Типовые задачи расчета цепей, содержащих электронные элементы

Введение

Электроника-это наука о формировании, передаче и обработке электрических сигналов.

В системах автоматического управления различными объектами важную роль играет информация, полученная от датчиков состояния объекта, ее переработка, с точки зрения формирования управляющего воздействия или выходной информации. Пример: необходимо следить за уровнем воды в баке. Следовательно, датчик уровня вырабатывает сигнал, который преобразуется в нужную форму, затем сравнивается с необходимой величиной (проходит обработку) и в зависимости от этого сравнения воздействует на клапан, предварительно пройдя превращение в мощный сигнал, способный переместить клапан.

Физическими носителями информации являются сигналы, например, акустические, механические, электрические, световые, пневматические и так далее. В современных системах используют в основном электрические сигналы, для которых характерны высокая скорость их обработки, простота формирования и передачи на длинные расстояния. В процессе формирования, передачи и обработки электрические сигналы подвергаются различным преобразованиям: усилению, фильтрации для устранения искажений и защиты от помех, формируются по форме, амплитуде и длительности. Для этого используют электронные устройства, которые состоят из электронных элементов и пассивных электрических цепей (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности).

Современная промышленность выпускает два вида электронных элементов: в виде отдельных дискретных компонентов (диодов, транзисторов и так далее) и в виде микросхем (интегральных схем), в которых в одном корпусе собрана электронная схема, представляющая собой функциональный узел для обработки информации и располагающаяся на одном кристалле полупроводнике.

Полупроводником называют вещество, у которого сопротивление много больше, чем сопротивление проводника и много меньше, чем сопротивление изолятора. Проводниками являются элементы четвертой группы таблицы Менделеева (углерод, кремний, германий), пятой (фосфор, мышьяк, сурьма), шестой (селен), а также химические соединения (арсенид галлия).

Итак: электроника - область науки, изучающая физические явления в полупроводниках и электровакуумных приборах, их характеристики, параметры, а также устройств, основанных на их применении.

В данной работе поставлена задача выполнения 6 заданий, в каждом из которых надо применить все практические знания по данному курсу. В первом задании надо рассчитать ток и напряжение на диоде, параметры цепи с диодом. Во втором нужно произвести расчет переходного процесса в цепи с нелинейным элементом и построить графики . В третьем задании требуется рассчитать нелинейную цепь с источниками питания различного типа. В четвертом задании требуется определить параметры выпрямителей. В пятом: определить положение рабочей точки и рассчитать параметры транзистора в этой точке. Шестое задание представляет собой переход от h-параметров транзистора с общим эмиттером к h-параметрам с общим коллектором.

Задача 1. Расчет электрической цепи, содержащей диод

При известных: ; ; ;J=0.05 A.

Для следующей цепи

Рис. 1. Схема исследуемой цепи.

. Определить ток короткого замыкания Iкз

2. Определить напряжение холостого хода Uxx

. Определить входное сопротивление относительно зажимов диода

. Методом опрокинутой характеристики найти ток и напряжение на диоде. 5. Определить Е при Uvd =0 и Ivd=0

Решение

Рис. 2. Схема исследуемой цепи с обозначением контурных токов.

Составим выражения по методу контурных токов (направления обхода всех контуров по часовой стрелке) :

Подставим численные значения:

I11-800 I22-200 I33=26

I11+1000 I22 =0

I11+1000 I33=-10

Значения контурных токов:11=0,075А22=0,06А33=0,005А

Значение тока короткого замыкания:кз= I22 - I33 =0,06 -0,005=0,055А

.Для нахождения напряжения Uхх размыкаем цепь на месте диода:

Рис.3 цепь для нахождения напряжения холостого хода

xx=-E1+I1xR3-I2xR4=-10+5.2-12.8=17.6 B

. Находим входное сопротивление в виде суммы значений резистивных элементов:

Выполним проверку:

Согласно методу эквивалентного генератора входное сопротивление можно найти как отношение напряжения холостого хода к току короткого замыкания:

следовательно, расчёты верны.

. Используя метод опрокинутой характеристики найдем ток и напряжение на диоде.

Получаем что Ivd=0.028 A , Uvd=8 B.

.Чтобы найти ЭДС источника при отсутствии диода используем раннее полученную формулу для нахождения напряжения холостого хода:

xx=-E1+I1xR3-I2xR4

Тогда при Uxx=0 находим что E=-13.3

Ответы:,Iкз=0,055 A;хх=17,6 Ввх=320 Ом;vd=8 В,Ivd=0,028 А;Е=-13.3 В при Ivd =0, Uvd=0.

Задача 2. Расчет переходного процесса в нелинейных цепях

Решение.

.Составим дифференциальные уравнения цепи для конечного положения ключа на основе законов Кирхгофа:

2.Составим характеристическое уравнение для конечного положения ключа, исключая источник ЭДС.

Преобразуем схему, описанную выше, для нахождения характеристического уравнения.

Тогда получим следующее:

искомое характеристическое уравнение.

.Определим корни характеристического уравнения, полученного выше:

.Определим принужденную составляющую переходной величины.

Для этого рассмотрим цепь в установившемся режиме. Т.к. цепь питается от постоянного напряжения, то принужденные величины - это постоянные токи и напряжения.

, т.к. сопротивление на индуктивности при постоянном токе равно нулю.

Сопротивления и параллельны.

Тогда:

Тогда

.Запишем решение в общем виде:

,

где

.

.Определим независимые начальные условия:

Найдем

Запишем второй закон Кирхгофа для контура А:

Тогда

Определим постоянные интегрирования и запишем окончательное выражение искомой величины.

Запишем общее решение при :

,

Тогда

Ответ:

График тока на индуктивности:

Графики тока и напряжения на диоде включенном в прямом направлении:

Графики диода включенного обратно:

Задача 3. Расчет электрической цепи, содержащей стабилитрон

График ВАХ стабилитрона и схема стабилизатора:

1.Построить график напряжения на стабилитроне;

.Построить график тока на стабилитроне;

.Построить графики тока и напряжения на стабилитроне

Решение:

Преобразуем данную схему:

Найдем значение . Для этого упростим исходную схему, используя данные преобразования:

Первый этап перестроения:

Второй этап:

Третий этап:

Данную схему преобразуем к окончательному виду схемы:

Т.к. стабилитрон включен в обратном направлении и , то график напряжения на стабилитроне будет выглядеть так:

Построим график :

Подставляя значения из графика в суммарную вольтамперную характеристику, получим ток при данной . Т.к. все элементы цепи соединены последовательно, то ток стабилитрона равен току цепи.

График тока на стабилитроне.

Задача №4. Расчет выпрямителей

Рассчитать однофазный однополупериодный выпрямитель с фильтром.

Рассчитать однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом с фильтром.

Рассчитать однофазный мостовой выпрямитель с фильтром.

Определить параметры трансформатора и диода, при условии, чтобы амплитуда отрицательной полуволны напряжения на нагрузке равнялась бы 0,2 амплитуды отрицательной полуволны.

Решение:

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

.

Следовательно, действующее значение напряжения на нагрузке равно:

В.

Действующее значение тока нагрузки равно:

.

Среднее значение тока нагрузки равно:

.

Тогда действующее значение тока нагрузки равно:

.

Коэффициент трансформации равен:

В, мА.

Промежуточный ток через диод равен мA.

Обратное напряжение на диоде:

В.

Фильтр представляет собой конденсатор, присоединённый параллельно нагрузке.

Фильтр

Ф.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

.

Следовательно, действующее значение напряжения на нагрузке равно:

В.

Действующее значение тока нагрузки равно:

.

Среднее значение тока нагрузки равно:

.

Тогда действующее значение тока нагрузки равно:

мA.

Коэффициент трансформации равен:

, А.

Промежуточный ток через диод равен:

А.

Обратное напряжение на диоде:

В.

Фильтр

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

.

Следовательно, действующее значение напряжения на нагрузке равно:

В.

Действующее значение тока нагрузки равно:

.

Среднее значение тока нагрузки равно:

.

Тогда действующее значение тока нагрузки равно:

мA.

Коэффициент трансформации равен:

, мА.

Промежуточный ток через диод равен: А.

Обратное напряжение на диоде:

В.

Ф.

Среднее значения напряжения на нагрузке равно:

Из полученного выражения следует, что

В.

Аналогично для тока

А.

Определим :

Ом;

;

Ом.

Определяем действующее значение переменного тока :

;

А.

Определяем :

и получаем В.

Определим параметры трансформатора:

Коэффициент трансформации:

, А..

Мощность трансформатора: Вт

Задача 5. Определение h-параметров транзистора типа ГТ322

Любой транзистор можно представить как активный четырехполюсник. Для описания четырехполюсника при малых амплитудах сигнала и при расчете и анализе соответстующих устройств используется так называемые малосигнальные параметры. Малосигнальные параметры являются дифференциальными параметрами. Наиболее употребительна система h-параметров.

Обычно в качестве независимых переменных принимают приращение входного тока и выходного напряжения , тогда зависимые переменные и можно найти как

Эти уравнения соответствуют схеме замещения транзистора:

- параметры транзистора легко могут быть определены опытным путем из опытов холостого хода и короткого замыкания.

- коэффициент передачи тока при ;

выходная проводимость при .

Конкретные значения h зависят от схемы включения транзистора и режима работы. Они могут быть определены по статическим характеристикам или схемам замещения.

Найдем параметры транзистора марки ГТ322 включенном по схеме ОБ.

Дано: входные и выходные характеристики ОБ.

Система уравнений h-параметров с общим эмиттером:

Решение:

1.Определяем рабочую точку А:

,

.На входной характеристике указана точка А для того же режима, что и на выходных характеристиках. Проводим к точке А касательную и по приращениям между и при постоянном напряжении , находим

.Если рассматривать как , как , а как , то есть коэффициент обратной связи по напряжению, обусловленной эффектом модуляции толщины базы:

Задав , определим значения для входных характеристик, построенных при (в точке D) и при (в точке А). Получаем

.На выходной характеристике указана точка рабочая точка А, проводим к ней касательную и по приращениям между и точками E и F при постоянном токе , находим

5.Из выходных характеристик по заданным приращениям и между точками G и H при постоянном напряжении находим

Ответ:,,,

Задача 6. Определение h-параметров по физическим параметрам

Рисунок. Схема замещения транзистора в физических параметрах.

Рисунок. Схема замещения транзистора в h - параметрах.

короткое замыкание коллектор-эмиттер.

Схема в физических параметрах примет следующий вид:

Рисунок. Короткое замыкание коллектор-эмиттер на схеме в физических параметрах.

Учтя, преобразования имеем:

;

;

;

;

.

;

;

;

.

;

;

;

;

.

;

;

;

.

транзистор диод стабилитрон напряжение

Ответ: ; ;

;.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены типовые задачи расчета цепей содержащих электронные элементы, изученных в курсе «Физические основы электроники»: были рассчитаны базовые схемы и параметры транзистора, выявлены особенности работы диода и стабилитрона.

Сопоставляя результаты, полученные в данной курсовой работе с введением, представленным выше, можно прийти к выводу, что все задания выполнены: в первом задании рассчитан диод, параметры цепи с диодом. Во втором - произведен расчет стабилитрона и построены графики его характеристик. В третьем задании определены параметры выпрямителей. В четвертом: найдено положение рабочей точки и рассчитаны параметры транзистора в этой точке. В пятом задании выведены h-параметры транзистора. В шестом был произведен переход от заданных параметров к необходимым.

Список использованной литературы

1. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. - М.: Высшая школа, 1991 г. - 622 с.

. Основы промышленной электроники. Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1986 г. - 336 с.

. Бочаров Л.Н., Жеребятников С.К., Колесников И.Ф. Расчет электронных устройств на транзисторах. - М.: Энергия, 1978 г. - 208 с.

. Изъюрова Г.И. и др. Расчет электронных схем: примеры и задачи. - М.: В.шк.,1987 г. - 395 с.

. Полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоиздат, 1982 г. - 744 с.