В06104 «Вычислительная техника и программное обеспечение»

ДАРИЙ Е.М.

 

Методические указания

по выполнению самостоятельной работы обучающимися

по дисциплине "Электроника"

для образовательной программы:

В06104 «Вычислительная техника и программное обеспечение»

 

 

г. Петропавловск

2021 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СРО1 «Расчет элементов электронных схем»	5
СРО2 «Расчет аналоговых электронных устройств»	22

 

Модуль 1. Элементы электронных схем

СРО1 «Расчет элементов электронных схем»

Цель СРО: СРО предназначена для получения навыков расчета полупроводникового диода, используя его вольт-амперную характеристику, h – параметров и характеристик транзистора графоаналитическим методом, а так же самостоятельной работы с учебной и справочной литературой.

Правила выполнения СРО: номер варианта соответствует номеру студента в алфавитном списке группы.

Трудоемкость СРО: 40 часов.

 

Количество недель на выполнение задания: 9 недель.

 

Этапы выполнения СРО:

1. Ознакомиться с примерами решения задач;

2. Произвести расчет по заданному варианту;

3. Оформить решение согласно требованиям.

Задание СРО.

Задача 1. «Расчет диода в электрической цепи»

 

Задание 1.

1. Пользуясь вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода определить сопротивление постоянному току при прямом U_пр и обратном U_обр напряжениях при двух значениях температуры Т₁ и Т₂.

2. Необходимо пояснить влияние температуры на параметры диода, пояснить систему обозначений полупроводниковых диодов, перечислить основные параметры диодов, приведя их буквенные выражения;

Численные значения исходных величин приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1. Исходные данные

Параметры	Номер варианта
	1 11 21 31	2 12 22 32	3 13 23 33	4 14 24 34	5 15 25 35	6 16 26 36	7 17 27 37	8 18 28 38	9 19 29 39	10 20 30 40
№ рисунка	1.1	1.2	1.1	1.2	1.1	1.2	1.1	1.2	1.1	1.2
Uпр, В	0,4	0,6	0,5	0,7	0,45	0,8	0,56	0,9	0,6	1
Uобр, В	50	100	75	150	100	200	125	250	150	300
Т1, К^0	25	298	-60	298	25	213	-60	213	-60	298
Т2, К^0	125	393	25	393	125	298	25	298	25	393

Рисунок 1.1. Вольт-амперная характеристика диода

 

Рисунок 1.2. Вольт-амперная характеристика диода

Пример выполнения:

Задана вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. Определить сопротивление постоянному току при прямом U_пр=0,6 В и обратном U_обр=15 В напряжениях при двух значениях температуры Т₁=298 К⁰ и Т₂=333 К⁰.

Рисунок 1.3. Вольт-амперная характеристика диода

 

Решение.

На вольт-амперной характеристике (рис. 1.3), соответствующей температуре Т₁=298 К⁰, отмечается рабочие точки при прямом напряжении U_пр=0,6 В (точка А) и при обратном напряжении U_обр=15 В (точка В). По характеристике определяется величина прямого тока в точке А: I_пр=3,1 мА и обратного тока в точке В: I_обр=50 мкА. Сопротивление постоянному току определяется по закону Ома:

 Ом;

 Ом.

 

Аналогично определяется сопротивление диода при другом значении температуры.

Вольт-амперные характеристики, снятые при различной температуре, наглядно показывают, что свойство полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. При повышении температуры прямой и обратный токи растут. Очень сильно увеличивается обратный ток.

Кроме того при повышении температуры снижается напряжение, при котором начинается электрический пробой, несколько возрастает барьерная емкость диода.

При выпрямлении более высоких напряжений допускается соединять диоды последовательно для того, чтобы обратное напряжение на каждом диоде не превышало допустимого значения, указанного в справочнике.

 

Задание 2.

1. Рассчитать необходимое количество последовательно соединенных диодов, если максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода составляет U_обр.max, максимальное значение обратного напряжения в схеме выпрямления на ветви с последовательно включенными диодами Uʹ_обр.max.

Определить величину обратного напряжения на каждом диоде, если обратные сопротивления диодов r_обр1, r_обр2, r_обр3. Сделайте выводы по результатам расчетов. Поясните причину неравномерного распределения и способы выравнивания обратного напряжения на диодах.

2. Рассчитать необходимое количество параллельно соединенных диодов, если максимально допустимый прямой ток одного диода составляет I_пр.max, а ток нагрузки I_н. Сделайте выводы по результатам расчетов. Поясните причину неравномерного распределения и способы выравнивания токов параллельно включенных диодов.

Численные значения исходных величин приведены в таблице 1.2.

 

 

Таблица 1.2. Исходные данные

Параметры	Номер варианта
	1 11 21 31	2 12 22 32	3 13 23 33	4 14 24 34	5 15 25 35	6 16 26 36	7 17 27 37	8 18 28 38	9 19 29 39	10 20 30 40
Uобр.max, В	800	50	200	150	100	400	30	300	420	100
Uʹобр.max	1300	125	500	400	250	1200	75	800	100	250
rобр1, МОм	0,7	0,5	4	150	20	8	6	6	0,4	0,05
rобр2, МОм	0,75	0,6	4,5	130	23	7,5	5	5,5	0,37	0,045
rобр3, МОм	0,8	0,45	3,8	140	17	7	6,5	6,3	0,43	0,52
Iпр.max, мА	5000	300	100	50	30	300	20	400	10·10^3	3·10^3
Iн, мА	8000	1000	250	125	80	750	75	1000	32·10^3	8·10^3

Пример выполнения:

Амплитуда обратного напряжения в схеме выпрямителя составляет Uʹ_обр.max=800 В. Применяются диоды с U_обр.max=300 В. Рассчитать необходимое количество последовательно соединенных диодов. Обратные сопротивления диодов соответственно равны: r_обр1=2 МОм, r_обр2= r_обр3=1 МОм.

 

Решение.

Расчет количества последовательно соединенных диодов

.

Принимаем 3 диода.

Рисунок 1.4 – Схема последовательного соединения двух диодов и их ВАХ

 

Обратные напряжения распределяются прямо пропорционально обратным сопротивлениям, поэтому:

 В;

 В;

На первом диоде обратное напряжение оказалось выше допустимого и он может быть пробит. Далее произойдет последовательный пробой всех диодов.

Для равномерного распределения обратного напряжения последовательно соединенные диоды шунтируют резисторами R_ш, сопротивления которых должны быть одинаковые и значительно меньше наименьших из обратных сопротивлений диодов (рис. 1.5а). Но вместе с тем сопротивление R_ш не должно быть слишком малым, чтобы чрезмерно не возрос ток при обратном напряжении и не ухудшилось выпрямление.

Параллельное соединение диодов (рисунок 1.5б) применяют, когда необходимо получить прямой ток больше допустимого тока одного диода. Число диодов определяется из выражения . Вследствие неодинаковости вольт-амперных характеристик однотипных диодов, они окажутся различно нагруженными и в некоторых диодах ток окажется больше допустимого прямого тока. Для равномерного распределения тока между диодами последовательно с ними включают резисторы R₀, сопротивления которых составляет доли Ом или единицы Ом.

Рисунок 1.5.

 

Задание.

На выходной статистической характеристике биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ, определить рабочую область. Для электрических параметров режима работы транзистора, соответствующих центральной части этой области, рассчитать значения параметров h₁₁, h₂₁, h₂₂, а также схемы замещения транзистора.

 

Таблица 2.1. Исходные данные

Номер варианта	Тип транзистора	Номер варианта	Тип транзистора	Номер варианта	Тип транзистора
1 2 3 4 5 6 7 8	МП41 МП39 МП25 МП36А МП42А МП113 МП111 П-401	9 10 11 12 13 14 15 16	2Т382А 2Т3123А-2 2Т368А 2Т399А МП41 МП39 МП36А МП25	17 18 19 20 21 22 23 24	МП42А МП113 МП111 П-401 2Т382А 2Т3123А-2 2Т368А 2Т399А

 

Таблица 2.2. Предельные значения параметров транзисторов

Тип транзистора	UКЭ мах,В	IКмах,mA	PKмах,mВт
МП25 МП36А МП39 МП41 МП42А МП111 МП113 П-401 2Т368А 2Т382А 2Т399А 2Т3123А-2	15 15 15 15 30 20 20 10 16 10 16 10	20 40 40 40 40 8 18 7 18 18 18 45	100 150 150 150 250 50 100 20 80 80 80 120

 

 

Рисунок 2.1. Вольт-амперные характеристики транзисторов

 

Пример выполнения:

Область допустимых режимов на семействе выходных характеристик БТ, представленная на рис. 2.2 определяется его максимально допустимыми параметрами: постоянным током коллектора ; постоянным напряжением коллектор–эмиттер ; постоянной рассеиваемой мощностью коллектора .

Рисунок 2.2. Область допустимых значенией

 

Рабочая точка БТ для работы в малосигнальном усилителе выбирается обычно в центре области допустимых режимов работы БТ на линейных участках ВАХ, соответствующих активному режиму работы.

Для описания свойств транзистора по переменному току чаще всего используется система дифференциальных h–параметров, которая представляется следующими уравнениями:

dU₁ = h₁₁dI₁ + h₁₂dU₂;

dI₂ = h₂₁dI₁ + h₂₂dU₂.

Для определения дифференциальных параметров  и  в заданной рабочей точке А (, , ) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис. 2.3,а.

 

а                                    б

Рисунок 2.3. Входные и выходныехарактеристики транзистора

 

Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

Входное сопротивление в режиме короткого замыкания (КЗ) на выходе

;

Коэффициент обратной связи по напряжению в режиме холостого хода (ХХ) по входу

.

 

Параметры  и определяются по семейству выходных характеристик. В окрестности точки А' (, , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения как показано на рис. 2.2 б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

Коэффициент передачи по току в режиме КЗ на выходе

;

Выходная проводимость в режиме ХХ по входу

.

Значения приращений входного  и выходного напряжения должны выбираться таким образом, чтобы вспомогательные точки на графиках находились на их линейных участках, как это показано на рис. 2.2.

Коэффициент обратной связи по напряжению  имеет очень малую величину (10^-4...10^-3), поэтому в справочных данных приводят семейство входных ВАХ состоящее из двух кривых: одну для  и одну для . Обычно для  или 10 В. Это обусловлено тем, что входные характеристики для . В практически накладываются друг на друга. Использование приведенных характеристик не позволяет точно рассчитать значение . Для вычисления величины коэффициента обратной связи по напряжению необходимо рассчитать параметры Т-образной эквивалентной схемы БТ.

Физическая Т-образная эквивалентная схема транзистора со структурой n-p-n, представленная на рис. 2.3, достаточно полно отражает свойства реального транзистора на низких частотах и используется при анализе транзисторных схем. Значения параметров эквивалентной схемы БТ могут быть найдены с использованием известных h-параметров

;

;

;

.

Рисунок 2.3. Схема замещения транзистора

 

С учетом вышесказанного в первую очередь вычисляется дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода , где  – тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К;  – ток эмиттера БТ в рабочей точке (можно считать ). Затем определяются , β и находится коэффициент обратной связи по напряжению .

 

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций - СПб.: КОРОНА принт, Бином Пресс, 2018.

2. Майер Р.В. Основы электроники. – Издательство: ГППИ, 2011.

3. Янпурин Н.П. Электроника.-М.: Академия, 2011.

Дополнительная:

1. Марголин В.И.Физические основы микроэлектроники. – М.: Академия, 2008.

2. Савилов Г.В. Электротехника и электроника: курс лекций. – М.: Дашков и К⁰, 2009.

Требования к представлению и оформлению результатов самостоятельной работы: СРО должна выполняться в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с установленными на кафедре требованиями оформления.

Критерии оценивания:

1. Корректность используемого математического аппарата (формул);

2. Соответствие используемых единиц измерения рассчитываемым величинам;

3. Отсутствие математических ошибок.

 

Этапы выполнения СРО:

1. Ознакомиться с примерами решения задач;

2. Произвести расчет по заданному варианту;

3. Оформить решение согласно требованиям.

Задание СРО.

Задание.

1. Начертить схему усилительного каскада с учетом заданного типа транзистора. На схеме указать токи и напряжения транзистора, а также U _вх и U _вых.

2. По заданным в таблице 1 параметрам на характеристиках транзистора нанести точку покоя и построить статическую линию нагрузки. Рассчитать величину сопротивлений резисторов, обеспечивающих заданный режим покоя. При расчете учесть, что I _к >> I _б.

3. В точке покоя по характеристикам транзистора определить его h -параметры (h ₁₁, h ₂₁, h ₂₂). Параметр h ₁₂ принять равным 0.

4. Начертить схему замещения усилителя в динамическом режиме, заменив транзистор эквивалентной схемой с h -параметрами.

5. Рассчитать с учетом нагрузки входное и выходное сопротивление каскада, коэффициенты усиления тока, напряжения и мощности.

6. Построить динамическую линию нагрузки на выходных характеристиках транзистора и определить максимальную амплитуду выходного напряжения, усиливаемого без существенных искажений сигнала, и максимально возможную среднюю за период выходную мощность.

 

 

Таблица 3.1. Исходные данные

 

1                                           2

3                                           4

 

 

Входные и выходные характеристики транзисторов

 

МП25, МП25А, МП25Б

 

 

ГТ122А. ГТ122Б. ГТ122В. ГТ122Г

 

 

КТ301А. КТ301Б. КТ301В. КТ301Ж

 

Пример выполнения:

Для усилительного каскада на транзисторе ГТ108А, схема которого приведена на рис. 4, заданы: напряжение источника питания E _к = 9 В, ток покоя коллектора I _к0 = 10 мА, напряжение покоя эмиттер-коллектор U _эк0 = 4 В, сопротивление нагрузки R _н = 1 кОм.

Рассчитать сопротивления резисторов схемы, определить коэффициент усиления напряжения, тока и мощности, входное и выходное сопротивления каскада, максимальную амплитуду выходного синусоидального сигнала. Принять R _э=0,1 R _к и ток делителя I ₁=5 I _б0.

Решение.

При использовании транзистора p-n-p типа необходимо изменить полярность источника питания E _к так, чтобы на коллектор подавался отрицательный потенциал (рис. 4.) При этом направления токов и напряжений меняются на противоположные.

Динамический режим

По выходным характеристикам транзистора в точке покоя А определяем

 

По входной характеристике

 

В динамическом режиме источник питания E к закорочен, а токи протекают только за счет u ВХ = U ВХm sinω t. Емкость конденсаторов выбирается так, чтобы на минимальной рабочей частоте их сопротивление было значительно меньше активных сопротивлений схемы и конденсаторы можно считать закороченными. Тогда, заменив транзистор эквивалентной схемой с h -параметрами, получим схему замещения усилителя (рис. 2,5).

 

Рисунок 2.5 Схема замещения

 

В этой схеме

Входное сопротивление каскада

Выходное сопротивление каскада

R ВЫХ = R К = 450 Ом.

Коэффициент усиления напряжения находим с помощью уравнений для входной и выходной цепей:

(знак минус показывает, что u вых изменяется в противофазе с u вх).

Коэффициент усиления тока

Коэффициент усиления мощности

Уравнение динамической линии нагрузки записывается по второму закону Кирхгофа для выходного контура схемы замещения каскада

При iк = 0 каскад работает в статическом режиме и динамическая линия нагрузки должна приходить через точку покоя А. При изменении коллекторного тока Δ Iк = 5 мА напряжение U эк изменится на -1,55 В, т. е. вторая точка динамической линии нагрузки имеет координаты

Через точки с этими координатами проводим динамическую линию нагрузки. Она пересекает характеристику I б=0 в точке, которая соответствует U эк=6,9 В. Следовательно, максимальная амплитуда выходного напряжения

Максимальная выходная мощность

Ответ:

•сопротивления резисторов R кэ = 0, 45 кОм, R Э ≈ 50 Ом, R 2 = 0,85 кОм, R 1 = 6,8 кОм;

•входное сопротивление каскада R ВХ = 0,32 кОм;

•выходное сопротивление каскада R ВЫХ = 450 Ом;

•коэффициент усиления напряжения K U = −28, 2;

•коэффициент усиления тока K i = −9;

•коэффициент усиления мощности K p = 254;

•максимальная амплитуда выходного напряжения U ВЫХ m = 2,9 В;

•максимальная выходная мощность P ВЫХ m = 4, 2 мВт.

 

 

Задание.

1. Начертите схему выпрямителя (нулевую или мостовую в зависимости от варианта).

2. По заданным значениям выпрямленного напряжения U_d и тока I_d определите:

- среднее значение за период тока вентиля I_а;

- действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора I₂;

- действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U₂;

- максимальное обратное напряжение на вентиле U_обр.max;

- расчетную мощность трансформатора S_тр.

3. Начертите диаграммы напряжений вторичной обмотки трансформатора и выпрямленного напряжения. На диаграмме укажите величину максимального обратного напряжения на вентиле.

4. Рассчитайте частоту пульсации выпрямленного напряжения.

5. Кратко поясните принцип работы выпрямителя.

6. Покажите цепь тока на схеме выпрямителя и укажите работающие вентили для момента времени t, соответствующего заданному значению ω. На диаграмме напряжений время t следует отсчитывать от начала координат.

7. Укажите величину коэффициента пульсаций.

Таблица 4.1. Исходные данные

№ варианта	Схема выпрямления	Ud, В	Id, A	ω
1, 11	Однофазная мостовая	8	0.1	π/2
2, 12	Однофазная мостовая	42	1.8	3π/2
3, 13	Однофазная мостовая	60	2	π/3
4, 14	Трехфазная нулевая	50	1.5	2π/3
5, 15	Трехфазная нулевая	100	3.3	π
6, 16	Трехфазная нулевая	150	4	2π
7, 17	Трехфазная нулевая	200	2.9	4π/3
8, 18	Трехфазная мостовая	220	9	π/2
9, 19	Трехфазная мостовая	1000	120	3π/2
10, 20	Трехфазная мостовая	660	25	2π

 

Рекомендуемая литература

Основная:

1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций - СПб.: КОРОНА принт, Бином Пресс, 2018.

2. Майер Р.В. Основы электроники. – Издательство: ГППИ, 2011.

3. Янпурин Н.П. Электроника.-М.: Академия, 2011.

Дополнительная:

1. Марголин В.И.Физические основы микроэлектроники. – М.: Академия, 2008.

2. Савилов Г.В. Электротехника и электроника: курс лекций. – М.: Дашков и К⁰, 2009.

Требования к представлению и оформлению результатов самостоятельной работы: СРО должна выполняться в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с установленными на кафедре требованиями оформления.

Критерии оценивания:

1. Корректность используемого математического аппарата (формул);

2. Соответствие используемых единиц измерения рассчитываемым величинам;

3. Отсутствие математических ошибок.

ДАРИЙ Е.М.

 

Методические указания

по выполнению самостоятельной работы обучающимися

по дисциплине "Электроника"

для образовательной программы:

В06104 «Вычислительная техника и программное обеспечение»

 

 

г. Петропавловск

2021 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

СРО1 «Расчет элементов электронных схем»	5
СРО2 «Расчет аналоговых электронных устройств»	22