m0991
.pdf621.3 Л506
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Е.В. ЛЕСНЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания к выполнению расчетно-графической работы
Новосибирск
2015
УДК 621.3 Л506
Л е с н ы х Е.В. Электротехника и электроника: Метод. указ. к
выполнению расчетно-графической работы. – Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2015. – 22 с.
Методические указания содержат исходные данные для выполнения рас- четно-графической работы, основные теоретические пояснения, примеры решения задач и требования к их оформлению.
Предназначены для студентов II курса очной формы обучения направления «Стандартизация и метрология» профиля «Стандартизация и сертификация».
Рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры «Электротехника, диагностика и сертификация».
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р канд. техн. наук, доц. К.В. Власов
Р е ц е н з е н т декан электромеханического факультета НГАВТ
канд. техн. наук, доц. А.В. Жаров
© Сибирский государственный университет путей сообщения, 2015
© Лесных Е.В., 2015
2
Введение
Расчетно-графическая работа выполняется в рамках самостоятельной работы с целью проверки и оценки полученных студентами теоретических знаний и практических навыков в области электроники. Выполнение работы способствует повышению эффективности освоения практических методов расчета электронных устройств, формированию понимания физических явлений, эффективному применению прикладных программ, развитию творческого подхода к изучению дисциплины «Электротехника и электроника».
В ходе выполнения работы необходимо решить следующие задачи:
1.Расчет параметров диода по его вольт-амперной характери-
стике.
2.Расчет рабочего режима однофазной однополупериодной схемы выпрямления.
3.Расчет ограничительного резистора параметрического стабилизатора.
4.Определение положения рабочей точки широкополосного усилителя.
5.Построение схемы, выполняющей логическую функцию, заданную уравнением.
6.Определение уравнения в дизъюнктивной и конъюнктивной формах для функции, заданной табличным способом.
7.Построение схем в базисах И–ИЛИ–НЕ, И–НЕ, ИЛИ–НЕ.
3
Задача 1
|
1. По вольт-амперной |
|
|
|
|
I |
|
, мA |
|
|
|
|
|
||||
характеристике |
(ВАХ) |
|
|
|
|
пр |
+120 С |
+20 С |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
100 |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
кремниевого |
|
выпрями- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–60 С |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
тельного диода |
КД103А |
|
|
|
|
|
|
75 |
|
|
|
|
|
||||
(рис. 1) при заданном зна- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
чении t, °С, определить: |
|
|
|
|
|
|
50 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
а) сопротивление |
дио- |
|
|
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
|
|||
да |
постоянному |
току R0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
при |
прямом |
включении |
U |
|
, В |
–300 |
–200 |
–100 |
|
|
U |
|
, В |
||||
обр |
|
|
|
|
|
|
|
пр |
|||||||||
для напряжений Uпр1, |
Uпр2, |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|||||||
–60 С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Uпр3; построить график за- |
+20 С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
висимости R0 = f (Uпр); |
|
+120 С |
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
||||||
|
б) сопротивление |
по- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
, мкA |
|
|
|
|
||||
стоянному току при обрат- |
|
|
|
|
|
|
обр |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ном |
включении |
для |
|
|
|
Рис. 1. ВАХ диода КД103А |
|
|
|||||||||
напряжений |
Uобр1, Uобр2, |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uобр3; построить график зависимости R0 = f (Uобр);
в) дифференциальное сопротивление и крутизну прямой ветви ВАХ для напряжения Uпр3;
г) дифференциальное сопротивление и крутизну обратной ветви ВАХ для напряжения Uобр1.
Исходные данные по вариантам приведены в табл. 1.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
Индивидуальные данные по вариантам |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
t, °С |
|
Uпр1, В |
Uпр2, В |
Uпр3, В |
Uобр1, В |
|
Uобр2, В |
|
Uобр3, В |
1 |
+20 |
|
0,4 |
0,6 |
0,8 |
–50 |
|
–100 |
|
–200 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
–40 |
|
0,6 |
1 |
1,2 |
–100 |
|
–150 |
|
–250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
+70 |
|
0,8 |
1 |
1,2 |
–100 |
|
–200 |
|
–300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
+120 |
|
0,2 |
0,8 |
1 |
–25 |
|
–125 |
|
–225 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
–60 |
|
0,4 |
0,6 |
1 |
–100 |
|
–200 |
|
–250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
+20 |
|
0,6 |
1 |
1,2 |
–75 |
|
–250 |
|
–275 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
–40 |
|
0,4 |
0,8 |
1 |
–75 |
|
–125 |
|
–275 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4
Окончание табл. 1
Вариант |
t, °С |
Uпр1, В |
Uпр2, В |
Uпр3, В |
Uобр1, В |
Uобр2, В |
Uобр3, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
+70 |
0,6 |
0,8 |
1 |
–50 |
–125 |
–250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
+120 |
0,4 |
1 |
1,2 |
–75 |
–175 |
–300 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
–60 |
0,2 |
0,8 |
1 |
–125 |
–200 |
–250 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант определяется по двум последним цифрам шифра студента: по предпоследней цифре выбирается значение t, °С, по последней – величины Uпр1, Uпр2, Uпр3, Uобр1, Uобр2, Uобр3. Например, для варианта 13-БМСС-37 t = +70 °С,
Uпр1 = 0,4 В, Uпр2 = 0,8 В, Uпр3 = 1 В, Uобр1 = –75В, Uобр2 = –125 В, Uобр3 = –275 В.
Методические указания по решению задачи 1
При решении задачи необходимо воспользоваться следующими основными соотношениями:
– сопротивление диода постоянному току R0, Ом,
R0 = Uпр/ Iпр,
где Uпр – напряжение на диоде в прямом направлении, В; Iпр – ток через диод в прямом направлении, А (определяется по ВАХ диода при соответствующем прямом напряжении);
– сопротивление диода переменному току (дифференциальное) Ri, Ом,
Ri = Uпр / Iпр,
где Uпр – изменение прямого напряжения, В; Iпр – изменение прямого тока под действием изменения прямого напряжения, А (при решении задачи необходимо задаться приращением напряжения от заданного значения);
– крутизна ВАХ диода S, А/В,
S = Iпр / Uпр.
Задача 2
В рабочем режиме на вход цепи подано напряжение источника Е, как показано на рис. 2.1. Рассчитайте ток, протекающий через нагрузку, и напряжение на диоде, ВАХ которого приведена на рис. 2.2, для двух значений сопротивления нагрузки.
5
|
VD |
+ |
|
E |
R |
|
|
|
н |
– |
|
Рис. 2.1. Схема включения диода с нагрузкой
I |
пр |
, мА |
|
|
25 20 15 10 5
0 |
0,5 |
1 |
1,5 |
U |
пр |
, В |
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.2. ВАХ диода
Исходные данные по вариантам приведены в табл. 2.
Таблица 2
Индивидуальные данные по вариантам
Показатель |
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
||
|
|||||||||||
Е, В |
2 |
1,9 |
1,8 |
1,75 |
1,7 |
1,6 |
1,5 |
1,4 |
1,3 |
1,25 |
|
Rн1, Ом |
80 |
85 |
150 |
120 |
110 |
125 |
90 |
130 |
65 |
60 |
|
Rн2, Ом |
40 |
25 |
25 |
50 |
38 |
40 |
35 |
25 |
26 |
25 |
По предпоследней цифре выбирается значение Е, по последней – остальные величины.
Методические указания по решению задачи 2
Необходимо произвести расчет тока через нагрузку и напряжение на диоде графическим методом, используя следующую методику.
Режим работы диода с нагрузкой называется рабочим. Характеристику диода следует рассматривать как график некоторого нелинейного уравнения, связывающего величины I и UD. А для сопротивления нагрузки Rн подобным уравнением является закон Ома:
I = UR / Rн = (E – UD) / Rн,
где UR – напряжение на сопротивлении нагрузки, В; UD – напряжение на сопротивлении прямосмещенного p–n перехода диода, В.
6
Итак, имеются два уравнения с двумя неизвестными, причем одно из них задано графически. Для решения этой системы уравнений необходимо построить линию нагрузки (график второго уравне-
ния) и |
найти |
координаты |
I |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
точки их пересечения. Линия |
пр |
В |
|
|
||||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|||||
нагрузки |
строится по двум |
|
|
|
|
|||
точкам |
на осях координат. |
н |
|
С |
|
|||
При I = 0 из второго уравне- |
E/R |
|
|
|||||
|
|
|
||||||
ния получаем: Е – UD = 0 или |
I |
|
|
|
||||
Е = UD, |
|
что |
соответствует |
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
точке |
А |
на рис. 2.3. Если |
|
UD |
|
|
||
UD = 0, |
то I = E/Rн. Отклады- |
|
UR |
Uпр |
||||
|
|
|
|
|||||
ваем этот ток на оси ординат |
|
|
E |
|
||||
|
|
|
|
|||||
(точка В). Через точки А и В |
Рис. 2.3. Построение линии нагрузки |
|||||||
проводим прямую, которая и |
||||||||
|
|
|
|
является линией нагрузки. Координаты точки пересечения С дают
решение поставленной за- |
I |
|
|
||
|
|
|
|
||
дачи. |
|
пр |
|
|
|
|
|
|
|
||
При построении линии |
|
С |
|
||
нагрузки для сравнительно |
|
|
|
||
малых |
значений сопротив- |
|
В |
|
|
лений нагрузки, точка В |
I |
|
|
||
U/R |
|
|
|||
может |
оказаться далеко |
|
А |
||
вверху по оси тока, что не- |
UD |
U |
Uпр |
||
удобно для построения. |
|||||
|
|
|
|||
B этом случае следует |
|
U |
|
||
|
R |
|
|||
|
|
|
|||
отложить от точки А влево |
|
E |
|
||
произвольное напряжение |
|
|
|
||
U (рис. 2.4) и от получен- |
Рис. 2.4. Построение линии нагрузки |
||||
|
|
||||
ной точки отложить вверх |
для малых значений Rн |
|
ток, равный U/Rн, в резуль-
тате чего получим точку В. Прямая, проведенная через точки А и В, является линией нагрузки.
7
Задача 3
|
R |
|
|
Используя |
исходные |
|
|
огр |
|
|
|||
|
|
|
|
данные, приведенные в табл. |
||
|
|
|
|
3, определить значение со- |
||
U |
VD |
Rн |
Uст |
противления ограничительно- |
||
го резистора Rогр стабилиза- |
||||||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
тора напряжения на кремние- |
||
|
|
|
|
вом стабилитроне Д813 (рис. |
||
Рис. 3.1. Схема стабилизатора напряжения |
3.1), если известно сопротив- |
|||||
|
|
|
|
ление нагрузки Rн; параметры |
стабилитрона: Uст = 13 В; Iст min = 1 мА; Iст max = 20 мА; напряжение источника изменяется от Umin до Umax.
Таблица 3
Индивидуальные данные по вариантам
Показатель |
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
0 |
||
|
|||||||||||
Rн, кОм |
3,7 |
1,0 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,5 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
2,2 |
|
Umin, В |
17 |
17,5 |
18 |
16 |
16,5 |
15 |
15,5 |
18,5 |
16 |
16,5 |
|
Umax, В |
23 |
23,5 |
24 |
17 |
17,5 |
18,5 |
17 |
19 |
20 |
21 |
По предпоследней цифре выбирается значение Rн, по последней – остальные величины.
Методические указания по решению задачи 3
В задаче рассматривается схема простейшего параметрическо-
го стабилизатора напряжения, с помощью которого можно полу-
чать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен киловольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер.
Стабилитрон включают параллельно нагрузочному сопротивлению, а для создания требуемого режима работы последовательно со стабилитроном подключают ограничительный резистор. Принцип действия удобно пояснить с помощью ВАХ полупроводникового стабилитрона (рис. 3.2) и «опрокинутой» ВАХ резистора Rогр. Та-
8
кое построение позволяет графически решить уравнение электрического состояния стабилизатора напряжения: Uвх1 = Uст1 + RогрIст2.
При |
увеличении |
|
RогрIст1 |
Uст1 |
|||
напряжения Uвх1 (по- |
|
||||||
|
|
|
|||||
ложение 1) на |
Uвх, |
|
RогрIст2 |
Uст2 |
|||
например, |
из-за |
по- |
|
U |
Uн |
||
вышения |
напряжения |
Uст |
|||||
Uн2 |
Uн1 |
||||||
сети, |
ВАХ резистора |
|
|||||
|
|
|
|||||
Rогр переместится па- |
Uвх2 |
Uвх1 |
Iст min |
||||
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||
раллельно |
самой |
себе |
|
|
|
||
и займет положение 2. |
1 |
|
A |
||||
Из графика видно, что |
|
|
Iст1 |
||||
|
|
|
|||||
напряжение Uст2 |
мало |
2 |
A |
Iст2 |
|||
|
|||||||
отличается от Uст1, т.е. |
|
||||||
|
|
Iст max |
|||||
практически напряже- |
|
|
|||||
|
|
|
|||||
ние на стабилитроне и |
|
|
Iст |
||||
|
|
|
|
|
|
||
на нагрузочном |
рези- |
|
|
|
|||
сторе |
Rн |
останется |
Рис. 3.2. ВАХ полупроводникового стабилитрона |
||||
неизменным. |
Оно |
||||||
|
|
|
останется неизменным также при снижении входного напряжения и изменениях нагрузочного тока Iн.
Для нормальной работы стабилизатора Rогр должно быть таким, чтобы его ВАХ пересекала ВАХ стабилитрона в точке А, соответствующей номинальному току стабилитрона Iст.ном, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона.
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора может достигать 30–50.
Построение и расчет схемы сводится к выбору полупроводникового стабилизатора по напряжению стабилизации и расчету Rогр, для чего определяют среднее значение напряжение на входе схемы Uср = 0,5(Umin +Umax) и тока стабилитрона Iср.ст = 0,5(Iст min + Iст max).
9
Далее рассчитывают ток, протекающий через нагрузку Iн = Uст / Rн, и величину ограничивающего сопротивления, позволяющего получить такой ток:
Rогр = (Uср–Uст) / (Iср.ст + Iн).
Задача 4
Усилитель на транзисторе ГТ308А собран по схеме с общим эмиттером
(рис. 4.1).
Пользуясь входными (рис. 4.2) и выходными характеристиками транзистора (рис. 4.3), определить положение рабочей точки А, если известны Rк, Rб1,
Rб2, Ек (табл. 4).
Решите задачу, используя данные из табл. 4.
–Eк
R |
R |
б1 |
к |
С |
|
1 |
|
|
VT |
|
C |
R |
2 |
|
|
б2 |
R |
|
|
|
э |
Рис. 4.1. Электрическая схема усилителя
Таблица 4
Индивидуальные данные по вариантам
Показатель |
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
||
|
|||||||||||
Rк,Ом |
240 |
220 |
200 |
270 |
300 |
80 |
125 |
120 |
110 |
240 |
|
Rб1, кОм |
3 |
4,5 |
4,1 |
6,8 |
5,1 |
1,9 |
3,1 |
4,1 |
4,2 |
3 |
|
Rб2, Ом |
100 |
135 |
130 |
210 |
175 |
125 |
200 |
250 |
270 |
100 |
|
Ек, В |
10 |
12 |
11 |
8 |
9 |
4 |
5 |
6 |
7 |
10 |
По предпоследней цифре выбирается значение ЕК, по последней – остальные величины.
10