Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

 

 

ГОРПИНИЧ А.В., ПИВЕНЬ А.А.

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ

И САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ

По курсам

«ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА»

и

«ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»

для студентов дневной и заочной форм обучения по специальностям

Электротехнические системы электропотребления,

Промышленная теплотехника,

Теплоэнергетика

 

Утверждено на заседании

кафедры электроснабжения

промышленных предприятий

Протокол № 6 от 3 января 2007 г.

 

Мариуполь 2007 г.

УДК 621.37/39 (075)

 

 

Методические указания к практическим занятиям и самостоятельной работе по курсам «Промышленная электроника» и «Электротехника и электроника» для студентов дневной и заочной форм обучения по специальностям 8.090603 – электротехнические системы электропотребления, 8.090406 – промышленная теплотехника, 8.090510 – теплоэнергетика/ Составили: А.В. Горпинич, А.А. Пивень. – Мариуполь: ПГТУ, 2007. – 32 с.

 

Составили: канд. техн. наук, доц.   Ответственный за выпуск зам. зав. каф. ЭПП, докт. техн. наук, проф.   Рецензент канд. техн. наук, доц.

Горпинич А.В. Пивень А.А.     Саенко Ю.Л.     Гаврилов Ф.А.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ И СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЙ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Бурное развитие электронной техники привело к необходимости достаточно часто менять систему обозначений, так как появлялись новые приборы, которых не могли предусмотреть на более ранних этапах развития. Так, начиная с 1973 года, вновь разрабатываемым приборам присваиваются обозначения в соответствии с ГОСТ 10862-72. Обозначения состоят из четырех элементов.

Первый элемент - буква илицифра, обозначает материал:

Г или 1 - германий или его соединения;

К или 2 - кремний или его соединения;

А или 3 - соединения галлия.

Второй элемент - буква, указывающая класс прибора:

 

Т - транзисторы биполярные;	Н - тиристоры диодные;
П - транзисторы полевые;	У - тиристоры триодные;
Д - диоды;	Л - излучатели;
Ц - выпрямительные столбы и блоки;	Г - генераторы шума;
А - диоды СВЧ;	Б - диоды Ганна;
В - варикапы;	К - стабилизаторы тока;
И - диоды туннельные и обращенные;	С - стабилитроны и стабисторы.

 

Третий элемент - число, указывающее назначение и качественные свойства приборов, а также порядковый номер разработки в соответствии с нижеприведенной таблицей.

 

Транзисторы биполярные и полевые

Мощность	Частота	Диапазон кода
Начало	Конец
Малая	Низкая
Средняя
Высокая
Средняя	Низкая
Средняя
Высокая
Большая	Низкая
Средняя
Высокая

 

Диоды

Назначение	Частота,	Диапазон кода
	ток	Начало	Конец
	Малой мощности, I £ 0,3 A
Выпрямительные	Средней мощности, 0,3 < I £ 10 A
	Универсальные (f = 1 ГГц)
	t восст > 150 нс
	30 < t восст £ 150 нс
Импульсные	5 < t восст £ 30 нс
	1 < t восст £ 5 нс
	t восст £ 1 нс

Четвертый элемент - буква, указывающая разновидность типа из данной группы приборов (деление на параметрические группы).

Пример расчета простейшей нелинейной цепи

Задача 2.1.

Рассчитать схему (рис. 2.1), содержащую нелинейный элемент (диод), двумя способами – графическим и итерационным. Точность расчета аналитическим способом: =0,000001.

Исходные данные:

= 5B = 1000 Ом = 300 K = 2,5 = 10^-6 A = 1,38∙10^-23 Дж/К =1,6·10^-19 Kл	Решение задачи: 1. Графический способ решения Расчет электрической цепи выполняем на основании формул (2.5) и (2.6): . .
Определить: , .	Используя первое уравнение, строим прямую изменения напряжения на резисторе :

Если , то . Если , то В.

На оси Y откладываем найденное значение максимального тока , на оси Х – значение напряжения В. Через построенные точки проводим прямую (рис. 2.4). Значение делим на 6÷10 равномерных отрезков и находим – шаг, с которым рассчитывается табл. 2.1. Затем строится ВАХ диода. В нашем случае делим на 10 равномерных отрезков:

мА.

.

 

 

 

Таблица 2.1
, мА	, В
0,5	0,40214
	0,44691
1,5	0,47312
	0,49172
2,5	0,50614
	0,51793
3,5	0,52790
	0,53654
4,5	0,54415
	0,55097

После приведения постоянных коэффициентов получим:

.

Используя полученную формулу и подставляя вместо значения из первой колонки табл. 2.1, заполняется вторая колонка таблицы. На основании этой таблицы строим ВАХ диода (рис. 2.4). Точка пересечения наклонной прямой и ВАХ диода является решением задачи, а проекция найденной точки на оси координат – ответом.

Ответ: = 4,46 мA; = 0,54 B.

 

2. Аналитический расчет методом итераций

Аналитический расчет выполняется методом итераций. Точность выполнения расчета задана в условии задачи – =0,000001.

1 шаг: Принимаем начальное значение .

А;

.

 

Выполняем приведение постоянных коэффициентов

 

В.

 

2 шаг: А;

 

В.

 

Если < , то STOP; иначе – переходим к следующему шагу.

 

0,005 – 0,00449 = 0,00051 > – переходим к следующему шагу.

 

3 шаг: А;

В.

 

Если < , то STOP; иначе – переходим к следующему шагу.

 

0,00449-0,00445658 = 0,000033 > – переходим к следующему шагу.

 

4 шаг: А;

В.

 

Если < , то STOP; иначе – переходим к следующему шагу.

 

0,00445658-0,00445647 = 0,00000011 < – конец расчета.

 

Ответ: = 4,456 мA; = 0,54352658 B.

2.4. Варианты задач для домашнего самостоятельного решения

 

Расчет простейших нелинейных цепей. Задание 1. Группа 1.

 

Рис.2.5. Схема расчетной цепи

 

Таблица 2.1

 

№	Е, В	R, Ом	T, K	m	I0, A	I, A	U, B
					10^-7
				2,5	5·10^-6
				2,1	10^-6
				2,8	10^-5
				2,2	3·10^-6
					7·10^-6
				2,3	2·10^-6
				2,9	4·10^-6
				2,4	6·10^-6
				2,6	8·10^-6
					2,5·10^-6
				2,7	1,8·10^-6
				2,1	5,2·10^-6
				2,5	7,4·10^-6
				2,8	9·10^-6
				2,2	1,2·10^-6
				2,6	3,8·10^-6
				2,3	6,4·10^-6
				2,9	8,1·10^-6
				2,4	1,7·10^-6
					2,3·10^-6
				2,7	4,2·10^-6
					7,6·10^-6
				2,5	8,5·10^-6
					3,1·10^-6

 

Расчет простейших нелинейных цепей. Задание 1. Группа 2.

 

Рис.2.6 – Схема расчетной цепи

 

Таблица 2.2

 

№	Е, В	R, Ом	T, K	m	I0, A	I, A	U, B
				1,5	2·10^-6
				1,7	2,4·10^-6
				2,2	1,3·10^-6
					1,5·10^-6
				2,8	1,7·10^-6
				1,2	4,5·10^-6
				2,5	8·10^-6
				1,8	7,7·10^-6
				1,1	8,2·10^-6
				1,9	3,2·10^-6
				2,3	7,9·10^-6
				2,9	1,2·10^-6
					1,7·10^-6
					4,2·10^-6
				2,8	1,1·10^-6
				2,3	1,3·10^-6
				1,8	4·10^-6
					5·10^-6
				2,6	8,1·10^-6
				2,4	4,2·10^-6
				2,1	5,2·10^-6
				2,8	2·10^-6
				1,2	3,1·10^-6
				1,7	4,5·10^-6
				2,3	5,4·10^-6

 

 

ПО СХЕМЕ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

В устройствах промышленной электроники наиболее широкое распространение нашла схема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), обладающая наибольшим усилением по мощности. Расчет такого каскада усиления производится графоаналитическим методом на основе входных и выходных вольт-амперных характеристик (ВАХ) транзистора. Рассмотрим эти характеристики для схемы с ОЭ.

Выходные ВАХ. Выходные ВАХ представляют собой семейство характеристик при . При к коллекторному переходу транзистора приложено прямое напряжение. Коллекторный переход открыт и инжектирует дырки в базу навстречу току дырок из эмиттера. В результате ток . По мере повышения в области I прямое напряжение на коллекторном переходе падает, а ток коллектора увеличивается. На границе с областью II прямое напряжение снимается с коллекторного перехода и в области II действует обратное напряжение. Таким образом, можно выделить три характерных области.

Область I – область насыщения, которая характеризуется потерей транзистором свойств усилительного элемента.

Область II – ток почти не зависит от . В этой области транзистор обладает свойствами управляемого источника тока.

Область III – пробой коллекторного перехода.

Входные ВАХ. Входные ВАХ представляют собой семейство характеристик при . При оба перехода в транзисторе работают при прямом напряжении. ВАХ в этом случае представляет собой ВАХ двух p-n-переходов (или диодов), включенных параллельно. При , обеспечивающем обратное напряжение на коллекторном переходе, при определяется обратным током коллекторного перехода или тепловым током .

Расчет усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером можно разбить на два самостоятельных этапа:

Первый этап. Расчет усилительного каскада по постоянному току. Этот этап предусматривает выбор рабочей точки транзистора и расчет элементов схемы, обеспечивающих нахождение транзистора в этой точке (точка П). Расчет точки П включает в себя построение линии динамической нагрузки транзистора, выполняемое на вольт-амперных характеристиках, выбор точки П на построенной линии и расчет резисторов , , , , удерживающих транзистор в точке покоя при отсутствии сигнала на входе усилительного каскада.

Второй этап. Расчет усилительного каскада по переменному току. Этот этап предусматривает расчет усилительных и качественных характеристик каскада. В данном варианте рассчитывается входное и выходное сопротивления каскада усиления, коэффициент усиления каскада по напряжению, а также коэффициент усиления по току транзистора. Для выполнения поставленной задачи используется схема замещения усилительного каскада с полным расчетом элементов этой схемы.

Исходными данными для расчета усилительного каскада являются тип транзистора, входные и выходные ВАХ, ЭДС источника питания, принципиальная схема каскада и соотношение между сопротивлениями резисторов и токами _.

Пример расчета усилительного каскада с ОЭ

 

Задача 3.1.

1. Найти по справочнику вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзистора КТ312А и скопировать их для графической обработки (рис. 3.9).

2. На основании указанного значения в рабочей зоне транзистора построить нагрузочную характеристику и выбрать точку покоя П. Используя схему усилительного каскада с ОЭ (см. рис. 3.3), рассчитать элементы схемы, обеспечивающие нахождение транзистора в точке покоя – , , , . Определить на ВАХ все параметры, которые будут нужны для дальнейшего расчета: , , , и т.д.

3. Предполагаем, что усилитель предназначен для работы в звуковом диапазоне, т.е. на частоте кГц.

4. Выполнить расчет каскада на переменном токе. Уточнить положение нагрузочной характеристики, построить схему замещения каскада. Рассчитать все параметры: промежуточные – , , ; основные – , , , .

5. Привести графические и аналитические расчеты каскада с использованием входных и выходных ВАХ, элементную (принципиальную) схему и схему замещения каскада, полный алгоритм расчета с формулами в общем виде (без вывода). После окончания очередного этапа расчета основные результаты выносятся в ответ.

 

Исходные данные:

= 25 В = 3 = 10	Решение задачи: 1. Расчет усилительного каскада по постоянному току
Определить: I этап – , , , ; II этап – , , , .	ВАХ транзистора изображены на рис. 3.9. Для построения линии динамической нагрузки по постоянному току задаемся максимальным током = = 40 мА. Другой точкой на оси является точка В. Соединив найденные точки, получаем линию динамической нагрузки.

Определяем рабочую длину линии нагрузки и делим пополам (выбираем точку покоя П). Найденная точка покоя предполагает симметричную форму входного сигнала. Достраивая график , проходящий через точку покоя, и определяя его положение между соседними характеристиками, находим мА. Проекции точки покоя на оси координат дают еще две характеристики для точки покоя: = 11,5 В; = 21,5 мА.

Значение мА переносится на входные ВАХ и на характеристике В ставится точка П (эта характеристика предельная и поэтому на ней находится точка П, так как < ). Спроецировав точку П на ось , находим В. На этом завершается первый этап расчета усилительного каскада по постоянному току – все четыре параметра точки покоя определены.

Используя соотношение = 3, с учетом выражений (3.6) и (3.7) получаем:

.

(3.24)

Тогда

Ом; Ом.

 

Рис. 3.9 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ312А

 

Находим сопротивления делителя и по выражениям (3.11), (3.12):

Ом.

Ом

Элементы схемы, удерживающие транзистор в точке покоя:

= 156,25 Ом; = 468,75 Ом; = 3481,82 Ом; = 715,51 Ом.

2. Расчет усилительного каскада по переменному току

 

Максимальный ток коллектора:

мА.

Линия нагрузки на переменном токе проходит выше линии нагрузки на постоянном токе. Чтобы сохранить результаты выполненных расчетов, необходимо новую линию нагрузки путем параллельного переноса сместить таким образом, чтобы она прошла через точку покоя П. В результате построений на ВАХ получаем объединенную линию динамической нагрузки на переменном токе (рис. 3.9). В обе стороны от точки П на линии динамической нагрузки берем точки e и f, проекции которых на ось дают приращение В. Точки e и f переносятся на входные ВАХ и их проекции на ось дают приращение В.

Коэффициент усиления по напряжению, полученный на основе графических построений

.

Коэффициент усиления по току

.

Примем Ом. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

Ом.

Входное сопротивление транзистора

Ом.

Входное сопротивление усилительного каскада можно определить из выражения

См.

Отсюда

Ом.

Выходное сопротивление усилительного каскада

Ом.

Аналитический расчет коэффициента усиления по напряжению

.

Основные параметры усилительного каскада на одном транзисторе по схеме с ОЭ:

= 105; = 39,09; = 174,55 Ом; = 468,75 Ом.

 

3.4. Варианты задач для домашнего самостоятельного решения

 

Задание 2. Расчет усилительного каскада по схеме с общим эмиттером

 

1. Выбрать свой вариант согласно списочному номеру в журнале.

2. Найти по справочнику вольт-амперные характеристики (ВАХ) указанного транзистора в соответствии с номером задания и скопировать их для выполнения графических построений.

3. На основании указанного в задании значения в рабочей зоне транзистора построить нагрузочную характеристику и выбрать точку покоя П. На основании схемы усилительного каскада с ОЭ рассчитать элементы схемы, обеспечивающие нахождение транзистора в точке покоя П, – , , , . Определить на ВАХ все параметры, которые будут нужны для дальнейшего расчета: , , , и т.д.

4. Предполагаем, что усилитель предназначен для работы в звуковом диапазоне, т.е. на частоте кГц.

5. Выполнить расчет каскада на переменном токе. Уточнить положение нагрузочной характеристики, построить схему замещения каскада. Рассчитать все параметры: промежуточные – , , ; основные – , , , .

6. Привести графические и аналитические расчеты каскада с использованием входных и выходных ВАХ, элементную (принципиальную) схему и схему замещения каскада, полный алгоритм расчета с формулами в общем виде (без вывода). После окончания очередного этапа расчета основные результаты выносятся в ответ.

7. При защите задания необходимо знать:

- алгоритм решения задачи (аналитическую и графическую части);

- работу транзистора, схемы и ее отдельных элементов; назначение элементов схемы;

- порядок построения схемы замещения усилителя;

- схему замещения транзистора;

- назначение вычисляемых параметров.

 

Таблица 3.1

Варианты к заданию 2 (группа 1)

Номер варианта	Тип транзистора	, В	Соотношения	Номер рис. ВАХ
	МП26				Рис. 3.10
	МП26		2,2		-
	МП26		2,4		-
	МП26		2,6		-
	МП26				-
	МП37				Рис. 3.11
	МП37		2,2		-
	МП37		2,4		-
	МП37		2,6		-
	МП37				-
	КТ310				Рис. 3.12
	КТ310		2,2		-
	КТ310		2,4		-
	КТ310		2,6		-
	КТ310				-
	КТ603				Рис. 3.13
	КТ603		2,2		-
	КТ603		2,4		-
	КТ603		2,6		-
	КТ603				-
	КТ610				Рис. 3.14
	КТ610		2,2		-
	КТ610		2,4		-
	КТ610		2,6		-
	КТ610				-

 

 

Таблица 3.2

Варианты к заданию 2 (группа 2)

Номер варианта	Тип транзистора	, В	Соотношения	Номер рис. ВАХ
	КТ301				Рис. 3.15
	КТ301		2,2		-
	КТ301		2,4		-
	КТ301		2,6		-
	КТ301				-
	КТ315				Рис. 3.16
	КТ315		2,2		-
	КТ315		2,4		-
	КТ315		2,6		-
	КТ315				-
	КТ316				Рис. 3.17
	КТ316		2,2		-
	КТ316		2,4		-
	КТ316		2,6		-
	КТ316				-
	КТ392А				Рис. 3.18
	КТ392А		2,2		-
	КТ392А		2,4		-
	КТ392А		2,6		-
	КТ392А				-
	КТ312А				Рис. 3.19
	КТ312А		2,2		-
	КТ312А		2,4		-
	КТ312А		2,6		-
	КТ312А				-

 

 

Рис. 3.10 – Входные и выходные ВАХ транзистора МП26

 

 

Рис. 3.11 – Входные и выходные ВАХ транзистора МП37

 

Рис. 3.12 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ310

 

Рис. 3.13 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ603

Рис. 3.14 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ610

 

Рис. 3.15 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ301

 

Рис. 3.16 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ315

Рис. 3.17 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ316

 

Рис. 3.18 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ392А

 

Рис. 3.19 – Входные и выходные ВАХ транзистора КТ312А

Пример расчета h-параметров и параметров Т-образной схемы

Задача 4.1.

1. На основании входных и выходных ВАХ определить h-параметры транзистора.

2. По полученным h-параметрам рассчитать параметры Т-образной схемы замещения.

3. Начертить Т-образную схему замещения транзистора и указать величины всех элементов.

4. Исходные данные и ВАХ взять из задачи 3.1.

 

Решение задачи.

 

Для расчета h-параметров используются входные и выходные ВАХ транзистора КТ312А из задачи 3.1 (рис. 4.5). На выходных ВАХ показана линия динамической нагрузки по переменному току и точка покоя П′ После переноса точки П′ на входные ВАХ через нее проводим касательную к характеристике и произвольно выбираем точки А и В.

Рис. 4.5 – Входные и выходные ВАХ с построениями для расчета h-параметров

 

Проекции этих точек на оси координат дают приращения мА и В. Полученные приращения позволяют найти входное сопротивление транзистора:

Ом.

Проводим касательную через точку П′ на выходной ВАХ, произвольно выбираем точки A¢ и B¢, получаем треугольник A¢B¢C¢ и определяем катеты В и мА. Из соотношения катетов определяем выходную проводимость транзистора:

См.

Коэффициент обратной связи по напряжению:

.