Аналоговая электроника. Сборник вопросов и задач
Покупка
Новинка
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Год издания: 2017
Кол-во страниц: 80
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4615-5
Артикул: 837389.01.99
Издание содержит краткие теоретические сведения об элементной базе аналоговых электронных устройств, а также задачи, посвященные особенностям работы таких устройств и расчету параметров их рабочих режимов. Рассмотрены неуправляемые и управляемые выпрямители, параметрические стабилизаторы, усилители на транзисторах и операционные усилители. В каждом разделе приведены вопросы и задачи по теме. К некоторым задачам даны подробные решения и пояснения. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана 3-го и 4-го курсов факультетов «Специальное машиностроение», «Машиностроительные технологии», «Энергомашиностроение», «Робототехника и комплексная автоматизация», «Инженерный бизнес и менеджмент», «Фундаментальные науки», «Ракетно-космическая техника», Аэрокосмического и Радиотехнического.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 24.03.01: Ракетные комплексы и космонавтика
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Т.О. Князькова, О.И. Мисеюк Аналоговая электроника Сборник вопросов и задач Учебное пособие
УДК 621.38 ББК 32.85 К54 Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/72/book1604.html Факультет «Фундаментальные науки» Кафедра «Электротехника и промышленная электроника» Рекомендовано Редакционно-издательским советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия Князькова, Т. О. Аналоговая электроника. Сборник вопросов и задач : учебное пособие / Т. О. Князькова, О. И. Мисеюк. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. — 76, [4] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4615-5 Издание содержит краткие теоретические сведения об элементной базе аналоговых электронных устройств, а также задачи, посвященные особенностям работы таких устройств и расчету параметров их рабочих режимов. Рассмотрены неуправляемые и управляемые выпрямители, параметрические стабилизаторы, усилители на транзисторах и операционные усилители. В каждом разделе приведены вопросы и задачи по теме. К некоторым задачам даны подробные решения и пояснения. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана 3-го и 4-го курсов факультетов «Специальное машиностроение», «Машиностроительные технологии», «Энергомашиностроение», «Робототехника и комплексная автоматизация», «Инженерный бизнес и менеджмент», «Фундаментальные науки», «Ракетно-космическая техника», Аэрокосмического и Радиотехнического. УДК 621.38 ББК 32.85 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 Оформление. Издательство ISBN 978-5-7038-4615-5 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017 К54
Предисловие Раздел «Аналоговая электронная техника» является частью дисциплины «Электротехника и электроника», читаемого преподавателями кафедры «Электротехника и промышленная электроника» (ФН-7) для бакалавров и специалистов неэлектротехнических специальностей МГТУ им. Н.Э. Баумана. Дисциплина «Электротехника и электроника» является базовой в профессиональном цикле основных образовательных программ. Учебное пособие соответствует типовым учебным программам подготовки бакалавров и специалистов по данной дисциплине, обучающихся на факультетах «Специальное машиностроение», «Машиностроительные технологии», «Энергомашиностроение», «Робототехника и комплексная автоматизация», «Инженерный бизнес и менеджмент», «Фундаментальные науки», «Ракетно-космическая техника», Аэрокосмическом и Радиотехническом. Электронная техника является универсальным и эффективным средством для решения самых различных задач в области сбора и обработки информации, автоматического управления и преобразования энергии. Знания в области электронной техники необходимы широкому кругу специалистов. Устройства аналоговой электронной техники осуществляют преобразование и обработку непрерывных во времени (аналоговых) электрических сигналов. К таким устройствам относятся выпрямители, стабилизаторы, усилители, генераторы. Рассмотрению особенностей работы таких устройств и расчету их рабочих режимов посвящены задачи, представленные в пособии. Целью данного сборника вопросов и задач является оказание помощи студентам при самостоятельном освоении и закреплении теоретического материала курса «Электротехника и электроника», привитие учащимся навыков и умений расчета и анализа электронных устройств. Поэтому к некоторым задачам даны подробные решения и пояснения. Каждый раздел предваряется краткими экскурсами в теорию вопроса.
Основные обозначения БПТ — биполярный транзистор БУ — блок управления ВАХ — вольт-амперная характеристика КЗ — короткое замыкание ОБ — общая база ОК — общий коллектор ООС — отрицательная обратная связь ОС — обратная связь ОУ — операционный усилитель ОЭ — общий эмиттер ПОС — положительная обратная связь УЭ — управляющий электрод ХХ — холостой ход VD — полупроводниковый диод VS — тиристор VT — полупроводниковый транзистор
1. ВЫПРЯМИТЕЛИ Процесс преобразования переменного тока в постоянный с помощью выпрямительных устройств, обладающих односторонней проводимостью (диоды и тиристоры), называют выпрямлением. 1.1. Диоды. Неуправляемые выпрямители Общие свойства и параметры выпрямительных полупроводниковых диодов Полупроводниковый диод — прибор с одним p–n-переходом и двумя электродами: анодом А и катодом К. Выпрямительные диоды применяют в цепях управления и коммутации, ограничительных и развязывающих цепях, источниках питания для преобразования (выпрямления) переменного напряжения в постоянное, схемах умножения напряжения, а также иногда в преобразователях постоянного напряжения, когда не предъявляются высокие требования к частотным и временнûм параметрам сигналов. Выпрямительные свойства диодов тем лучше, чем меньше обратный ток при заданном обратном напряжении и чем меньше падение напряжения при заданном прямом токе. Значения прямого и обратного токов различаются на несколько порядков, а прямое падение напряжения не превышает единиц вольт по сравнению с обратным напряжением, которое может составлять сотни и более вольт. Поэтому диоды обладают односторонней проводимостью, что позволяет использовать их в качестве выпрямительных элементов. Условное графическое и буквенное обозначение выпрямительного диода с указанием положительных направлений анодного напряжения UA и тока IA, а также его вольт-амперная характеристика (ВАХ) приведены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Условное обозначение (а) и ВАХ (б) полупроводникового диода Часть ВАХ диода, расположенная в первом квадранте, соответствует открытому состоянию диода, когда сопротивление между анодом А и катодом К мало (прямое включение диода). Часть ВАХ, расположенная в третьем квадранте, соответствует закрытому состоянию диода, когда его сопротивление чрезвычайно велико (это обратное включение диода). Часто при анализе и расчете электронных схем принимают диод идеальным, полагая, что при прямом включении его сопротивление равно нулю (RАК 0), а при обратном — бесконечности (RАК → ∞). Основными электрическими параметрами выпрямительных диодов являются: Iпр.ср — среднее значение прямого тока диода; Uпр.ср — среднее значение прямого падения напряжения; Uобр max — максимально допустимое значение постоянного обратного напряжения. Неуправляемые выпрямители Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и временнûе диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 1.2. В интервале времени 0…T/2 напряжение на вторичной обмотке трансформатора u2 > 0, следовательно, диод VD открыт и напряжение на нагрузке uн повторяет положительную волну u2(t), падение напряжения на открытом диоде uVD = 0. На интервале T/2…T напряжение u2 < 0, поэтому диод закрыт и ток в нагрузке iн = 0, отрицательная полуволна напряжения u2(t) будет приложена к закрытому диоду. Далее процессы повторяются.
Рис. 1.2. Схема однофазного полупериодного выпрямителя (а) и временнûе диаграммы напряжений на его элементах (б) Напряжение (ток) на нагрузке имеет пульсирующий характер с постоянной составляющей Uн.ср(Iн.ср). Таким образом, выпрямленное напряжение имеет как постоянную Uн.ср, так и переменную составляющую, которую называют напряжением пульсаций uп(t): uн(t) = Uн.ср + uп(t). Пульсации напряжения характеризуются частотой и разностью максимального и минимального значений напряжения ∆Uн за период. Для данной схемы выпрямления, как видно по временнûм диаграммам на рис. 1.2, частота пульсаций совпадает с сетевой частотой, а ∆Uн = U2 max. Чем меньше пульсации и чем больше их частота, тем более качественным считается выпрямленное напряжение. Действующее значение напряжения U2 вторичной обмотки трансформатора и среднее за период значение напряжения на нагрузке Uн.ср связаны соотношением 2 н.ср 2 2 2 0 0 2 1 1 ( ) (ω ) 2 sinω (ω ) 0,45 , 2π 2π U U u t d t U td t U где 2 U = 2,22 н.ср. U (1.1)
Выражение (1.1) является основой расчета требуемого коэффициента трансформации Kтр = U1/U2, так как величины Uн.ср и U1 являются заданными. Диод выбирают по прямому току и обратному напряжению, используя соотношения Iпр.ср = Iн.ср; обр max 2 н.ср 2 3,14 . U U U Схема однофазного двухполупериодного (мостового) выпрямителя и временнûе диаграммы напряжений на его входе, диоде VD1 и выходе приведены на рис. 1.3. Рис. 1.3. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя (а) и временнûе диаграммы напряжений на его элементах (б)
Как видно, напряжение на нагрузке является, как и в предыдущей схеме, однополярным и имеет пульсирующий характер с постоянной составляющей: 2 н.ср 2max 2 2 0 0 2 2 1 1 sinω (ω ) 2sinω (ω ) 0,9 , π π U U U td t U td t U где U2 = 1,11Uн.ср. В этой схеме диоды по прямому току и обратному напряжению выбирают по соотношениям: Iпр.ср = Iн.ср/2; (1.2) обр max н.ср. 2 U U Соотношение (1.2) обусловлено тем, что каждый диод в этой схеме открыт в течение половины периода выпрямленного напряжения. Для данной схемы выпрямления, как видно из временнûх диаграмм на рис. 1.3, частота пульсаций напряжения на нагрузке вдвое превышает сетевую частоту, ∆Uн = U2 max, а максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т. е. U2 max = 2 2 . U Преимуществами мостовой схемы по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя при условии одинаковых значений U2 и Rн являются вдвое бóльшие значения Iн.ср и Uн.ср при значительно меньших пульсациях выходного напряжения. Качество выпрямленного напряжения uн(t) оценивают значением коэффициента пульсаций, которое можно вычислить при разложении периодической функции uн(t) в ряд Фурье. Для однополупериодного выпрямления это разложение имеет вид 2max н π 2 ( ) 1 cosω cos2ω ... . π 2 3 U u t t t (1.3) Для двухполупериодного выпрямления 2max н 2 2 2 ( ) 1 cos2ω cos4ω ... . π 3 15 U u t t t (1.4)
Выражения (1.3) и (1.4) имеют постоянную составляющую, не зависящую от времени, и гармонические составляющие (основную и высшие), которые называют пульсациями. Количественно пульсации оценивают коэффициентом пульсаций p, равным отношению амплитуды основной гармоники в выражениях (1.3) и (1.4) к постоянной составляющей, которая и является Uн.ср. Для однополупериодного выпрямления p = 1,57, а для двухполупериодного p = 0,67. Чем меньше значение p, тем выше качество выпрямленного напряжения. У идеального выпрямителя p = 0. Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения используют сглаживающие фильтры, простейшим из которых является емкостной фильтр. Схема включения и временнûе диаграммы, поясняющие работу емкостного фильтра в однополупериодном выпрямителе, показаны на рис. 1.4. Рис. 1.4. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным филь- тром (а) и временнûе диаграммы напряжений и токов на его элементах (б)