 Однотранзисторні пертворювачі напруги………….…156

8.2 Двотранзисторні пертворювачі напруги……………...159

Перелік використаних джерел………..….....163

ВСТУП

Радіоелектронні засоби для всіх галузей промисловості та забезпечення життєвих потреб людини є тим важливим фактором, який визначає темпи науково-технічного прогресу в сучасному суспільстві. Особливе місце серед них займають засоби вимірювальної техніки, які призначені для вимірювань різноманітних фізичних величин та контролю працездатності інших радіоелектронних засобів.

Прискорення науково-технічного прогресу вимагає розробки нових схемотехнічних рішень, зменшення термінів розробки засобів вимірювань і впровадження їх у виробництво та експлуатацію. Єлектроніка, будучи основною складовою частиною процесу створення приладів, представляє складний комплекс взаємопов’язаних задач, вирішення яких можливе тільки на основі системного підходу з використанням знань в області сучасної технології, схемотехніки, опору матеріалів, теплофізики, конструювання, естетики та інших теоретичних і прикладних дисциплін.

Сучасний фахівець з інформаційно-вимірювальної техніки, крім ґрунтовних знань методів та способів вимірювань фізичних величин, повинен вільно володіти сучасною схемотехнічною базою для створення нової та удосконалення існуючої інформаційно-вимірювальної техніки.

Однак, бурхливий розвиток техніки призводить до створення все новіших моделей приладів, в яких широко використовуються мікропроцесори, програмовані логічні матриці, швидкодіючі аналогові та цифрові мікросхеми, мініатюрні безкорпусні діоди, транзистори, резистори та інші радіоелементи. Від способів взаємодії та розміщення цих елементів, їхнього впливу один на одного напряму залежать працездатність приладу, рівень його похибок, маса та вартість. Тому фахівець з інформаційно-вимірювальної техніки повинен мати відповідні знання і практичні навики з розробки та розрахунку структурних, функціональних та принципових електричних схем, методів виготовлення друкованих плат, конструювання вузлів електровимірювальних приладів, розробки окремих блоків та деталей таких приладів, захисту їх від перегрівання, електромагнітних завад, тощо.

Л Е К Ц І Я № 1

Т е м а 1: Елементна база засобів вимірювань

1.1 Пасивні елементи засобів вимірювань

Резистори

Резистори – це радіоелементи, які служать для зміни струму та напруги в електричних колах. Розрізняють два основні типи резисторів: постійні та змінні. Постійні резистори задають зміну струму на деяку певну фіксовану величину, а змінні мають можливість регулювати зміну струму і напруги у широких межах.

Резистори працюють як з постійними, так і з змінними видами електричних сигналів. У загальному випадку опір резистора знаходиться згідно закону Ома:

, (1.1)

де U – падіння напруги на резисторі, В;

І – струм через резистор, А.

При цьому потужність резистора визначається з виразу:

(1.2)

У залежності від області застосування резистори поділяються на елементи загального та спеціального призначення. До резисторів загального призначення не ставляться високі вимоги щодо точності виготовлення і стабільності параметрів. Ці резистори використовуються, в основному, як елементи побутової техніки. До резисторів спеціального призначення відносяться елементи підвищеної стабільності, високочастотні, високоомні, а також резистори для мікромодулів та мікрозбірок.

За конструкцією резистори поділяються на плівкові, металоплівкові, металоокисні, металодіелектричні, композиційні і напівпровідникові.

За типом провідного елемента резистори поділяються на дротяні і недротяні.

Як ті так і інші можуть бути постійними і змінними. Постійні резистори в залежності від призначення бувають таких типів:

- прецизійні (високої точності),

- високочастотні та імпульсні,

- високовольтні (вище 2 кВ),

- високомегаомні (вище 10 МОм),

- загального призначення.

Змінні резистори бувають підлагоджувальні і регулювальні. Підлагоджувальні резистори призначені для періодичного підлагодження радіоапаратури. Регулювальні резистори застосовуються для багатоповторних оперативних прелаштувань апаратури [1].

Основні параметрами резисторів

До основних параметрів резисторів відносяться:

- номінальний опір,

- номінальна потужність,

- допустиме відхилення номінального опору.

Номінальний опір R – це опір резистора в омах у відповідності з нормативною документацією.

Номінальна потужність P – це максимальна потужність (Вт), яка може розсіюватись резистором на протязі тривалого часу при заданих умовах роботи.

Допустиме відхилення R - це відхилення номінального опору резистора (%) в бік збільшення чи зменшення, задане у технічній документації.

Значення номінального опору, номінальної потужності та допустимого відхилення наносяться на корпусі резистора.

Номінальний опір резисторів позначається у омах (Ом, , R, C, И, В, Е), кілоомах (1КOм = 10³ Ом), мегаомах (1МOм = 10⁶ Ом). Номінальна потужність (1 Вт і вище) вказується після позначення типу резистора, наприклад (ОМЛТ – 2 ).

Умовні графічні позначення резисторів на електричних принципових схемах та їх класифікація по потужності наведені в табл. 1.1.

На електричних принципових схемах кожен елемент схеми (резистор, конденсатор, діод, транзистор, міктосхема і т. ін.) мають буквено-цифрове позначення.

Буквено-цифрове позначення резисторів складається з великої літери ларинського алфавіту R та цифрового позначення номеру цього елемента у схемі, наприклад, R11.

Конденсатори

Конденсатор – це система з двох електродів, розділених між собою діелектриком, яка має здатність запасати електричну енергію. У техніці розрізняють полярні і неполярні конденсатори постійної та змінної ємності. Конденсатори класифікують за :

- робочою напругою: низьковольтні (U_роб < 1600 В ), високовольтні (U_роб > = 1600 В );

- областю застосування – при малих струмах і малих напругах та при великих струмах і високих напругах;

- видом діелектрика – твердим, рідким, газоподібним, окисним, органічним;

- діапазоном робочих частот – для постійної або пульсуючої напруги; для напруги звукових частот ( 100 – 10000 Гц ); для напруги радіочастотного діапазону ( вище 100 кГц );

- призначенням – широкого застосування і спеціальні.

Основні параметри конденсаторів

Основними параметрами конденсаторів є :

- номінальна ємність,

- допустиме відхилення від номінального значення ємності,

- номінальна робоча напруга,

- частотні властивості,

- допустима амплітуда змінної напруги.

Номінальна ємність С – це відношення накопиченого заряду до прикладеної напруги. Ємність вимірюється у фарадах, мікро-, нано-, і пікофарадах ( 1Ф = 10⁶ мкФ = 10⁹ нФ = 10¹² пФ ).

Допустиме відхилення від номінального значення ємності С (%) характеризує точність значення ємності конденсатора.

Таблиця 1.1 - Умовні графічні позначення резисторів

Позначення резисторів на електричних принципових схемах		Позначення резисторів у залежності від потужності їхнього розсіювання
	Резистор, загальне позначення		- 0.125 Вт
	Резистор підлагод-жувальний		- 0.25 Вт
	Резистор змінний		- 0.5 Вт
t	Терморезистор		- 1 Вт

Номінальна робоча напруга конденсатора U_роб – це максимальна напруга, при якій конденсатор може працювати на протязі мінімального часу до відмови. Значення робочої напруги встановлюється технічною документацією на виріб.

Частотні властивості характеризують зміну ємності конденсатора від частоти прикладеної змінної напруги.

Допустима амплітуда змінної напруги на конденсаторі – це напруга, при якій втрати енергії в конденсаторі не перевищують допустимих. Її значення розраховується за формулою:

(1.3)

де P_p.доп. – допустима реактивна потужність, ВА;

f – частота змінної напруги на конденсаторі, Гц;

C – ємність конденсатора, Ф.

Для напівпровідникових і електролітичних (полярних) конденсаторів U_m.доп повинна становити не більш ніж 20% від значення робочої напруги, яка вказана на корпусі конденсатора.

Позначення конденсаторів наноситься на їхніх корпусах і складається з букви К, двозначного числа, що вказує вид діелектрика, умовного індексу, який визначає призначення конденсатора, і порядкового номеру розробки. Нижче вказується номінальна ємність і рік випуску елемента.

Умовні графічні позначення конденсаторів на електричних принципових схемах наведені на рис 1.1.

- конденсатор, загальне позначення;

- конденсатор підлагоджувальний;

- конденсатор змінної ємності;

+

- конденсатор постійної ємності полярний.

Рисунок 1.1 – Умовні графічні позначення конденсаторів

Буквено-цифрове позначення конденсаторів складається з великої літери ларинського алфавіту С та цифрового позначення номеру цього елемента у схемі, наприклад, С15 [1].

Котушки індуктивності та дроселі

Котушка індуктивності (КІ) – це намоточні вузли радіоапаратури, які застосовуються як елементи коливальних контурів, для фільтрації сигналів різних частот, отримання магнітного зв'язку між окремими елементами електричних ланок, для створення на окремих ділянках електричної ланки заданих індуктивних опорів.

КІ поділяються на КІ для коливальних контурів та дроселі.

Дроселем називається котушка індуктивності, яка вмикається в коло для створення опору струмам високої або низької частоти. Опір дроселя постійному струмові повинен бути мінімальним, а повний опір – достатньо високим і мати індуктивний характер. Чим вища частота фільтрації – тим розміри дроселя є меншими.

Котушки індуктивності бувають двох видів - з постійною та змінною індуктивністю.

Параметри дроселів та котушок індуктивності

Основними параметрами дроселів та котушок індуктивності є :

- індуктивність,

- допустиме відхилення індуктивності,

- добротність,

- власна ємність.

Індуктивність – це відношення потокозчеплення самоіндукції котушки до струму, що протікає через неї. Чим більша індуктивність котушки або дроселя, тим більша енергія магнітного поля, якими вони запасаються при заданому значенні струму. Індуктивність вимірюється у генрі, мілі-генрі, мікро-генрі (1Гн= 10³мГн = 10⁶ мкГн).

Індуктивність залежить від форми, розмірів і кількості витків котушки, а також від форми, розмірів та матеріалу її осердя.

Допустиме відхилення індуктивності – це відношення у (%) відхилення індуктивності котушки чи дроселя від заданого значення, наведене у технічній документації.

Добротність Q – це відношення реактивного опору котушки до її активного опору. Добротність визначає ККД та резонансні властивості контурів.

Власна ємність – це ємність, яка виникає між витками та шарами обмотки котушки. Власна ємність є паразитним параметром, який збільшує втрати енергії і зменшує стабільність роботи коливальних контурів.

В основному, КІ бувають 2 – х типів – об'ємні (циліндричні, квадратного і інших перерізів) та площинні (спіральні).

Для збільшення індуктивності і добротності у котушках і дроселях застосовують феромагнітні осердя. Наявність осердя може збільшити індуктивність котушки до 2,5 разів.

У випадку, коли необхідно усунути паразитні зв’язки у схемі, зумовлені зовнішнім електромагнітним полем для котушки застосовують екранування. Ефективність екранування зростає при зростанні частоти змінного струму і товщини екрану. Проте, наявність екрану зменшує індуктивність і добротність та збільшує власну ємність котушки.

Умовні графічні позначення дроселів та котушок індуктивності наведені на рис 1.2.

Розглянемо, як знаходяться індуктивності котушок деяких конструкцій [2].

Індуктивність (в мкГн) одношарової циліндричної котушки без осердя при намотці виток до витка (індуктивністю не більше 150 мкГн) знаходиться з виразу:

, (1.4)

де w - кількість витків;

l - довжина намотки, мм;

D - діаметр намотки, мм.

Кількість витків одношарової циліндричної котушки без осердя розраховується за формулою:

(1.5)

Діаметр проводу по ізоляції знаходиться із залежності:

(1.6)

Буквено-цифрове позначення котушок індуктивності та дроселів складається з великої літери ларинського алфавіту L та цифрового позначення номеру цього елемента у схемі, наприклад, L5.

L

• - котушка індуктивності, загальне позначення;

L

• - котушка із змінною індуктивністю (варіометр);

L

• - котушка індуктивності (дросель) з осердям.

Рисунок 1.2 – Умовні графічні позначення індуктивних елементів

На корпусах котушок індуктивності їхні позначення не вказуються. На корпусах промислових дроселів (в основному типу ДПМ) вказується тип дроселя, індуктивність в мкГн, допустиме відхилення та рік випуску.

Трансформатори

Трансформатори – це пристрої, що служать для зміни величини напруги, форми імпульсів, гальванічних розв’язок та узгодження опорів в електричних колах.

Трансформатор складається з магнітопроводу, на якому розміщені котушки (обмотки).

За призначенням трансформатори поділяються на: силові (трансформатори живлення), сигнальні (низькочастотні та радіочастотні), імпульсні, вимірювальні. Незважаючи на призначення трансформаторів, основні фізичні процеси, що відбуваються в них, однакові.

При створенні силових трансформаторів найважливішою вимогою до них є відтворення без спотворень гармонійних сигналів.

Сигнальні трансформатори проектуються для роботи у широкому діапазоні частот і основною вимогою до них є передача без спотворень імпульсів прямокутної форми.

Основні параметри трансформаторів

Основними параметрами трансформаторів є:

- номінальна потужність Р,

- коефіцієнт трансформації К_Т,

- коефіцієнт корисної дії трансформатора .

Номінальна потужність – це сума потужностей усіх вторинних обмоток трансформатора. Потужність кожної з вторинних обмоток (Вт) визначається як добуток номінального струму обмотки та номінальної напруги на ній.

Коефіцієнт трансформації – це відношення кількості витків вторинної обмотки w₂ до кількості витків первинної w₁.

(1.7)

Якщо коефіцієнт трансформації К_Т < 1, трансформатор вважають понижувальним, коли ж К_Т > 1, то – підвищувальним.

Коефіцієнт корисної дії трансформатора характеризує втрати енергії електричного кола при проходженні її через трансформатор. У найкращих трансформаторів  = 90%.

Ще однією величиною, яка характеризує залежність вихідної потужності від габаритів трансформатора є його габаритна потужність Р_габ. Усі інші параметри трансформатора визначаються за допомогою наведених величин.

Умовні графічні позначення трансформаторів на принципових електричних схемах наведені на рис 1.3.

Осердя трансформатора – це магнітопровідний матеріал, який замкнений вздовж шляху магнітного потоку Ф. Осердя потрібне для зменшення магнітного опору R_м, щоб збільшити магнітний потік, яким передається енергія.

- - трансформатор з однією вторинною обмоткою,

- трансформатор з кількома вторинними обмотками,

- трансформатор з екранованим магнітопроводом.

Рисунок 1.3 – Умовні графічні позначення трансформаторів

Магнітний потік трансформатора знаходиться з виразу:

(1.8)

Позначення на корпусах трансформаторів здійснюється у виді цифро-буквенного кода. Цей код містить інформацію про тип трансформатора та його характеристики. Розшифрування позначення трансформаторів наводиться у відповідній технічній літературі [1, 2].

Буквено-цифрове позначення трансформаторів складається з великої літери ларинського алфавіту Т та цифрового позначення номеру цього елемента у схемі.

Л Е К Ц І Я № 2