Порядок розрахунку електронних схем

Електричні розрахунки ТЕВ виділяються у вигляді окремих параграфів, яким присвоюються конкретні заголовки. Після заголовка формулюється завдання для розрахунку з визначенням, що конкретно необхідно розрахувати. Потім потрібно навести вихідні дані, які необхідні для розрахунку, зокрема, якщо якась величина або позначення появляються в розрахунках вперше, то необхідно дати їм назву.

Потім повинна бути наведена електрична принципова схема ТЕВ, який підлягає розрахунку. Позиційне позначення елементів схеми відображає ознаки електричного кола в якому вони знаходяться або елемента до якого вони під’єднані (наприклад, R_к − резистор в колі колектора, С_е − конденсатор в колі емітера і т.д.) або функцію, яку вони виконують (наприклад, С_ф − конденсатор фільтра, R_обм − обмежуючий резистор і т.д.). Електричну принципову схему, або її фрагменти для розрахунку, допускається виконувати в довільному масштабі.

Крім розрахункових формул необхідно наводити характеристики окремих елементів, діаграми, таблиці та номограми, які використовуються в розрахунках. При розрахунках у відповідних місцях тексту необхідно робити посилання на літературні джерела, з яких запозичені математичні формули, характеристики, таблиці, номограми, параметри.

При розрахунках резисторів і конденсаторів, крім розрахункового значення відповідної величини, необхідно розраховувати значення допустимих параметрів. Для резисторів такими параметрами є: номінальна потужність, допустиме відхилення від номінального значення у відсотках. Для конденсаторів такими параметрами є: номінальне значення ємності, максимальне значення робочої напруги, допустиме відхилення ємності від номінального значення. При виборі типів резисторів і конденсаторів потрібно також враховувати їх точність, температурну і часову стабільність, надійність, масогабаритні показники і вартість.

 

Послідовність розрахунку електронних схем

Розрахунок складного електронного пристрою полягає в послідовному розрахунку типових електронних вузлів, з яких синтезований складний пристрій. Розрахунки виконуються для ТЕВ (підсилювальні каскади, випрямлячі, згладжуючі фільтри і т.д.) і для більш складних розповсюджених електронних пристроїв (стабілізатори, генератори синусоїдальних коливань і т.д.). Розрахунок ТЕВ переважно починають зі сторони його виходу до входу. При розрахунку ТЕВ часто дотримуються такої послідовності:

а) попередній розрахунок вихідних параметрів функціональних елементів, який виконується при виборі їх принципових схем;

б) розрахунки, на основі яких вибираються типи активних елементів (транзистори, діоди, мікросхеми);

в) розрахунки робочих режимів активних елементів, які включають розрахунок температурної нестабільності;

г) розрахунок значень параметрів пасивних елементів, які забезпечують режими активних елементів, а також розрахунок струмів і спадів напруг через пасивні елементи в режимі спокою і розрахунок потужностей, які на них розсіюються;

д) вибір номінальних значень параметрів пасивних елементів та їх типів;

е) розрахунок параметрів електронних пристроїв для перевірки їх відповідності до технічного завдання.

Розрахунки за пунктами а), б) і в) - входять в розрахункову процедуру, а розрахунки за пунктами д) і е) – до її аналізу.

Завдання аналізу найбільш відповідальне, його результат повинен бути достатньо точним. Оскільки аналітичні методи не забезпечують необхідної точності, то аналіз ТЕВ переважно здійснюють на фізичній моделі (макеті) або на ЕОМ за допомогою спеціальних пакетів програм. Необхідно відмітити, що достовірність результатів макетування переважно є вища, ніж отриманих на ЕОМ.

Вибір електрорадіоелементів

 

При розрахунку виникає завдання вибору електрорадіоелементів з надзвичайно широкого їх асортименту. Вважаємо, що стандартний електронний елемент вибраний правильно, якщо номінальне значення його параметрів знаходяться в допустимих межах (рівні, більші або менші) з розрахунковими значеннями цих параметрів, а умови експлуатації відповідають технічним умовам.

Транзистори

Транзистори є приладами універсального застосування і можуть успішно використовуватися у типових електронних схемах різного призначення, однак їх рекомендується застосовувати за призначенням, яке вказане в довіднику.

За призначенням транзистори поділяються на підсилювальні, перемикаючі (імпульсні), генераторні і спеціальні (лавинні, двоемітерні, здвоєні і т.д.). В довідниках наводяться параметри транзисторів у певних режимах експлуатації. Робочий режим транзистора в пристрої, який підлягає розрахунку, може відрізнятися від вказаного в довіднику. В цьому випадку необхідно за наведеними у довіднику характеристиками визначити параметри транзистора, які відповідають вибраному режиму.

Застосування високочастотних транзисторів у низькочастотних електронних схемах небажано, оскільки вони дорогі, схильні до самозбудження і виникнення вторинного пробою та мають менші експлуатаційні запаси.

Не допускається перевищення максимального допустимого значення напруг, струмів, потужності розсіювання. Для надійної роботи транзистора напруга на його колекторі і потужність повинні складати не більше, ніж (70-80)% від максимально-допустимих значень, або при допустимому значенні тільки одного з наведених параметрів.

Не бажано застосовувати потужні транзистори у тому випадку, коли можна використати малопотужні, оскільки при використанні потужних транзисторів в режимі малих струмів їх коефіцієнт підсилення за струмом малий і сильно залежить від струму колектора і від температури оточуючого середовища. Крім цього, погіршуються масогабаритні і вартісні показники електронного пристрою.

Якщо не має особливих причин для застосування германієвих транзисторів, то краще використовувати кремнієві. Кремнієві транзистори краще працюють при високих температурах, мають більш високі напруги пробою і менші значення зворотних струмів.

Коефіцієнт підсилення за струмом транзистора в схемі зі спільним емітером (β або h_21e) залежить від колекторного струму і при деякому його значенні досягає максимального значення. Для оптимального підсилення на низьких частотах бажано вибирати значення колекторного струму, при якому коефіцієнт підсилення близький до максимального. В інших випадках потрібно вибирати типове значення коефіцієнта підсилення за струмом, яке вказане в довідниках або дорівнює середньому арифметичному 0,5·() чи геометричному його значенню, якщо у довіднику вказані границі зміни значень β.

Напівпровідникові діоди

 

Необхідно застосовувати діоди в залежності від призначення, наприклад в випрямлячах необхідно використовувати випрямляючі діоди, а в імпульсних пристроях – імпульсні діоди і т.д. Зворотна напруга на діоді і прямий струм через нього не повинні перевищувати (70-80)% від максимально-допустимого значення. Робоча частота діода не повинна перевищувати максимального значення, яке вказане в довіднику. Якщо не має особливих міркувань, щодо застосування германієвих діодів, то краще використовувати кремнієві. Кремнієві діоди краще працюють при високих температурах, мають більш високі напруги пробою і менші значення зворотних струмів. В останній час у випрямлячах використовуються діоди Шоткі, які мають в менший спад напруги в прямому напрямку і менше значення зворотного струму, ніж у кремнієвих діодів.

 

Резистори

В схемах електронних вузлів, які підлягають розрахунку, в якості різноманітних навантажень, подільників напруги, елементів фільтрів, в колах обмеження струмів і т.д. необхідно застосовувати резистори постійного значення загального застосування. У навчальних розрахунках рекомендується застосовувати резистори загального застосування типів: С2-23 і С2-33. У випадках, коли значення параметрів резисторів загального застосування не задовольняють необхідні вимоги, наприклад, низька точність, мале значення опору, велике значення номінальної потужності, необхідно застосовувати спеціальні постійні резистори (прецизійні, високочастотні, високовольтні, низькоомні і т.д.).

Допустиме відхилення опору від номінального значення необхідно вибирати з урахуванням впливу цього відхилення на вихідних параметрів типового електронного вузла або пристрою.

Змінні резистори необхідного вибирати в залежності від конкретного їх призначення: підналагоджувальні резистори, в яких рухома система розрахована на незначну кількість переміщень (до 1000 циклів), в якості тільки підналагоджувальних, а регулювальні, маса, габарити і вартість яких вищі – в якості регулювальних.

 

Конденсатори

Тип електричного конденсатора вибирається за сукупністю вимог: номінального значення ємності, виду і значення робочої напруги та застосування. Якщо конденсатор повинен працювати в колі змінної напруги високої частоти, то необхідно враховувати також тангенс кута діелектричних втрат.

Допустиме відхилення ємності від номінального значення необхідно вибирати з урахуванням чутливості до нього вихідних параметрів конкретної електронної схеми.

Для переважної більшості типів конденсаторів у довідниках наводиться номінальне значення робочої напруги постійного струму. Ефективне значення напруги змінного струму на конденсаторі повинно бути в (1,5–2) рази менше від вказаного значення робочої напруги постійного струму.

При роботі конденсатора в колі пульсуючого струму сума постійної напруги і амплітудного значення змінної напруги на ньому не повинна перевищувати його номінальної робочої напруги.

Оксидні (електролітичні) конденсатори виготовляють двох видів: полярні і неполярні. Полярні конденсатори застосовують лише в тих колах, в яких постійна складова напруги на конденсаторі буде більша від амплітуди змінної складової сигналу. На неполярні конденсатори це обмеження не розповсюджується. Оксидні конденсатори розраховані на робочі напруги від одиниць до декількох сотень вольт, мають велику питому ємність і значення їх ємностей знаходиться в межах від одиниць до сотень тисяч мікрофарад. Полярні оксидні конденсатори не допускають роботи при великих значеннях змінної напруги, переважно допустиме амплітудне значення змінної напруги не перевищує 5В. При застосуванні оксидних конденсаторів у колах пульсуючого або змінного струму, слід врахувати їх нагрівання за рахунок опору втрат конденсатора і вибрати типи конденсаторів з відповідною робочою температурою. Оксидні конденсатори переважно застосовуються в згладжуючих фільтрах, в схемах розділення за постійним струмом, а також в схемах блокування і фільтрації. В навчальних розрахунках рекомендується застосовувати оксидні полярні конденсатори таких типів: К50-6, К50-16, К50-18, К50-20, К50-29, К50-31, К53-7 та інші. В якості оксидних неполярних можна використати, наприклад, конденсатори типів К50-6, К50-15, К52-8.

Не потрібно, без необхідності, застосовувати конденсатори з номінальної напругою, яка значно перевищує робочу, оскільки в цьому випадку значно погіршуються масогабаритні показники і вартість проектованого електронного вузла або пристрою.

При виборі типу конденсаторів, які визначають стабільність і точність часових і частотних параметрів окремих ланок електронної схеми, необхідно застосовувати прецизійні конденсатори з мали значенням температурного коефіцієнта ємності (ТКЄ), наприклад, конденсатори типів: МПО, К71, К73, К77 та інші.

 

 

Мікросхеми

Основною умовою застосування інтегральних мікросхем є строге дотримання режимів роботи, які рекомендовані в технічних умовах на вибрану мікросхему. Це відноситься в першу чергу до значень і полярності напруг живлення, опору навантаження і діапазону температур оточуючого середовища.

Бажано розглянути можливість застосування інтегральних мікросхем загального застосування, які характеризуються низькою вартістю, широким діапазоном напруг живлення, наявністю захисту входу і виходу. Зокрема, при розрахунку підсилювачів низької частоти на операційних підсилювачах (ОП) необхідно надавати перевагу мікросхемам серій: К140, К544, К153. При виборі типів операційних підсилювачів можна користуватися даними, які наведені в додатку 8 або довідковою літературою [15, 22, 23].

Для усунення високочастотної паразитної генерації через спільні кола живлення, до кожного виводу живлення операційного підсилювача рекомендується під’єднати конденсатор ємністю (0,01 – 0,05) мкФ. Для схем, які чутливі до малих значень вхідних напруг і струмів, потрібно передбачити захист входів ОП від струмів витікання, який доцільно виконати у вигляді провідного кільця, друкованої доріжки, яке розташовують навколо входів ОП і з’єднують з спільним виводом схеми. Шини живлення вихідних каскадів слід з’єднати безпосередньо з виходами блоку живлення.

Для захисту входів ОП від викидів диференціального сигналу при перехідних процесах бажано між його входам вмикати два зустрічно-паралельні діоди. Якщо ОП не має вбудованого захисту від короткого замикання на виході, то необхідно послідовно з вихідним виводом ввімкнути резистор з опором біля 200 Ом, а коло зворотного зв’язку під’єднати до другого виводу цього резистора. Таке ввімкнення забезпечує захист ОП від короткого замикання на виході і практично не впливає на вихідний опір схеми.