Основные компоненты электронной техники

В задачах этого раздела на простых практических схемах рассматриваются условия выбора, параметры и режимы работы полупроводниковых приборов – выпрямительных диодов, стабилитронов, фотодиодов и светодиодов, транзисторов и тиристоров. Для резисторов и конденсаторов рассчитанные параметры округляются до ближайшего номинального значения из ряда Е 6, Е 12, Е 24.

Задача 2.1.1. Представить схему мостового выпрямителя с конденсатором фильтра на выходе, выбрать тип диодов, определить выходное напряжение и емкость конденсатора фильтра при заданных значениях коэффициента пульсаций p = 0,02, входного напряжения и тока нагрузки (табл. 2.1.1). Представить условия выбора диодов при наличии конденсатора фильтра и без него.

Таблица 2.1.1

Вариант
		6,3		12,6
	0,41	0,52	0,35	0,45	0,26	0,34	0,2	0,1	0,045	0,076

Методические указания

Диоды выбираются по двум максимально допустимым параметрам и , которые должны превышать соответствующие фактические значения и на 20 – 30%. В свою очередь величины и связаны с напряжениями , и током нагрузки определенными соотношениями в зависимости от схемы выпрямителя и наличия сглаживающего фильтра. Эти соотношения приводятся в литературе и должны использоваться как условия выбора диодов.

Емкость конденсатора фильтра определяется по заданному коэффициенту пульсации p, сопротивлению нагрузки с учетом частоты пульсации , равной удвоенной частоте питающей сети из выражения:

.

Задача 2.1.2. Представить схему и произвести расчет параметрического стабилизатора напряжения с заданными значениями коэффициента стабилизации , выходного напряжения и сопротивления нагрузки (табл. 2.1.2). Выбрать тип полупроводникового стабилитрона, определить необходимое напряжение питания , сопротивление балластного резистора и его мощность . Рассчитать фактическое изменение выходного напряжения при подключении нагрузки и при изменении напряжения питания на 20 % в условиях холостого хода.

Вариант

Таблица 2.1.2

Методические указания

Тип стабилитрона выбирается по величине с учетом тока нагрузки из условий: , . При этом должно выполняться соотношение .

Напряжение питания и сопротивление можно определить из системы уравнений:

где – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Параметр берется из справочника для тока стабилизации, являющегося средним значением между и .

Тип резистора выбирается по рассеиваемой на нем мощности .

После расчета сопротивление балластного резистора необходимо округлить до ближайшего номинального значения в соответствии с типовым рядом сопротивлений. В зависимости от точности изготовления резисторов предусматривается: ряд Е 12 (допуст. погрешность 10 %); ряд Е 24 (погрешность 5 %); ряд Е 48 (доп. погрешность 2 %) и др. (см. табл. 2.1.3.)

Таблица 2.1.3

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

Фактическое сопротивление резистора R определяется выражением:

,

где n = 0, 1, 2, 3…– порядок числа.

Наиболее широко применяются резисторы типов МЛТ (маломощные) и ПЭВ, С5 – 35В (мощные).

МЛТ – металлопленочный, лакированный, теплостойкий. Они выпускаются пяти видов по номинальной мощности от 0,125 Вт до 2 Вт и имеют соответствующее обозначение: МЛТ-0,125; МЛТ-0,25; МЛТ-0,5; МЛТ-1; МЛТ-2.

Сопротивление этих резисторов соответствуют рядам: Е 12; Е 24; Е 48 и находится в пределах: 1 – 910 Ом; 1 – 910 кОм; 1 – 10 МоМ.

ПЭВ – проволочные, эмалированные, радиальные выводы. Выпускаются 11 видов по номинальной мощности: 3; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 75; 100 Вт.

Сопротивление этих резисторов соответствуют ряду Е 24 и находится в пределах 1 – 56000 Ом в зависимости от мощности.

Изменения выходного напряжения при изменении напряжения питания и подключении нагрузки определяются из выражений:

,

.

Задача 2.1.3. Представить схему оптоэлектронного позиционного датчика с управляемым оптическим каналом, содержащую светодиод и фотодиод с соответствующими резисторами и . Выбрать типы светодиода и фотодиода, задать режимы их работы и определить сопротивление резисторов в схеме при напряжении питания датчика . Рассчитать напряжение на выходе датчика при световом потоке через оптический канал и нагрузке (табл. 2.1.4).

Таблица 2.1.4

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

Методические указания

Целесообразно выбрать светодиод с инфракрасным спектром излучения, при котором фотодиод может использоваться с защитным

ИК-фильтром. Номинальный ток светодиода в позиционном датчике выбирается в пределах до 20 % от максимального тока для повышения срока службы излучателя.

Фотодиод выбирается на основе кремния, что уменьшает темновой ток и повышает термостабильность датчика.

Сопротивление ограничительного резистора светодиода равно

,

где - прямое падение напряжения на светодиоде (из справочника).

Сопротивление выходного резистора в цепи фотодиода выбирается в пределах 10 – 100 кОм в зависимости от сопротивления внешней нагрузки из условия .

Выходной сигнал датчика можно определить, используя выражение

,

где – интегральная чувствительность светодиода (из справочника).

Рекомендуемые типы светодиода и фотодиода:

светодиод – ;

фотодиод – .

Задача 2.1.4. Определить фактические параметры транзистора в рабочей точке , (табл. 2.1.5), используя его входные и выходные вольтамперные характеристики:

– статическое входное сопротивление

(по постоянному току);

– дифференциальное входное

сопротивление (по переменному току);

– статическое выходное сопротивление

(по постоянному току);

– дифференциальное выходное

сопротивление (по переменному току);

– статический коэффициент передачи тока;

– дифференциальный коэффициент

передачи тока.

Таблица 2.1.5

Вариант
	0,3	0,35	0,4	0,45	0,5	0,55	0,6	0,65	0,7	0,75

Сравнить полученные значения статических и дифференциальных параметров транзистора и показать их отличие в виде неравенств.

 

Методические указания

Для определения дифференциальных сопротивлений транзистора на графике входных или выходных характеристик откладывают приращения функции как катеты треугольника с вершиной в рабочей точке. Для определения статических сопротивлений используют координаты этой точки.

При определении коэффициента передачи необходимо взять приращение токов базы и коллектора между соседними выходными характеристиками для заданного напряжения в рабочей точке.

Задача 2.1.5. Представить схему тиристорного выключателя для управления силовым электромагнитом при его питании от мостового выпрямителя. Выбрать тип тиристора, определить параметры сигнала управления и мощность, рассеиваемую тиристором, при заданных значениях напряжения питания и сопротивления электромагнита (табл. 2.1.6). Определить максимальную мощность в нагрузке, которую может коммутировать выбранный тиристор.

Таблица 2.1.6

Вариант

Методические указания

Тиристор выбирается по максимально допустимым параметрам и , которые должны превышать соответствующие фактические максимальные значения и на 20 – 30 %.

Фактическое значение определяется амплитудой напряжения питания (при использовании защитного диода). Ток соответствует току нагрузки тиристора .

Мощность, рассеиваемая тиристором, определяется падением напряжения на открытом тиристоре и током .

Максимальная мощность в нагрузке, коммутируемая тиристором,

определяется по предельным параметрам и .

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

В этом разделе рассматриваются инженерные методы расчета усилительных каскадов на биполярных и полевых транзисторах, вычитающего и интегрирующего операционных усилителей, влияние обратной связи на параметры усилителя.

Задача 2.2.1. В двухкаскадном транзисторном усилителе с ОС последовательно-параллельного типа определить собственный коэффициент усиления , если необходимо ограничить изменение результирующего коэффициента усиления в заданных пределах (табл. 2.2.1) при изменениях каждого транзистора в 2 раза. Рассчитать входное и выходное сопротивления усилителя, если заданы входные и выходные сопротивления усилительного каскада .

Вариант

Таблица 2.2.1

Методические указания

Для решения задачи необходимо использовать известное выражение, связывающее коэффициенты усиления замкнутого усилителя , разомкнутого усилителя и коэффициент передачи цепи обратной связи . Так как в этом выражении два неизвестных коэффициента и , то их необходимо включить в систему двух уравнений. В первое уравнение, связывающее , и , подставляется исходное заданное значение . Во втором аналогичном уравнении вместо берется в соответствии с изменением коэффициента двух транзисторов, а вместо подставляется увеличенное его значение как следствие изменения .

Получив из этой системы уравнений значение коэффициента , можно рассчитать сопротивления и , которые определяются глубиной ОС, то есть отношением .

Задача 2.2.2. Составить и рассчитать схему транзисторного и усилительного каскада с общим эмиттером, определить его коэффициент усиления , входное сопротивление и выходное сопротивление для условий холостого хода и при включенной нагрузке . Построить диаграммы напряжений на входе, коллекторе и нагрузке. В схеме предусмотреть эмиттерную стабилизацию режима работы транзистора.

Исходные данные:

– напряжение питания ;

– сопротивление резистора в цепи коллектора (табл. 2.2.2);

– частота входного сигнала ;

– параметры транзистора .

Вариант

Таблица 2.2.2

Методические указания

Расчет каскада начинают с определения рабочей точки транзистора , обеспечивающей режим работы каскада в классе . Используя коэффициент передачи транзистора , определяют рабочий ток базы и напряжение , по которому рассчитываются сопротивления базового делителя. При этом задают ток делителя и напряжение на эмиттере

Емкость конденсаторов на входе, выходе и эмиттере определяется из условия «, где – сопротивление резистора , или .

Параметры усилительного каскада , и рассчитываются по известным формулам, при этом для нагруженного усилительного каскада вместо подставляется эквивалентное сопротивление

.

При построении диаграммы напряжения на коллекторе необходимо учитывать постоянную составляющую , а также сдвиг фазы этого сигнала относительно входного.

В связи с малым значением сопротивлений и емкость конденсаторов может быть значительной (10 – 100 МкФ). Поэтому выбираются конденсаторы, например, типа К50 – 16. Номинальные значения емкости этих конденсаторов соответствуют ряду Е 12, а рабочие напряжения выбираются из ряда: 6,3; 10; 15; 20; 25 В и т. д.

Задача 2.2.3. Представить схему вычитающего операционного усилителя (ОУ), в котором сигнал через резистор подается на инвертирующий вход, сигнал подводится через делитель напряжения к неинвертирующему входу, а в цепи ОС включен резистор . Выбрать и обосновать теоретически сопротивления резисторов , в делителе напряжения, рассчитать выходной сигнал вычитающего ОУ при заданных входных сигналах и (табл. 2.2.3).

Таблица 2.2.3

Вариант
	0,25	0,35	0,45	0,55	0,65	0,75	0,85	0,95	1,05	1,15
	0,35	0,55	0,75	0,95	1,15	1,35	1,55	1,75	1,95	2,15

Определить входное сопротивление по каждому из входов и , учитывая собственные параметры усилителя: , , .

Методические указания

Определение выходного напряжения осуществляется методом суперпозиции с использованием коэффициентов передачи ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам. Последние рассчитываются по известным зависимостям, приведенным в литературе.

При определении входного сопротивления по неинвертирующему входу необходимо учитывать сопротивления делителя , , а коэффициент принять равным .

Задача 2.2.4. Составить схему интегрирующего операционного усилителя (ОУ) со сбросом заряда конденсатора. Определить максимальный уровень выходного напряжения ОУ при двух видах входного сигнала: четырех однополярных импульсах со скважностью и переменном напряжении прямоугольной формы. Построить в соответствующем масштабе

диаграммы напряжений на входе и выходе ОУ.

Исходные данные:

– сопротивление входного резистора ;

– емкость конденсатора в цепи ОС ;

– амплитуда входного сигнала и его частота заданы

в табл. 2.2.4.

Таблица 2.2.4

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

Методические указания

Выходное напряжение интегрирующего ОУ для рассматриваемого

случая можно определить, учитывая его реакцию на ступенчатый входной сигнал

, (2.2.1)

где – начальное напряжение на выходе ОУ.

Перед вычислением выходного напряжения целесообразно построить диаграммы сигналов на входе и выходе интегратора. Как следует из выражения (2.2.1), выходное напряжение ОУ линейно нарастает за время действия каждого входного импульса. В паузах между импульсами это напряжение остается неизменным.

При знакопеременном входном напряжении конденсатор перезаряжается в каждом полупериоде и на выходе ОУ формируется переменное

напряжение треугольной формы.

При построении диаграмм необходимо учитывать смену знака выходного сигнала относительно входного, а также удвоение скорости изменения напряжения при переменном входном сигнале.

Определив по диаграммам фактическое время интегрирования при заданной частоте (и количестве) входных импульсов, подставляют эту величину в выражение (2.2.1) для определения напряжения .

Рекомендуемая литература