Электротехника. Электротехника и электроника. Задача 1 Для указанного в таблице 1 типа выпрямителя по заданным току i н ср и сопротивлению R
 Скачать 1 Mb.
|
|
Вариант 7. Задача 1 Для указанного в таблице 1.1 типа выпрямителя по заданным току Iн ср и сопротивлению Rн нагрузки рассчитать напряжения Uн ср, U2, коэффициент трансформации n, амплитуду обратного напряжения Uобр max и прямой ток Iпр ср вентилей. Напряжение питающей сети U1=220 В, частота f=50 Гц. Определить напряжение при холостом ходе  (Iн ср=0), полагая сопротивление диодов и трансформатора Rпр+Rт=5 Ом.Результаты расчетов записать в таблицу 1.2. Таблица 1.1
Таблица 1.2
Задача 2 Для стабилизатора с Кст=40, номинальным входным напряжением Uвх=24 В и выходным Uвых=12 В определить изменение выходного напряжения Uвых при заданном в таблице 3.1 изменении входного Uвх. Напряжение холостого хода стабилизатора Uвых=12 В, выходное (внутренне) сопротивление Rвых=3 Ом. Определить напряжение на нагрузке при заданном токе нагрузки Iн. Таблица 3.1
Задача 3 Изучить устройство и принцип работы однокаскадного транзисторного усилителя с ОЭ (рисунок 4.4,а), проанализировать назначение всех его элементов. Письменно дать обоснованный ответ на вопрос соответствующего варианта в таблице 4.1. Таблица 4.1
Общие сведения  Усилителем называют устройство, позволяющее увеличить напряжение, ток, мощность слабых электрических сигналов. В усилителях используют биполярные и полевые транзисторы, а последние годы - интегральные микросхемы (ИМС). Усилители на ИМС обладают высокой надежностью и экономичностью, большим быстродействием, имеют малые размеры и массу, высокую чувствительность. Они обеспечивают усиление очень слабых сигналов (напряжение порядка 10-13 В, токи до 10-17 А, мощность порядка 10-24 Вт).Многие усилители состоят из нескольких ступеней, осуществляющих последовательное усиление сигнала и называемых каскадами. В зависимости от выполняемых функций усилительные каскады подразделяют на каскады предварительного усиления, предназначенные для повышения уровня сигнала по напряжению, и выходные каскады – для получения требуемых тока или мощности в нагрузке. Рассмотрим принцип построения и работы усилительного каскада на структурной схеме рисунка 4.1. Основными элементами являются управляемый элемент УЭ (биполярный или полевой транзистор) и резистор R, которые совместно с источником питания Е образуют выходную цепь каскада. Усиление выходного сигнала uвых происходит за счет энергии источника постоянного напряжения Е. При подаче входного сигнала uвх изменяются сопротивление УЭ и ток выходной цепи iвых по закону, задаваемому uвх. Переменная составляющая iвых создает переменный сигнал uвых. Усилительные свойства каскада зависят от степени влияния uвх на ток управляемого элемента. Чем больше изменяется ток, тем больше будет падение напряжения на резисторе R, а значит, и сигнал uвых, который также зависит и от величины R. Основные параметры усилительного каскада: коэффициент усиления по напряжению KU=Uвых/Uвх; коэффициент усиления по току KI=Iвых/Iвх; коэффициент усиления по мощности KP=Pвых/Pвх=UвыхIвых/UвхIвх=KUKI; (в соотношениях используются амплитуды тока и напряжения). В настоящей работе исследуется усилитель на биполярном транзисторе, который выполняет роль управляемого элемента. Транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, имеющий три вывода. В зависимости от чередования областей полупроводников с различными типами электропроводности различают транзисторы типа p-n-p и типа n-p-n. Их схематическое устройство и условное графическое обозначение показано на рисунке 4.2. Центральный слой транзистора называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником зарядов (электронов или дырок), – эмиттером(Э), а наружный слой, принимающий заряды, – коллектором(К). На переход эмиттер – база напряжение источника Еэ подается в прямом направлении, и прямое сопротивление перехода мало, поэтому даже при малых Еэ возникает значительный ток эмиттер – база Iэ. На переход коллектор-база напряжение источника Ек подается в обратном направлении.  Рассмотрим работу транзистора типа p-n-p (рисунок 4.2) (транзистор типа n-p-n работает аналогично). При отсутствии источника Еэ эмиттерный ток Iэ=0, и в транзисторе через коллекторный переход в обратном направлении протекает малый ток (у кремниевых транзисторов Iко=0,1 ... 10 мкА). При подключении источника Еэ возникает эмиттерный ток Iэ: дырки преодолевают переход эмиттер-база и попадают в область базы, где частично рекомбинируют со свободными электронами базы. Убыль электронов в базе пополняется электронами, поступающими из внешней цепи, образуя ток базы Iб. Благодаря диффузии часть дырок в базе, продолжая движение, доходит до коллектора и под действием электрического поля источника Ек проходит коллекторный p-n-переход. В цепи база-коллектор протекает ток Iк=Iэ–Iб. Соотношение между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуют коэффициентом передачи тока  Так как IкIэ, то для биполярных транзисторов =0,9 ... 0,995, и ток коллектора Iк=Iко+IэIэ. Рассмотренная схема включения транзистора, где база является общим электродом для эмиттерной и коллекторной цепей, называется схемой с общей базой. Ее применяют крайне редко из-за низкого коэффициента передачи тока. Существует три способа включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (электрод, находящийся на входе и выходе схемы одновременно, определяет название схемы). Основной является схема с общим эмиттером (рисунок 4.3,а), в которой входной ток равен току базы Iб=Iэ–Iк=Iэ–(Iко+Iэ)=(1–)Iэ–IкоIэIк. Широкое применение схемы с общим эмиттером обусловлено малым входным (управляющим) током Iб. Коэффициент передачи тока для схемы с общим эмиттером =Iк/Iб колеблется в пределах 10 ... 200. Входные характеристики транзистора с ОЭ (рисунок 4.3,б) отражают зависимость тока базы от напряжения, приложенного между базой и эмиттером, при Uкэ=const. Они мало зависят от Uкэ, поэтому обычно приводят одну характеристику Iб(Uбэ). Выходные характеристики отражают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при Iб=const (рисунок 4.3,в). Рассмотрим один из наиболее распространенных усилительных каскадов на транзисторах – каскад с общим эмиттером (рисунок 4.4,а).  Источник усиливаемого сигнала подключается к входной цепи каскада (между базой и эмиттером) через конденсатор С1, а нагрузка Rн - к выходу каскада через конденсатор С2 . Конденсаторы С1 и С2 разделяют эти цепи по постоянному току и связывают их по переменному. В выходную цепь включается источник Ек, за счет которого происходит усиление мощности выходного сигнала. Напряжение покоя между базой и эмиттером Uбэп определяется делителем напряжении R1 – R2 и резистором Rэ, в результате возникают токи базы Iбп и коллектора Iкп. Режим работы усилителя при uвх=0 называют режимом покоя. При подаче входного сигнала uвх на постоянную составляющую тока Iбп накладывается переменная составляющая iб, и ток базы становится пульсирующим iб (рисунок 4.4, б). Он вызывает пульсацию тока коллектора iк=iб и коллекторного напряжения uк. Переменная составляющая напряжения uк через конденсатор С2 передается в нагрузку: uн=uвых. По второму закону Кирхгофа для выходной цепи Ек=uк+Rк iк=(Uкп+uк)+Rк(Iкп+iк).  Так как Ек=const и режим по постоянному току не меняется, то видно, что с увеличением тока iк напряжение uк уменьшается, оно сдвинуто по фазе относительно входного напряжения на 180 (рисунок 4.4, б).  Недостатком полупроводниковых усилителей является зависимость их параметров от температуры. Для уменьшения влияния температуры в рассмотренном усилительном каскаде с ОЭ применена эмиттерная температурная стабилизация: в цепь эмиттера включен резистор Rэ, шунтированный конденсатором Сэ. С увеличением температуры возрастают токи транзистора Iкп, Iэп, но возникающее падение напряжения на резисторе Rэ уменьшает напряжение Uбэп=UR2–RэIэп (при UR2=const), что повлечет уменьшение токов Iбп, Iэп, Iкп. Стабилизация тем эффективнее, чем большеRэ. Но падение напряжения на Rэ уменьшает Uбэ и снижает коэффициент усиления, что нежелательно. Это явление называют отрицательной обратной связью (ООС). Для ослабления ООС по переменному напряжению резистор Rэ шунтируют конденсатором Сэ, сопротивление которого ХсэRэ для всех частот uвх. Тогда падение напряжения на участке Rэ–Сэ от переменной составляющей iэ незначительно, и усиливаемое напряжение практически не меняется: uбэuвх. Основные характеристики усилителя: амплитудная Uвых(Uвх) и амплитудно-частотная КU(f), определяющая зависимость модуля коэффициента усиления напряжения от частоты усиливаемого сигнала. Амплитудная характеристика (рисунок 4.5) позволяет определить диапазон входного напряжения, в пределах которого зависимость Uвых(Uвх) линейная. При большой амплитуде входного напряжения UвхUвх.max появляются нелинейные искажения uвых, обусловленные нелинейностью входной и выходной характеристик транзистора (рисунок 4.3,б,в). Амплитудно-частотная характеристика (рисунок 4.6) важна при усилении несинусоидальных сигналов, так как гармонические составляющие uвх усиливаются в различной степени, и форма uвых искажается. По амплитудно-частотной характеристике определяют полосу пропускания усилителя – диапазон от низших fн до высших fв частот, в котором коэффициент усиления КU К0 /  , где К0 – максимальный коэффициент усиления.Уменьшение КU при низших частотах обусловлено влиянием конденсаторов С1, С2, Сэ. С понижением частоты Хс=  увеличивается, и возрастают падения напряжения на конденсаторах. В диапазоне средних частот влиянием разделительных конденсаторов можно пренебречь из-за малости их сопротивления, и коэффициент усиления максимален. В области высших частот усилительные свойства ухудшаются.Задача 4 По заданным в таблице 5.1 значениям Rос и R1=10 кОм рассчитать коэффициент КU и построить амплитудную характеристику при изменении Uвх от 0 до 1 В. Рассчитать длительность периода и частоту выходного напряжения генератора гармонических колебаний или мультивибратора по заданным значениям R и С (таблица 5.1). Таблица 5.1
Общие сведения к задаче Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению KU=Uвых/Uвх=3103-5106 и высокое входное сопротивление Rвх=20 кОм ... 10 МОм. Современные ОУ выполняются в интегральном исполнении двух- и трехкаскадными. Основу ОУ составляет дифференциальный усилитель, служащий входным каскадом, а выходной каскад – обычно эмиттерный повторитель, обеспечивающий должную нагрузочную способность. М  ассовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: могут осуществлять усиление с постоянным коэффициентом, сложение, вычитание, дифференцирование, интегрирование сигналов, сравнение электрических величин, генерацию сигналов разной формы и др. У  словное обозначение ОУ показано на рисунке 5.1. ОУ имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на неинвертирующий вход Uвх Н приращение выходного сигнала Uвых совпадает по знаку (фазе) с приращением Uвх.Н. Если сигнал подан на инвертирующий вход Uвх И, то приращение Uвых имеет обратный знак (в противофазе) по сравнению с приращением Uвх.И. Инвертирующий вход используют в усилителях для введения отрицательной обратной связи (ООС), благодаря чему повышается стабильность KU, снижаются нелинейные искажения, увеличивается Rвх. Для иллюстрации на рисунке 5.2 приведена принципиальная схема простейшего трехкаскадного ОУ (интегральная микросхема К140УД1). Входной дифференциальный каскад выполнен на транзисторах VT1 и VT2. Второй каскад на транзисторах VT4 и VT6 представляет собой дифференциальный усилитель с симметричным входом и несимметричным выходом. Выходным каскадом служит эмиттерный повторитель на транзисторах VT7 и VT9. На схеме показано прохождение усиливаемого положительного сигнала, поданного на неинвертирующий вход 10.  Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) характеристики Uвых(Uвх) (рисунок 5.3). На линейных (наклонных) участках кривых коэффициент усиления KU=Uвых/Uвх остается неизменным. В нелинейном режиме уровни входного сигнала ОУ превышают значения Uвх для линейного участка (UвхUвх.л или Uвх–Uвх.л). При этом режиме Uвых принимает одно из двух значений: Uвых max или –Uвых max. Нелинейный режим работы ОУ используют при создании импульсных устройств на базе ОУ: мультивибраторов, компараторов и др. Рассмотрим некоторые примеры построения аналоговых схем на ОУ, работающих на линейных участках амплитудных характеристик. Инвертирующий усилитель (рисунок 5.4) изменяет знак выходного сигнала относительно входного. На инвертирующий вход через резистор R1 подается Uвх и вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с помощью резистора Rос. Принимаем Iоу=0, тогда для узла 1 справедливо равенство Iвх = Iос или  Так как собственный коэффициент усиления ОУ КUОУ, то напряжение на входе ОУ U0=Uвых/КUОУ0, тогда Uвх/R1= = Uвых/Rос.Коэффициент усиления КUИ=  Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов делают симметричными входы, выбирая R2=R1║Rос. Неинвертирующий усилитель (рисунок 5.5) не изменяет знак выходного сигнала относительно входного. Выразим ток в резисторе R1, полагая U0=0, Iоу=0: Uвых/(R1+Rос)=Uвх/R1. Тогда  Uвых=Uвх  ; КUН= Вычитатель-усилитель (рисунок 5.6) предназначен для усиления разностных сигналов. Если R1=R2 и Rос=R, то  Uвых=(Uвх2–Uвх1)Rос/R1. Сумматоры. Для инвертирующего сумматора (рисунок 5.7,а) формула выполняемой операции Uвых= (  Uвх1+ Uвх2+ ...+  Uвх n).Для неинвертирующего сумматора (рисунок 5.7,б) Uвых=  (Uвх1+Uвх2+ ... +Uвх n), где n – число входов.  Интеграторы создают заменой резистора Rос конденсатором (рисунок 5.8). Они широко распространены в аналоговых решающих и моделирующих устройствах. Выходное напряжение интегратора пропорционально интегралу от входного сигнала. Так как iвх=iс или  , то uвых= dt+Uвых 0. Обычно при t=0 Uвых 0=0, тогда uвых= dt, где =R1С - постоянная времени.Дифференциаторы (рисунок 5.9). Входной сигнал подается на инвертирующий вход и формула выполняемой операции uвых= RосС  = – .Генератор гармонических колебаний с мостом Вина является самовозбуждающимся генератором (рисунок 5.10). Он преобразует энергию постоянного тока в переменный ток требуемой частоты. Мост Вина, состоящий из элементов R1, С1, R2, С2,образует звено частотно-зависимой положительной обратной связи (ПОС). Входной сигнал генератора - это часть его выходного напряжения, передаваемая звеном ПОС. При R1=R2=R и С1=С2=С частота генерации f0=1/(2RC). Элементы Rо, Rос предназначены для получения требуемого коэффициента усиления. Мультивибратор служит для получения прямоугольных импульсов. Мультивибратор на ОУ (рисунок 5.11) относится к самовозбуждающимся генераторам. ОУ работает в импульсном режиме (на нелинейном участке амплитудной характеристики), он сравнивает два входных сигнала: по неинвертирующему входу U1=Uвых  и по инвертирующему входу Uс – напряжение конденсатора С. В результате перезарядки конденсатора выходное напряжение скачком изменяется от Uвых max до Uвых min= Uвых max. При R1=R2 длительность и период импульса tи1,1RC; Т=2tи2,2RC. Изменяя =RC или величины R1, R2, можно регулировать длительность и частоту импульсов.Задача 5 Составить схему RS- или D- триггера на логических элементах и начертить временную диаграмму ее работы для выходов Q или  . Тип триггера и набор логических элементов, которые надо использовать, приведены в таблице 7.3.Таблица 7.3
Задача 5 Изучив работу светодиодного индикатора, дешифратора-формирователя семисегментного кода и шифратора, определите для цифры, соответствующей Вашему номеру варианта, двоичный и семисегментный коды. Результаты запишите в соответствующие графы таблицы 9.1. Таблица 9.1
Общие сведения к задаче. Любая микропроцессорная система реализует пять основных этапов преобразования информации: ввод исходной информации, обработка (выполнение логических, арифметических и других операций), управление процессом обработки, хранение и вывод результатов. В  простейшей цифровой системе, представленной на рисунке 9.1, функцию ввода информации выполняет кнопочная клавиатура, с помощью которой осуществляется ввод численной или символьной информации (цифр, букв и других символов). Для формирования двоичного кода, вводимого в однокристальную микроЭВМ (ОЭВМ) при нажатии соответствующей клавиши на клавиатуре, применяется цифровое устройство, называемое шифратором (Ш). Обработка и управление процессом обработки информации осуществляется микропроцессором (МП), входящим в состав микроЭВМ. Хранение исходных данных, промежуточных и конечных результатов, а также программ, по которым происходит обработка информации, осуществляется запоминающим устройством (ЗУ), входящим также в состав ОЭВМ. Вывод информации осуществляется на семисегментный светодиодный индикатор. Отображение соответствующего символа (цифры или буквы) на семисегментном индикаторе осуществляется при подаче на его входы семиразрядного управляющего двоичного кода, который формируется цифровым устройством, называемым дешифратором (Д). Дешифратор выполняет преобразование двоичной информации на выходе ОЭВМ в специальный двоичный код семисегментного индикатора, соответствующий отображаемому символу. Семисегментный индикатор – представляет собой светодиодную матрицу, состоящую из семи светодиодов с общим анодом или катодом в одном корпусе. На рисунке 9.2 показан внешний вид и схемы подключения светодиодного индикатора АЛС320. Различные комбинации светящихся сегментов, обеспечиваемые внешней коммутацией, позволяют воспроизвести цифры от 0 до 9 и некоторые символы. В 8-сегментных индикаторах (АЛС321) восьмой сегмент отображает десятичную точку. Шифратор (кодер) – это комбинационное логическое устройство, вырабатывающее на выходах параллельный двоичный код при подаче сигнала только на один какой-либо его вход. Такое кодирующее устройство применяется для преобразования символов определенного кода в n-разрядный двоичный код. Число информационных входов шифратора равно числу преобразуемых символов (клавиш клавиатуры) и удовлетворяет условию  , где n – число информационных выходов. Разрядность шифратора соответствует разрядности выходного двоичного кода. 4-х разрядный шифратор позволяет получить шестнадцать (24=16) вариантов выходного двоичного кода, достаточных для преобразования шестнадцатеричных цифр от 0 до F. Дешифратор (декодер) – это комбинационное логическое устройство, которое при появлении на входах параллельного двоичного кода вырабатывает выходной сигнал на одном из выходов. Как правило, номер выхода, на котором появляется выходной сигнал, соответствует определенному входному двоичному коду. Такое декодирующее устройство применяется для распознавания входных двоичных кодов и преобразования двоичного кода в другие виды кодов, например, в семисегментный код для управления семисегментными индикаторами. Число входов дешифратора равно числу разрядов входного двоичного кода, а число выходов определяется выражением  , где n – число информационных входов. Полный двоичный дешифратор имеет 2n выходов. Разрядность дешифратора определяется разрядностью входного кода. Так полный 4-разрядный дешифратор имеет четыре входа и шестнадцать выходов.В настоящей работе рассматривается схемотехника подключения семисегментных индикаторов и управление процессами ввода и отображения информации. Исследование работы конкретных схем выполняется на ПЭВМ с использованием моделирующей программы ElectronicsWorkbench (EWB). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
