Основы электротехники и электроники

3) По правилу Крамера находят контурные токи I_ki=.

4) Токи в ветвях находят как алгебраическую сумму контурных токов, протекающих через данную ветвь. В алгебраической сумме контурные токи берутся со знаком «+» , если ток ветви и совпадает с контурным током и «-» если не совпадает.

Если токи ветви оказались положительными, то выбранное направление тока совпадает с истинным и наоборот.

Пример. Дана комплексная схема замещения электрической цепи (рис. 4.30). Определить токи во всех ветвях.

1. Проводим топологический анализ

а) b = 6; б) y = 4; в) N_k = 6 - 4 + 1=3.

2) Составим систему уравнений по методу МКТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

где:

E₁₁= E₁; E₂₂ = 0; E₃₃ = 0.

3) По методу Крамера находим контурные токи I_ki = .

4) Находим токи в ветвях:

I₁ = I_k1; I₂ =

= I_k1 - I_k2; I₃ = I_k1 - I_k3; I₄ = -I_k2 + I_k3; I₅ = I_k2; I₆ = I_k3.

Пример 2. Рассмотрим электрической цепи постоянного тока, рис. 2.21.

1. Проводим топологический анализ

а) b = 5; б) y = 3; в) N_k = 5 - 3 + 1=3.

2) Для каждого контура записывают уравнение второго закона Кирхгофа,

Рис. 2.21. - Расчетная схема для метода контурных токов

В каждом из трех контуров протекает свой контурный ток J₁, J₂, J₃. Произвольно выбираем направление этих токов, например, по часовой стрелке. Составляем уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого контура с учетом соседних контурных токов, протекающих по смежным ветвям

(R₁ + R₂)·J₁ - R₂·J₂ = E₂ - E₁

- R₂·J₁ + (R₂ + R₃ + R₄)·J₂ - R₃·J₃ = - E₂ - E₃

- R₃·J₂ + (R₃ + R₅)·J₃ = E₃.

Решив систему уравнений, находят контурные токи J₁, J₂, J₃. Затем определяют реальные токи в ветвях, причем токи во внешних ветвях равны контурным, а в смежных - алгебраической сумме 2-х контурных токов, протекающих в данной ветви

I₁ = J₁; I₂ = J₂ - J₁; I₃ = J₂ - J₃; I₄ = J₂; I₅ = J₃.

Исходная система уравнений в матричной форме

или

[R]·[J] = [E],

где [R] - квадратная матрица коэффициентов контурных токов;

[J] - матрица - столбец контурных токов; [E] - матрица - столбец ЭДС.

Решением матричного уравнения является матрица

[J] = [R]^-1 ·[E],

где [R]^-1 - матрица, обратная матрице [R]

• Пример 3. Для электрической цепи, схема которой приведена на рис. 1.1, получим следующие уравнения:

Размещено на http://www.allbest.ru/

получим следующие уравнения:

Размещено на http://www.allbest.ru/

По методу Крамера найдем контурные токи:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Действительные токи в ветвях: I1 = Ik1; I2 = Ik2 - Ik1; I3 = Ik2.

Пример 4. Расчет цепи методом контурных токов на рис. 2.22.

Рис. 2.22. - Расчет цепи методом контурных токов

Для схемы замещения электрической цепи, показанной на рис. 2.22, задано: E₁ = 30 B; E₂ = 10 В; R₁ = 8 Ом; R₂ = 15 Ом; R₃ = 36 Ом. Требуется определить токи в ветвях методом контурных токов. Составить баланс мощности.

Схема содержит три ветви (m = 3), два узла (n = 2). Выбираем положительные направления токов в ветвях произвольно. Число уравнений, составленных по методу контурных токов, равно m - (n - 1) = 2. Задаем направление контурных токов (например, по часовой стрелке) и составляем систему уравнений

(R₁ + R₂)·J₁ - R₂·J₂ = E₁ - E₂

- R₂·J₁ + (R₂ + R₃)·J₂ = E₂.

Подставляя численные значения сопротивлений резисторов и ЭДС в приведённые уравнения, находим контурные токи J₁, J₂ (Например, методом определителей)

20 = 23·J₁ - 15·J₂

10 = - 15·J₁ + 51·J₂

Токи в ветвях

I₁ = J₁ = 1,23 А; I₂ = - J₂ + J₁ = 1,23 - 0,56 = 0,67 А; I₃ = J₂ = 0,56 А.

Составляем баланс мощностей.

Мощность генераторов (источников)

Р_И = Е₁·I₁ - Е₂·I₂ = 30·1,23 - 10·0,67 = 30,2 Вт,

где произведение Е₂·I₂ имеет знак минус (ток через источник не совпадает с ЭДС, значит источник ЭДС работает в режиме потребителя электрической энергии).

Мощность, потребляемая нагрузкой, составляет

Р_Н = R₁·I₁² + R₂·I₂² + R₃·I₃² = 8·1,23² + 15·0,56² + 36·0,56² = 30,13 Вт.

Погрешность

составляет менее 1%, т. е. токи найдены верно.

Метод узловых потенциалов (МУП)

Метод основан на применении первого закона Кирхгофа. В нем за неизвестные величины принимают потенциалы узлов. По закону Ома определяют токи во всех ветвях схемы.

Все источники ЭДС, имеющиеся в схеме, заменяют источниками тока (рис. 4.31).

а) I = E/Z_i^I;

Размещено на http://www.allbest.ru/

б) Z_i^II = Z_i^I.

1) Топологический анализ.

а) Подсчитывают число ветвей b и число узлов y. Определяется количество независимых узлов N_y = y - 1.

б) Нумеруют все узлы. Один из узлов, к которому сходится наибольшее число ветвей, считают нулевым, где - потенциал нулевого узла.

2) По 1-му закону Кирхгофа составляют уравнения для N узлов схемы и решают их относительно потенциалов узлов:

,

где Y_ii - собственная узловая проводимость. Она равна сумме проводимостей всех ветвей, сходящихся в i-м узле, все они берутся со знаком «+»;

Y_ij - межузловая проводимость между i-м и j-м узлами. Проводимости всех узлов берутся со знаком «-»;

I_ii - алгебраическая сумма токов источников тока, сходящихся в i-м узле. Втекающие токи записываются в эту сумму со знаком «+», а вытекающие - со знаком «-».

3) Потенциалы узлов находят по формуле Крамера

.

4) Токи в ветвях находят по закону Ома

I = (₁ - ₂)/Z.

Пример. Дана электрическая цепь (рис. 4.32). Рассчитать токи во всех ветвях.

Предварительно преобразуем все источники напряжения (рис. 4.32) в источники тока (рис. 4.33).

Рис. 4.32 Рис. 4.33

Проведем топологический анализ.

а) число ветвей b = 4;

б) число независимых узлов N_у = 2, их потенциалы: ц₁ и ц₂ (рис. 4.33).

Составим систему уравнений по методу узловых потенциалов:

;

.

По методу Крамера найдем потенциалы узлов .

По закону Ома найдем токи во всех ветвях схемы:

.

Методические указания к выполнению заданий по теме цепи переменного тока

Методические указания к решению задач 3 и 4. .

В результате изучения темы «Электрические цепи синусоидального тока» слушатель должен:

знать содержание терминов: резистор, сопротивление, индуктивная катушка, индуктивность, индуктивное сопротивление, конденсатор, емкость, емкостное сопротивление, фаза, начальная фаза, угол сдвига фазы, период, частота, угловая частота, мгновенное и действующее значения гармонических величин, полная, активная и реактивная мощности, коэффициент мощности;

понимать особенности энергетических процессов в электрических цепях синусоидального тока;

знать сущность резонансных явлений в цепях переменного тока и условия резонансов;

представлять гармонически изменяющиеся величины комплексными числами; уметь составлять комплексные уравнения состояния линейных цепей; строить векторные диаграммы неразветвленных цепей и цепей с параллельным соединением электроприемников.

В электротехнике простейшим переменным сигналом является гармонический (ЭДС - е(t), напряжение - (u(t), ток - i(t)).

Применяют несколько способов представления гармонических (синусоидальных - sin или косинусоидальных -cos) электрических величин.

1. Временной (аналитический) способ - ток задается аналитически в виде функции времени (1.1). Аналитически гармонический сигнал (например, напряжение) записывается выражением:

u(t) = U_msin(щ₀t+ц₀) , (1.1)

где u(t) - мгновенное значение напряжения - напряжение в момент времени t.

Временная диаграмма гармонического сигнала приведена на рис.1.1. Он характеризуется следующими тремя основными параметрами:

1. u_m - амплитуда, величина наибольшего отклонения от нуля, (В- вольт);

2. Т - период, наименьший интервал времени, по истечении которого мгновенные величины повторяются, измеряется в (сек), с ним связаны f=1/Т - циклическая частота, измеряется в (Гц) и щ₀ =2рf - угловая частота - (рад/с);

3. ц₀ - начальная фаза, (рад). Выражение в скобках - (щ₀t+ц₀)= ш(t) называют полная фаза. Отсюда ц₀ = ш(t=0).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2. Временные диаграммы двух гармонических сигналов

Кроме амплитуд о величине периодических сигналов судят по их среднеквадратичным (действующим) значениям за период, I, U, E -

, , .

Для синусоидальных сигналов законы Кирхгофа и Ома и анализ цепей удобно проводить используя комплексную форму записи.

При комплексном представлении гармоническое колебание как функция времени заменяется комплексной амплитудой, т.е. комплексным числом, не зависящим от времени. Это делается для упрощения записи и выполнения операций над гармоническими функциями.

Комплексная амплитуда содержит информацию о двух важнейших параметрах гармонического сигнала - об амплитуде и начальной фазе. Комплексная амплитуда и гармоническая функция времени при известной частоте щ связаны взаимнооднозначно, т.е.

.

Пример 1. Например, гармоническому колебанию u(t) = 256 cos(2р100t - 45) соответствует комплексная амплитуда _m = 256 e-^j45.

Справедливо и обратное. Если известна комплексная амплитуда гармонического сигнала _m = 256 e-^j45 и частота щ=2р100, то этому соответствует гармоническое колебание u(t) = 256 cos(2р100t - 45).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геометрически комплексная амплитуда представляет собой вектор, характеризуемый модулем и фазой, равными, соответственно, амплитуде и начальной фазе гармонической функции, как это показано на рис. 4.7,

Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме

Они имеют совершенно такой же вид, как и соответствующие уравнения для цепей постоянного тока. Только токи, ЭДС, напряжения и сопротивления входят в уравнение в виде комплексных величин: комплексных амплитуд и комплексных сопротивлений.

1. Закон Ома. Он устанавливает связь между комплексными амплитудами тока и напряжения на участке цепи. 1.8. Закон Ома для участка цепи, не содержащего источника ЭДС (рис. 1.8):

Размещено на http://www.allbest.ru/

,

где и - комплексные амплитуды тока и напряжения на участке цепи; Z - комплексное сопротивление участка цепи, -комплексные амплитуды потенциалов на данном участке цепи.

2. Первый закон Кирхгофа: Алгебраическая сумма комплексных амплитуд (действующих значений) токов в узле равна нулю

. (1.5 а)

3. Второй закон Кирхгофа: В замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма комплексных амплитуд (действующих значений, ЭДС) равна алгебраической сумме комплексных падений напряжений в нём.

. (1.5 б)

Комплексное сопротивление элемента (участка цепи)

Под комплексным сопротивлением понимают отношения комплексной амплитуды входного напряжения к комплексной амплитуде входного тока:

. (1.6)

где Z -модуль комплексного сопротивления, ц=ш_u - ш_i - начальная фаза или аргумент комплексного сопротивления; R - активного сопротивления, X- реактивному сопротивлению, причем Z=(R²+X²)^1/2, а ц_z(щ)=ш_u-ш_i =arctg(X/R).

По виду записи комплексного сопротивления можно судить о характере участка цепи: Z=R - активное (резистивное) сопротивление; Z=R+jX -- активно-индуктивное сопротивление; Z=R - j X -- активно-емкостное

- комплексная проводимость, величина, обратная комплексному сопротивлению:

Метод комплексных амплитуд состоит в следующем:

1) исходная схема электрической цепи заменяется комплексной схемой замещения, в которой:

а) все пассивные элементы заменяются их комплексными сопротивлениями, как показано на рис. 4.27.

б) все токи и напряжения в схеме заменяются их комплексными амплитудами, т.е. х(t) = X_m cos(₀t - _x) X_m = X_m e-^jx.

Рис. 4.27

2) Расчет электрической цепи сводится к составлению уравнений состояния цепи на основе законов Ома и Кирхгофа в комплексной форме и нахождению комплексных амплитуд токов или напряжений на интересующих нас участках цепи, т.е. Y_m = Y_m e-^jy.

3) Запись окончательного решения состоит в замене рассчитанных комплексных амплитуд на гармонические функции времени, т.е.

Y_m =Y_m e -^jy y(t) = Y_m cos(₀t - _y).

Пример 5. Алгоритм метода рассмотрим на примере анализа цепи, структура которой приведена на рис. 4.29.

Рис. 4.29. RLC-цепь второго порядка

На вход цепи подается синусоидальное воздействие . Параметры воздействия и элементов цепи известны: U_m=1 В, щ =1 с^-1 , ц _u=90⁰ , R=1 Ом, L=1 Гн, C=1 Ф. Требуется определить токи и напряжения ветвей, построить векторную диаграмму.

Решение.

1. Представим воздействие в комплексной форме:

.

2. Построим схему замещения цепи в частотной области, заменив элементы цепи комплексными двухполюсниками, как это показано на рис. 4.30.

Рис. 4.30. Схема замещения цепи в частотной области

3. Произведем расчет реакций (токов и напряжений) в комплексной области. При этом можно воспользоваться законами Кирхгофа и Ома в комплексной форме, а также известными методами расчета резистивных цепей:

, , ,

,

, ,

,

, .

3. Построим векторную диаграмму для токов и напряжений в цепи. Для этого на комплексной плоскости откладываются в соответствующем масштабе найденные токи и напряжения, как показано на рис. 4.31.

Рис. 4.31. Векторная диаграмма

Построение векторной диаграммы, как правило, является конечным результатом решения подобных задач. Векторная диаграмма показывает амплитуду и начальную фазу любого тока или напряжения. При необходимости записать временную функцию тока или напряжения, это всегда можно сделать, имея векторную диаграмму. Например, напряжение на L-элементе имеет амплитуду , а начальную фазу 135⁰, значит, во временной области это напряжение можно записать так:

.

Пример 2.

Активное сопротивление катушки R_к=6 Ом, индуктивное X_l=10 Ом. Последовательно с катушкой включено ативное сопротивление R=2Ом и конденсатор сопротивлением х_с=4 Ом (рис.2,а). К цепи приложено напряжение U=50В ( действующее значение). Определить :1) полное сопротивление цепи;2)ток;3)коэффициент мощности;4)активную, реактивную и полную мощности;5) напряжения на каждом сопротивлении. Начертите в масштабе векторную диаграмму цепи.

Решение:

1.Определяем полное сопротивление цепи

2.Определяем ток

3.Определяем коэффициент мощности цепи

по таблицам Брадиса находим =36⁰50' . Угол сдвига фаз находим по синусу во избежание потери знака угла ( косинус является четной функцией)

4.Определяем активную мощность цепи

или

Здесь

5.Определяем реактивную мощность цепи

6.Определяем активную мощность цепи

или

7.Определяем падение напряжения на сопротивлениях цепи

; ; ;

Построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштаба для тока и напряжения. Задаемся масштабом по току : в 1см - 1,0А и масштабом по напряжению : 1см- 10В. Построение векторной диаграмм ( рис.2,.б) начинаем с вектора тока, который откладываем по горизонтали в масштабе

Вдоль вектора тока откладываем векторы падения напряжения на активных сопротивления U_Rк и U_R:

Из конца вектора U_R откладываем в сторону опережения вектора тока на 90⁰ вектор падения напряжения U_L на индуктивном сопротивлении длиной .Из конца вектора U_I откладываем в сторону отставания от вектора тока на 90⁰ вектор падения напряжения на конденсаторе U_C длиной . Геометрическая сумма векторов U_Rк, U_R, U_L и U_C равна полному напряжению U, приложенному к цепи .

Пример 3.

На рис. 3,а задана векторная диаграмма для неразветвленной цепи, ток I и падения напряжений на каждом сопротивлении ( U₁, U₂ и т.д.) Определить характер и величину каждого сопротивления, начертить эквивалентную схему цепи, вычислить приложенное напряжение и угол сдвига фаз .

Решение:

1.Из векторной диаграммы следует, что напряжение U₁ отстает от тока на угол 90⁰. Следовательно, на первом участке включен конденсатор, сопротивление которого

Вектор напряжение на втором участке U₂ направлен параллельно вектору тока, т.е. совпадает с ним по фазе. Значит, на втором участке включено активное сопротивление

Вектор напряжения на третьем участке U₃ опережает вектор тока на угол 90⁰, что характерно для индуктивности, сопротивление которой

На четвертом участке включено активное сопротивление

Эквивалентная схема цепи приведена на рис. 3, б.

2.Из векторной диаграммы определяем значение приложенного напряжения и угол сдвига фаз:

.

Пример:

К электрической цепи, рис. 3.12, а, подведено синусоидальное напряжение частотой f = 50 Гц с действующим значением U = 100 В. Параметры элементов схемы: R₁ = 30 Ом, L = 0,1 Гн, C = 50 мкФ, R₂ = 20 Ом. Определить токи в ветвях схемы и показания приборов. Составить баланс мощности. Построить в масштабе векторную диаграмму токов и напряжения.

Рис. 3.12 - Параллельная цепь:

а) схема замещения; б) векторная диаграмма

Решение

Определяем комплексные сопротивления параллельных ветвей. Сопротивление первой ветви

Z₁ = R₁ + jX_L,

где

X_L = jщL = 2рfL = 6,28•50•0,1 = 31,4 Ом;

Z₁ = 30 + j31,4 Ом.

Комплексное сопротивление второй ветви

Z₂ = R₂ - jX_С;

Z₂ = 20 - j63,7 Ом.

Находим комплексные значения токов в ветвях

I = I₁ + I₂ = 1,6 - j1,64 + 0,45 + j1,43 = 2,05 - j0,21 A.

Действующие значения

Для определения показания вольтметра составляем уравнение согласно второго закона Кирхгофа для контура б, в, г, д, б. Произвольно выбираем направление обходе контура, показанное на рис. 3.12, а стрелкой

0 = U_бв + R₂I₂ - R₁I₁;

1._. U_бв = R₂I₂ - R₁I₁ = 20·(0,45 + j1,43) - 30(1,6 - j1,64) =

= 9 + j28,6 - 48 + j49,2 = - 39 + j77,8;

U_бв = 39 - j77,8 В.

Вольтметр покажет действующее значение напряжения U_бв

Ваттметр измеряет мощность, потребляемую активной нагрузкой (R₁ и R₂).

Известно, что

Р = U·I·cosц.

В этом выражении неизвестным является cosц, где ц угол сдвига между напряжением U и током I. Определить угол ц (или cosц) можно разными путями. Например, cosц можно найти из выражения для общего тока, учитывая, что начальная фаза напряжения равна нулю. Для этого обратимся к комплексному значению общего тока

I = 2,05 - j0,21 A,

где I_R = 2,05 - активная составляющая тока (проекция комплексного вектора полного тока на ось действительных чисел);

I_X = - j0,21 - реактивная составляющая тока (проекция комплексного вектора полного тока на ось мнимых чисел).

Тогда

где I = 2,06 А - действующее значение общего тока.

Показание ваттметра

Р = 100•2,06•0,995 = 205 Вт.

Составим баланс мощностей.

Полная мощность, поступающая от источника

где P_И = 205 Вт; Q_И = 21 Вар.

Мощности приёмников

S_П = Р_П + jQ_П = 205 + j21,34 ВА.

Результаты расчётов показывают, что баланс мощности сходится, т. е. токи найдены правильно.

Векторную диаграмму строим на комплексной плоскости, рис. 3.12, б. Выбираем масштабы тока и напряжения: (Масштаб выбирается с таким расчётом, чтобы векторная диаграмма занимала примерно половину страницы). Откладываем вектор напряжения совпадающий с осью +1. Затем откладываем вычисленные значения токов I₁, I₂, I. Действительные значения - на оси +1, мнимые значения - на оси +j.

Контрольные вопросы к экзамену (зачету)

Контрольные вопросы к зачету (экзамену ) по разделу "Основы электротехники".

1. Электробезопасность. Характеристики поражения человека электрическим током.

2. Основные определения: электротехника, электричество, электрическое поле, потенциал, напряжение, электрический ток, источники тока , электродвижущая сила (ЭДС), закон Ома , законы Кирхгофа.

3. Электрическая цепь. Пассивные и активные элементы цепи. Параметры электрической цепи.

4. Расчет электрических цепей постоянного тока методом законов Кирхгофа, методом контурных токов.

5. Энергия и мощность постоянного тока. Баланс мощностей.

6. Переменный ток. Однофазный синусоидальный ток. Основные параметры: мгновенные, действующие и средние значения тока, напряжения и ЭДС. Генерирование переменного тока.

7. Представление переменного тока комплексными величинами. Метод комплексных диаграмм.

8. Метод комплексных амплитуд. Закон Ома и законы Кирхгофа в комплексной форме.

9. Активное сопротивление, индуктивность и емкость в цепи переменного тока.

10. Последовательная и разветвленные цепи переменного тока с активным сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Резонанс тока. Резонанс напряжения.

11.Мощность и энергия в цепи переменного тока. Активная, реактивная и полная мощность. Единицы измерения. Баланс мощностей.

12.Трехфазные электрические цепи. Основные определения. Линейные и фазные токи и напряжения. Маркировка фазы. Способы соединения генераторов и приемников типа звезда и треугольник. Трехпроводные и четырехпроводные цепи. Нейтральный провод.

13. Короткое замыкание фазы. Разрыв линейного провода. Мощность в цепи трехфазного тока.

14. Нелинейные электрические цепи. Аппроксимация нелинейных характеристик.

15. Расчет цепей постоянного тока с одним или несколькими нелинейными элементами.

16. Основные магнитные величины. Магнитные цепи постоянного тока.

17. Магнитные цепи переменного тока. Ферромагнитные материалы.

18. Расчет катушки с магнитопроводом и воздушным зазором.

19. Энергия и основные потери в магнитопроводе.

20 Трансформатор. Основные режимы работы.

21. Устройство и принцип действия машин постоянного тока.

22. Генератор постоянного тока. Основные характеристики.

23.Двигатель постоянного тока. Основные характеристики.

24.Устройство и принцип действия машины переменного тока.

25. Асинхронный двигатель. Основные характеристики.

26. Синхронный генератор. Основные характеристики.

Темы рефератов. Задания для самостоятельной работы

Самостоятельная работа студентов состоит в изучении ряда теоретических вопросов по темам дисциплины, перечень которых приведен в таблице 5 и составления рефератов..

Таблица 5

№ п/п	Тема дисциплины
1	2
1	Тема 1. Электрические цепи. Основные определения, топологические параметры
2	Тема 2. Методы расчета линейных электрических цепей
3	Тема З. Однофазный переменный ток
4	Тема 4. Электрические цепи трехфазного тока.
5	Тема 5. Магнитные цепи и электромагнитные устройства.
6	Тема 6. Трансформаторы
7	Тема 7. Асинхронные машины
8	Тема 8. Машины постоянного тока (МПТ)
9	Тема 9. Синхронные машины
10	Тема 10. Электрические измерения и приборы
11	Тема 11. Основы электроники и элементной базы современных электронных устройств
12	Тема 12. Источники вторичного электропитания
13	Тема 13. Усилители электрических сигналов
14	Тема 14. Импульсные и автогенераторные устройства
15	Тема 15. Основы цифровой электроники
16	Тема 16. Микропроцессорные средства

Содержание контрольной работы по разделу 2 - "Основы электроники"

Номер варианта брать по последним двум цифрам зачетной книжки mn. Если последние цифры больше 50 , то номер рассчитать по формуле 100-mn, например mn=90, брать вариант 10.

Задача 5. Расчет маломощных выпрямителей.. (варианты задание в табл.6.1)

Исходные данные для расчета выпрямителя приведены в табл. 6.1, где U_С - напряжение сети, питающей выпрямитель; f_С - частота сети переменного тока; U₀ - выходное выпрямленное напряжение; I₀ - ток на выходе выпрямителя; K_П % - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.

Порядок расчета:

1. Зарисовать структурную схему блока питания с обозначением всех составных частей и описать их назначение.

2. Выбрать схему выпрямителя согласно номера варианта, зарисовать ее в отчет и пояснить назначение всех элементов схемы

3. Выполнить расчет трансформатора (т.е. определить его мощность по вторичной обмотке, коэффициент трансформации, определить его типовую мощность).

4. Выполнить расчет выпрямителя (исходя из выбранного типа выпрямителя и формул для выпрямителей такого типа, заданного типа диодов - определить количество диодов в схеме, выполнить проверку по току и по напряжению).

5. Выполнить расчет сглаживающего фильтра. Он состоит из предварительного и окончательного расчета.

7. На заключительном этапе практической работы студенты должны начертить полную схему блока питания со всеми элементами и нагрузкой.

Таблица 6.1

№ вар.	№рис.	UС	U0	I0	fС	KП
		В	А	Гц	%
1	2	3	4	5	6	7
1	6.5	220	5	10	50	1,5
2	6.6	127	18	5	50	1,7
3	6.7	220	10	8	50	1,9
4	6.8	127	10	12	50	2,0
5	6.9	220	10	15	60	2,2
6	6.10	220	20	15	60	1,8
7	6.5	127	20	15	50	2,4
8	6.6	380	20	15	50	2,5
9	6.7	220	10	2	50	1,5
10	6.8	220	10	2	50	1,7
11	6.9	380	10	2	100	1,9
12	6.10	380	10	2	100	2,0
13	6.5	127	30	3	50	2,2
14	6.6	127	30	3	50	1,8
15	6.7	380	30	3	50	2,4
16	6.8	380	5	3	50	2,5
17	6.9	220	5	4	50	1,5
18	6.10	220	5	4	50	1,7
19	6.5	220	5	4	60	1,9
20	6.6	220	12	4	60	2,0
21	6.7	380	12	5	60	2,2
22	6.8	380	12	5	60	1,8
23	6.9	127	12	5	100	2,4
24	6.10	127	15	5	100	2,5
25	6.5	110	15	8	100	1,5
26	6.6	110	15	8	100	1,7
27	6.7	220	15	8	60	1,9
28	6.8	220	18	8	60	2,0
29	6.9	220	18	20	50	2,2
30	6.10	220	18	20	50	1,8
31	6.5	380	18	20	50	2,4
32	6.6	380	12	20	50	2,5
33	6.7	110	12	25	50	1,5
34	6.8	110	12	25	50	1,7
35	6.9	127	12	25	60	1,9
36	6.10	127	10	25	60	2,0
37	6.5	220	10	12	100	2,2
38	6.6	220	10	12	100	1,8
39	6.7	220	10	12	50	2,4
40	6.8	220	25	12	50	2,5
41	6.9	380	25	10	50	1,5
42	6.10	380	25	10	50	1,7
43	6.5	127	25	10	50	1,9
44	6.6	127	12	10	50	2,0
45	6.7	220	12	12	50	2,2
46	6.8	220	12	12	50	1,8
47	6.9	220	12	12	50	2,4
48	6.10	220	10	12	50	2,5
49	6.5	220	10	5	50	1,5
50	6.6	220	10	5	50	1,7

Задача 6. Расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером. (варианты задание в табл.6.2).

Исходные данные для расчета параметров усилительного каскада на транзисторе ГТ320А по схеме рис. 6.18 приведены в таблице 6.2..

В контрольной работе привести:

1. Схему усилительного каскада и описание назначения всех элементов входящих в схему, а также входные и выходные ВАХ биполярного транзистора. электрический магнитный цепь полупроводниковый

2. По исходным данным для усилительного каскада определить:.

а. Положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора.

б. h - параметры транзистора в районе рабочей точки.

в. Входное сопротивление усилительного каскада, R_ВХ.

г. Выходное сопротивление усилительного каскада, R_ВЫХ.

д. Коэффициент усиления каскада по напряжению, K_U.

е. Величина выходного напряжения усилительного каскада.

ж. Нарисовать временные диаграммы входного напряжения, напряжения на базе, выходного напряжения, полного тока в цепи коллектора, считая что входной сигнал гармонический с амплитудой 100 мВ.

Таблица 6.2

№№ вар.	ЕК	R1	R2	RК		№№ вар	ЕК	R1	R2	RК
	В	Ом			В	Ом
1	10	350	80	100		26	10	350	110	110
2	12	300	100	80		27	12	300	100	100
3	15	320	80	90		28	15	320	90	60
4	8	380	70	110		29	8	380	120	80
5	6	400	60	120		30	6	400	30	120
6	9	420	50	80		31	9	420	40	110
7	7	450	40	60		32	7	450	50	90
8	10	500	30	100		33	10	500	60	80
9	12	450	120	110		34	12	500	70	100
10	15	420	90	110		35	15	450	80	100
11	8	400	100	100		36	8	420	100	80
12	6	380	110	60		37	6	400	80	90
13	9	320	110	80		38	9	380	80	110
14	7	300	100	120		39	7	320	100	120
15	10	350	90	110		40	10	300	80	80
16	12	350	120	90		41	12	350	70	60
17	15	300	30	80		42	15	350	60	100
18	8	320	40	100		43	8	300	50	110
19	6	380	50	60		44	6	320	40	120
20	9	400	60	80		45	9	380	30	110
21	7	420	70	120		46	7	400	120	110
22	10	450	80	110		47	8	420	90	90
23	12	500	100	90		48	6	450	100	100
24	15	450	80	100		49	9	500	110	110
25	8	500	80	110		50	7	500	100	80

Методические указания к выполнению контрольной работы по разделу основы электронике

Электроника представляет собой область науки и техники, охватывающую изучение и применение электронных и ионных явлений, протекающих в вакууме, газах, жидкостях, твердых телах и плазме, а также на их границах. Техническая электроника занимается изучением теории и практики применения электронных и ионных приборов, устройств, систем и установок в различных областях человеческой деятельности - науке, промышленности, связи, сельском хозяйстве, строительстве, транспорте и др.

1. Физические основы работы полупроводниковых приборов

С начала 50-х г. г. прошлого века, после изобретения транзистора, начался расцвет полупроводниковой электроники, которая практически полностью вытеснила ламповую.

К полупроводникам относят материалы, занимающие по своему удельному сопротивлению промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При производстве полупроводниковых приборов наибольшее применение нашли германий Ge и кремний Si. У идеальных кристаллов германия и кремния, относящихся к четвертой группе периодической системы Менделеева, все валентные электроны образуют связанную пару. Такие идеальные кристаллы не проводят электрический ток.

При добавлении в кристалл кремния элементов из пятой группы, например сурьмы Sb или фосфора P появляется несвязанный, свободный электрон. Таким образом, в кристалле кремния возникает электронная проводимость, а полупроводник называется n - типа. Примесь, образующая электронную проводимость, называется донорной.

Добавление в кремний трехвалентной примеси, например, галлия Ga или индия In приводит к тому, что три валентных электрона индия участвуют в образовании ковалентных связей с атомом кремния, а одна связь остается свободной. Таким образом, для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону. В кристалле кремния образуется "дырка", способная присоединить свободный электрон. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p - типа, а соответствующая примесь называется акцепторной.

Под действием внешнего электрического поля в полупроводнике n - типа наблюдается движение электронов в направлении поля, в полупроводнике p - типа происходит движение дырок, имеющих положительный заряд, в обратном направлении. Хотя в обоих рассмотренных случаях в образовании электрического тока участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения. Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные - неосновными. В полупроводнике n - типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки. В полупроводнике p - типа основные носители заряда - дырки, не основные - электроны. Электроны и дырки в кристалле полупроводника находятся в состоянии хаотического теплового движения.

Действие электрического поля из хаотического движения электронов и дырок приводит к направленному движению зарядов в кристалле. Возникает электрический ток, который называется дрейфовым током. Причиной, вызывающей электрический ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда. В соответствии с законами теплового движения возникает диффузия электронов и дырок из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда. Таким образом, электрический ток в полупроводниках, обусловленный движением электронов и дырок, имеет дрейфовую и диффузионную составляющие.

2. Электронно-дырочный переход

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными видами проводимости. Электронно-дырочный переход или р - n - переход образуется путем сплавления полупроводников типа n и типа р в единый монокристалл. На границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации зарядов - в области р положительный заряд, обусловленный наличием дырок, в области n - отрицательный заряд свободных электронов. Наличие градиента концентрации зарядов вызывает появление диффузионного тока - переноса заряженных частиц (дырок и электронов) через р - n переход. Таким образом, в области р вследствие ухода дырок возникает не скомпенсированный отрицательный заряд, а в области n вследствие ухода электронов - положительный заряд.

Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р - и n областями приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля Е_ДИФ, называемое диффузионным. Диффузионное поле оказывается тормозящим для движения дырок из области р и электронов из области n через р - n переход, т. е. на границе между р - и n областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей, рис.6.1.

Рис. 6.1. Включение p-n перехода. Вольтамперная характеристика p-n перехода

При прямом подключении к р - и n областям внешнего электрического поля, направленного навстречу диффузионному, при Е_вн ? Е_диф, через р - n переход начнется движение основных носителей (дырок из области р и электронов из области n), образующих прямой ток, рис.6.1 (прямое включение). Вольтамперная характеристика р - n перехода при прямом подключении является нелинейной.

При подключении внешнего напряжения плюсом к области n, а минусом к области р, что представляет собой обратное включение р - n перехода, электрический ток будет определяться только неосновными носителями (электронами в области р, и дырками в области n). Поскольку концентрация неосновных носителей очень мала, обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения. При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р - n перехода, вызывающий резкое увеличение обратного тока. Различают электрический и тепловой пробой.

При электрическом пробое число носителей заряда возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки полупроводника. Электрический пробой не приводит к выходу р - n перехода из строя. После выключения р - n перехода его свойства полностью восстанавливаются.

При тепловом пробое возникает перегрев полупроводника, наблюдается нарушение теплового баланса и выход р - n перехода из строя.

3. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет р - n структура, разделенная электронно-дырочным переходом. Изображение полупроводникового диода показано на рис.6.2. Острая вершина треугольника указывает направление прямого тока через диод. Треугольник соответствует р области и называется иногда анодом или эмиттером, а прямолинейный отрезок - области n и называется катодом или базой.

Рис. 6.2. Разновидности диодов: (а) выпрямительные, импульсные и универсальные; (б) стабилитроны и стабисторы; (в) туннельные; (г) обращенные; (д) варикапы

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный ток. Выпрямление переменного тока основано на односторонней проводимости диода. Вольтамперная характеристика р - n перехода, изображенная на рис.6.1, является характеристикой диода. При включении диода в прямом направлении сопротивление его электрическому току очень мало. При обратном включении - сопротивление диода велико и он практически не пропускает электрический ток. Выпрямление переменного напряжения (тока) показано на рис.6.3. При действии положительной полуволны входного напряжения U₁ диод включен в прямом направлении, сопротивление его мал...