ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Тема 1. Электровакуумные и газоразрядные приборы

Устройство, принцип действия и применение электровакуумных ламп: электроваку­умный диод, его вольт-амперная характеристика,параметры, область применения; элект­ровакуумный триод, его устройство, роль управляющей сетки,статические характеристи­ки и параметры, применение; понятие о многоэлектродных лампах, маркировка электрон­ных ламп.

Газоразрядные приборы: 1) с несамостоятельным дуговым разрядом, 2) с тлеющим разрядом. Условные обозначения, маркировка.

Литература: Л-7,§ 1.1-1.8; 2.1-2.7.

Вопросы для самопроверки

1. Объясните свойство односторонней проводимости лампового диода.

2. Какова роль управляющей сетки в триоде?

3. Расшифруйте условные обозначения электронных ламп; 6С2С, 6Ш5П, 1Ц18П.

4. Как работает газотрон и тиратрон; газоразрядные лампы дневного света?

Тема 2. Полупроводниковые приборы

Электрофизические свойства полупроводников, собственная и примесная проводимости. Электронно-дырочный переход и его свойства, вольт-амперная характеристика. Устройство, принцип работы, параметры и область применения диодов. Выпрямительные диоды. Кремневые стабилитроны.

Биполярные транзисторы: их устройство, три способа включения. Характеристики и параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Влияние внешних условий на работу полупроводниковых приборов.

Условные обозначения и маркировка полупроводниковых приборов.

Тиристоры: устройство, принцип работы, область применения, условные обозначения и маркировка.

Лабораторная работа № 5

Снятие вольт-амперных характеристик полупроводникового диода.

Лабораторная работа № 6

Снятие входных и выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером.

Литература: Л-7, § 3.1-3.6; Л~8, §2.1-2.8.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют собственной проводимостью полупроводников?

2. Что называют примесной проводимостью?

3. Объясните свойства электронно-дырочного перехода.

4. Почему полупроводниковый диод используют как выпрямитель переменного тока?

5. Основные параметры полупроводникового диода.

6. Начертите структурную схему транзистора и объясните принцип его работы.

7. Поясните работу транзистора в режиме усиления и режиме ключа.

Тема 3. Фотоэлектронные приборы

Фотоэлектронные явления (фотоэмиссия, фотопроводимость полупроводников). Фото элементы с внешним и внутренним фотоэффектом. Устройство, принцип работы и область применения фотоэлементов.

Устройство, принцип действия, область применения фоторезисторов.

Лабораторная работа № 7

Снятие вольт-амперных характеристик фоторезистора.

Литература: Л-7, § 4.1-4.5.

Вопросы для самопроверки

1. В чём отличие внешнего фотоэффекта от внутреннего?

2. Как устроен фотоэлемент?

3. Объясните устройство фоторезисторов.

4. Назовите области применения фоторезисторов.

Тема 4. Электронные выпрямители и стабилизаторы

Структурная схема выпрямителя. Однофазные и трёхфазные схемы выпрямления, принцип их работы. Схема Ларионова, принцип работы. Соотношения между переменны­ми и выпрямленными напряжениями для различных схем выпрямителей. Сглаживающие фильтры.

Назначение стабилизаторов. Схема электронного стабилизатора напряжения. Принцип работы.

Лабораторная работа № 8

Исследование работы схем выпрямления переменного тока.

Литература: Л-7, § 5.1-5.6; Л-8, § 8.1-8.9.

Вопросы для самопроверки

1. Как устроены выпрямители и где они применяются?

2. Начертите схемы одно- и двухполуперйодного выпрямителя на полупроводнико­вых диодах и поясните их работу графиками выпрямленного напряжения.

3. Объясните принцип работы схемы Ларионова, область применения.

4. Объясните работу ёмкостного фильтра в схеме выпрямителя.

5. Объясните принцип работы полупроводникового стабилитрона.

Тема 5. Электронные усилители

Принцип усиления напряжения, тока, мощности. Назначение и классификация уси­лителей. Основные технические показатели и характеристики усилителей. Усилительный каскад. Динамические характеристики усилительного элемента, определение рабочей точ­ки на нагрузочной линии, построение графиков напряжения и токов в цепи нагрузки. Каскады предварительного усиления, основные варианты оконечных каскадов.

Литература: Л-7, § 6.1-6.8; Л-8, § 6.1-6.8, 7.1-7.5.

Вопросы для самопроверки

1. Как классифицируют электронные усилители? Основные показатели усилителей.

2. Дайте определение коэффициентам усиления по напряжению, току и мощности.

3. Изобразите схему однокаскадного усилителя, поясните назначение элементов.

4. Как определяют рабочую точку усилителя на нагрузочной линии?

5. В чём преимущество усилителя на транзисторах перед ламповым усилителем?

Тема 6. Электронные генераторы и измерительные приборы

Электронные генераторы синусоидальных колебаний. Переходные процессы заряда ёмкостного элемента. Генератор пилообразного напряжения. Мультивибраторы. Триггеры. Электронный осциллограф, структурная схема,принцип действия. Электронно-лучевая трубка с устройствами отклонения и фокусировки луча.

Лабораторная работа № 9

Измерение амплитуды и частоты исследуемого напряжения с помощью электронного осциллографа.

Литература: Л-7, § 7.1-7.9; Л-8, § 9.1-9.5, 11.1-11.3.

Вопросы для самопроверки

1. Область применения и схема принципиальная симметричного мультивибратора.

2. Объясните принцип действия статического триггера.

3. Начертите структурную схему электронного осциллографа и поясните назначение его узлов.

4. Объясните, как в электронно-лучевой трубке производится отклонение и фокуси­ровка электронного луча.

Тема 7. Интегральные схемы микроэлектроники

Понятие о гибридных, тонкоплёночных, полупроводниковых интегральных микро­схемах. Пассивные и активные элементы, входящие в микросхему. Соединение элементов и оформление микросхем.

Литература: Л-7, § 9.1-9.7; Л-8, § 3.1-3.5.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется интегральной схемой микроэлектроники (ИМС)?

2. Что понимают под плёночными и гибридными микросхемами?

3. Какие пассивные и активные элементы входят в микросхему?

Тема 8. Микропроцессоры и микроЭВМ

Микропроцессоры и микроЭВМ, их место в структуре средств вычислительной тех­ники.

Структура микропроцессора, функции микропроцессора, вспомогательные элементы микропроцессора, устройство управления, стековая память.

Полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ), классификация ЗУ, основные качественные показатели.

Интерфейс в микропроцессорах и микроЭВМ: обмен информацией в микроЭВМ между микропроцессором, ЗУ и устройствами ввода-вывода, определение интерфейса и его функции.

Организация микроЭВМ на основе микропроцессоров.

Периферийное оборудование микроЭВМ, устройство ввода-вывода, системы отобра­жения информации, специализированные периферийные устройства.

Серийно выпускаемые микропроцессорные комплекты (МШС), микроЭВМ, программное обеспечение, примеры применения микропроцессорных систем.

Литература: Л-10 §1.1-1.6, 2.1-2.5, 3.1-3.3, 5.1-5.4.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите состав и назначение типичных функциональных блоков микропро­цессора.

2. Дайте определение назначению и принципу работы стековой памяти микропроцес­сора.

3. Принцип действия полупроводникового запоминающего устройства.

4. Объясните назначение и принцип действия интерфейса.

5. Из каких элементов состоит структурная схема микроЭВМ на основе микропро­цессоров.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ № 2

Методические указания к решению задачи 1

Задача относится к расчёту выпрямителей переменного тока, собранных на полупро­водниковых диодах. При решении задачи следует помнить, что основными параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток I_ДОП, на который рассчитан диод, и обратное напряжение U_ОБР , которое выдерживает диод без пробоя в непроводящий полупе­риод.

Обычно при составлении реальной схемы выпрямителя задаются значение мощности потребителя Р_d (Вт), получающего питание от данного выпрямителя, и выпрямленное напряжение U_d (В), при котором работает потребитель постоянного тока.

Сравнивая ток потребителя с допустимым током диода I_ДОП выбирают диоды для схем выпрямителя.

Напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод U_B, также зависит от схемы выпрямления.

Таким образом, условия выбора диодов для конкретных схем выпрямления имеют вид:

1. Для однополупериодной схемы

I_ДОП I_d; U_ОБР π · U · d (U_B = π · U · d)

2. Для двухполупериодной схемы со средней точкой трансформатора

I_ДОП I_d; U_ОБР (π / 2) · U · d

3. Для мостовой однофазной схемы

I_ДОП I_d / 2; U_ОБР (π / 2) · U · d

4. Для трёхфазного выпрямителя

I_ДОП I_d / 3; U_ОБР 2,1 · U · d

Таблица 4. Технические данные полупроводниковых диодов

Пример 1. Для питания постоянным током потребителя мощностью Р_d = 300 Вт при напряжении U_d = 20 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды Д242А.

Решение

1. Выписываем из таблицы параметры диода Д242А:

I_ДОП = 10 А, U_ОБР = 100 В.

2. Определяем ток потребителя

I_d = Р_d / U_d = 300 / 20 = 15 А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод

U_В = 3,14 · U_d = 3,14 · 20 = 63 В.

4. Проверяем диод параметрам I_ДОП и U_ОБР. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям

U_ОБР U_В; I_ДОП > I_d.

В данном случае второе условие не выполняется , т.к. 10 < 15 А, т.е. I_ДОП < I_d. Первое условие выполняется, так как 100 > 63 В.

5. Составляем схему выпрямителя . Чтобы выполнялось условие 1_ДОП >I_d ,надо два диода соединить параллельно, тогда 1_ДОП = 2 · 10 = 20 А; 20 А > 15А.

Полная схема выпрямителя имеет вид

Рис. 4

Пример 2.Для питания постоянным током потребителя мощностью Р_d = 250 Вт при напряжении U_d = 100 В необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя, использовав стандартные диоды типа Д243Б.

Решение

1. Выписываем из таблицы параметры диода Д234Б:

I_ДОП = 2 А, U_ОБР = 200 В.

2. Определяем ток потребителя:

I_d = Р_d / U_d = 250 / 100 = 2,5 А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод

U_В = 3,14 · U_d = 3,14 · 100 = 314 В.

4. Проверяем диод по параметрам I_ДОП и U_ОБР. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям

U_ОБР > U_В; I_ДОП > I_d/2

В данном случае первое условие не выполняется, т.к. 200 < 314,т.е. U_ОБР < U_В Второе условие выполняется, так как I_d / 2 = 2,5 / 2 = 1,25 А ; 1,25 А < 2А.

5. Составляем схему выпрямителя. Чтобы выполнялось условие U_ОБР > U_B, необходимо два диода соединить последовательно,тогда U_ОБР = 200 ·2 = 400 В; 400 А > 314 В.

Полная схема выпрямителя представлена на рис.5.

Рис. 5.

Пример 3. Составить схему мостового выпрямителя использовав один из трёх диодов: Д222, КД202Н, Д215Б. Мощность потребителя P_d = 300 Вт, напряжение потребителя U_d - 200 В.

Решение

1. Выписываем из таблицы параметры указанных диодов:

Д222: I_ДОП = 0,4 А, U_ОБР = 600 В

КД202Н: I_ДОП = 1 А, U_ОБР = 500 В

Д215Б: I_ДОП = 2 А, U_ОБР = 200 В.

2. Определяем ток потребителя:

I_d = Р_d / U_d = 300 / 200 = 1,5 А.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод для мостовой схемы выпрямителя:

U_В = 1,57 · U_d = 1,57 · 200 = 314 В.

4. Выбираем диод из условий:

I _ДОП >I_d / 2 = 1,5 / 2 = 0,75 А; U_ОБР > U_В = 314 В.

Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н:

I _ДОП = 1,0 А > 0,75 А; U_ОБР = 500 B > 314 B.

Диод Д222 подходит по напряжению (600 В > 314 В), но не подходит по току (0,4 А < 0,75 А).

Диод Д215Бподходит по току (2 А > 0,75 А), но не подходит по напряжению (200 В < 314 В).

Составляем схему мостового выпрямителя (рис. 6). В этой схеие каждый из диодов имеет параметры диодов. КД202Р: I _ДОП = 1 А, U_ОБР = 500 B.

Пример 4. Для составления схемы трёхфазного выпрямителя на трёх диодах заданы диоды Д243. Выпрямитель должен питать выпрямитель с U_d =150 В Определить до­пустимую мощность потребителя и пояснить порядок составления схемы выпрямителя.

Решение

1. Выписываем из таблицы параметры диода Д243:

Д243: I_ДОП = 5 А, U_ОБР = 200 В.

2. Определяем допустимую мощность потребителя для трехфазного выпрямителя:

I _ДОП > 1/3I_d, т.е. Р_d = 3 · U_d · I _ДОП = 3 · 150 · 5 = 2250 Вт.

Следовательно, для данного выпрямителя Р_d ≤ 2250 Вт.

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод:

U_В = 2,1 · U_d = 2,1 · 150 = 315 В.

4. Составляем схему выпрямителя:

Проверяем диод по условию U_ОБР > U_В. В данном случае это условие не выполняется, так как 200 < 315 В. Чтобы условие выполнялось, необходимо в каждом плече два диода соединить последовательно, тогда U_ОБР = 200 · 2 = 400 В; 400 > 315 В

Полная схема приведена на рис. 7.

Рис. 7

Методические указания

к ответу на теоретические вопросы

Эта задача содержит теоретический вопрос из тем (1 ÷ 6) раздела 2 «Основы электроники». Для правильного ответа на теоретический вопрос необходимо найти в рекомендованной литературе на данную тему, внимательно изучить материал и дать подробный, грамотный ответ на поставленный вопрос

Методические указания к решению задачи 3

Эта задача относится к расчету параметров и характеристик полупроводниковых триодов-транзисторов.

При включении транзистора с общим эмиттером управляющим является ток базы I_Б, а при включении с общей базой - ток эмиттера I_Э.

В схеме с общей базой связь между приращениями тока эмиттера ∆I_Э и тока коллектора ∆I_К характеризуется коэффициентом передачи тока h_21Б:

h_21Б = ∆I_К / ∆I_Б при U_КБ = const,

где U_КБ – напряжение между коллектором и базой. Коэффициент передачи тока всегда меньше единицы. Для современных биполярных транзисторов h_21Б = 0,9 ÷ 0,995.

При включении с общей базой ток коллектора

I_К = h_21Б · I_Э

Коэффициент усиления по току h_21Э в схеме включения транзистора с общим эмиттером определяются как отношение приращения тока коллектора ∆I_К к приращению базы ∆I_Б при U_КЭ = const.

h_21Э = ∆I_К / ∆I_Б при U_КЭ = const,

где U_КЭ – напряжение между коллектором и эмиттером.

Ток коллектора при включении с общим эмиттером

I_К = h_21Э · I_Б

Между коэффициентами h_21Б и h_21Э существует следующая связь:

h_21Б = h_21Э / (I + h_21Э) или

h_21Э = h_21Б / (I - h_21Б).

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора, определяем по формуле:

Р_К = U_КЭ · I_К

Рассмотрим примеры на расчет параметров транзисторов.

Пример 1. Для транзистора, включенного по схеме о общим эмиттером, определить коэффициент усиления h_21Э по его входной (рис. 10) и выходным (рис. 11) характеристикам, U_БЭ = 0,4 В; U_КЭ = 25 В. Подсчитать коэффициент передачи по току h_21Б, мощность Р_К на коллекторе и R_К – сопротивление в цепи коллектора. Напряжение питания Е_К = 40 В.

Решение

1. По входной характеристике определяем при U_БЭ = 0,4 В ток базы I_Б = 500 мкА.

2. По выходным характеристикам для U_КЭ = 25 В и I_Б = 500 мкА определяем ток коллектора I_К = 36 мкА в рабочей точке А.

3. На выходных характеристиках строим отрезок АВ, их которого находим:

∆I_К = АВ = I_К1 - I_К2 = 36 – 28 = 8 мА;

∆I_Б = АВ = I_Б1 – I_Б2 = 500 – 400 = 100 мкА

4. Определим коэффициент усиления

h_21Э = ∆I_К / ∆I_Б = 8/0,1 = 80

при U_КЭ = 25 В.

5. Определяем коэффициент передачи по току

h_21Б = h_21Э / (h_21Э + 1) = 80 / (80 + 1) = 0,98

6. Определяем мощность на коллекторе

Р_К = U_КЭ · I_К = 25 · 36 = 900 мВт = 0,9 Вт

7. Определяем сопротивление для коллектора R_К уравнения для коллекторной цепи усилительного каскада:

Е_К = U_КЭ + I_К · R_К;

R_К = (Е_К - U_КЭ) / I_К = (40 - 25) · 10³ / 36 = 140 Ом.

Пример 2. Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером найти ток базы 1_Б, ток коллектора 1_К, напряжение на коллекторе U_КЭ, если = U_БЭ = 0,3 В; напряжение питания Е_К = 20 В, сопротивление нагрузки в цепи коллектора R_К = 0,8 кОм.

Входная и выходные характеристики приведены на рис. 12 и рис. 13.

Решение

1.Для коллекторной цепи усилительного каскада в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно написать уравнение:

Е_К = U_КЭ + I_К · R_К

На семействе выходных характеристик строим вольт-амперную характеристику резистора R_К, удовлетворяющую уравнению:

U_КЭ = Е_К - I_К · R_К,

так называемую линию нагрузки.

Точки её пересечения с коллекторными выходными характеристиками дают графическое решение уравнения для данного резистора R_К и различных значений тока базы 1_Б.

Уравнение U_КЭ = Е_К - I_К · R_К удобно строить по двум точкам:

1) I_К = 0, U_КЭ = Е_К = 20 В

2) U_КЭ = 0, I_К = Е_К / R_К = 20 / 800 = 0,025 А,

здесь R_К = 0,8 кОм = 800 Ом.

2. Соединяем эти точки прямой и получаем линию нагрузки.

3. Находим на входной характеристике для U_БЭ = 0,3 В ток базы 1_Б = 250 мкА.

4. Находим на выходных характеристикаx точку А на пересечении линии нагрузки с характеристикой, соответствующей 1_Б = 250 мкА.

5. Определяем для точки А ток коллектора I_К. = 17 мА и напряжение U_КЭ = 7 В.

Коэффициент усиления по току мощности на коллекторе определяется как это показано в примере 1.

Методические указания

к решению задачи № 2

В этой задаче надо составить схему из элементов, указанных на рисунке. Для составления схемы следует найти в рекомендованной литературе раздел, к которому схема относится, и изучить принцип работы данного устройства. После составления схемы надо объяснить назначение каждого элемента и ответить на вопрос своего варианта.

Рассмотрим пример на составление электронной схемы.

Пример. Составить схему усилителя низкой частоты на транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, из элементов, указанных на рис. 14. Объяснить назначение элементов схемы. Дать определение коэффициента усиления по напряжению.

Решение

Схема усилителя низкой частоты представлена на рис. 15.

Рис. 15

В транзисторных усилителях положение рабочей точки определяется током базы транзистора, который зависит от разности, потенциалов между базой и эмиттером. Напряжение U_БЭ задаётся потенциометрическим делителем напряжения R₁, R₂ и определяется соотношением:

U_БЭ = I_Д · R_Д – I_Э · R_Э

Для повышения устойчивости работы усилителя при различных температурах, кроме фиксации положения рабочей точки необходима температурная стабилизация. Цепочка R_Э, С_Э осуществляет стабилизацию с помощью отрицательной обратной связи по постоянной составляющей тока эмиттера. Переменная составляющая тока эмиттера проходит через конденсатор С_Э, постоянная составляющая тока эмиттера вызывает на стабилизирующем резисторе R_Эпадение напряжения I_Э, R_Э. если с повышением температуры увеличится ток коллектора I_К, то увеличится ток эмиттера I_Э, а в результате разность потенциалов U_БЭ уменьшится на столько, что точка покоя не изменит своего положения. Конденсаторы C₁ и C₂не пропускают постоянную составляющую входного и выходного сигнала, чтобы исключить искажения усилителя. Е_К – источник коллекторного напряжения за счет энергии которого происходит усиление.

U_ВХ – входной сигнал, который следует усилить.

Коэффициент усиления по напряжению определяется отношением выходного напряжения усилителя к входному напряжению.

К = U_ВЫХ / U_ВХ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Методика расчёта и построения векторной диаграммы

простейшей пени переменного тока

Рассмотрим не разветвлённую цепь переменного тока с сопротивлениями: R = 4 Ом, X_L = 9 Ом и Х_C = 6 Ом. подведённое напряжение U = 220 В.

Определим: полное сопротивление цепи Z, коэффициент мощности cos φ, ток в це­пи I и мощности: полную S, активную Р и реактивную Q. Построим в масштабе вектор­ную диаграмму .

Дата добавления: 2014-10-08; просмотров: 743; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!