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.


Теги: Типовые задачи расчета цепей, содержащих электронные элементы  Курсовая работа (теория)  Информатика, ВТ, телекоммуникации
Просмотров: 49379
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Типовые задачи расчета цепей, содержащих электронные элементы
Назад