ЭЛЕКТРОнные устройства АВТОМАТИки
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К расчетно-графическим работам для студентов
Специальности 1-53 01 01-05 «Автоматизация технологических процессов и производств»
ВИТЕБСК
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«Витебский государственный технологический университет»
| УТВЕРЖДАЮ |
| Первый проректор УО «ВГТУ» |
| __________ С.И. Малашенков |
| «____»______________2013 г. |
ЭЛЕКТРОнные устройства АВТОМАТИки
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К расчетно-графическим работам для студентов
Специальности 1-53 01 01-05 «Автоматизация технологических процессов и производств»
| РЕКОМЕНДОВАНО |
| Редакционно-издательским советом УО «ВГТУ» |
| «____»______________2013 г. |
| протокол №______ |
ВИТЕБСК
УДК 621.3(07)
Электронные устройства автоматики: методические указания к расчетно-графическим работам для студентов специальности 1-53 01 01-05 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Витебск: Министерство образования Республики Беларусь, УО "ВГТУ", 2013.
Составители: доц. Ильющенко А.В.,
ст. преп. Куксевич В.Ф.
Методические указания составлены в соответствии с учебной программой курса «Электронные устройства автоматики», изучаемого студентами специальности 1-53 01 01-05 «Автоматизация технологических процессов и производств».
Приведены требования к выполнению и оформлению расчетно-графических работ, варианты заданий, методические указания к выполнению работ и примеры расчетов.
Одобрено кафедрой «Автоматизация технологических процессов и производств» УО "ВГТУ" 30.09.2013 г., протокол № 2.
Рецензент: ст. преп. Ринейский К.Н.
Редактор: доц. Попов Ю.В.
Рекомендовано к опубликованию редакционно-издательским советом УО "ВГТУ" _________________г., протокол № ___.
Ответственный за выпуск: Букин Ю.А.
Учреждение образования "Витебский государственный технологический университет"
____________________________________________________________________
Подписано к печати___________. Формат_________. Уч.-изд. лист._____. Печать ризографическая. Тираж_____экз. Заказ №_____. Цена_______руб.
Отпечатано на ризографе учреждения образования «Витебский государственный технологический университет».
Лицензия № 02330/0494384 от 16 марта 2009 г.
210035, г. Витебск, Московский пр-т, 72.
Содержание
Общие требования к выполнению и оформлению
расчетно-графических работ 4
Расчетно-графическая работа № 1
Расчет и применение усилительных устройств 4
Расчетно-графическая работа № 2
Расчет параметров вторичных источников электропитания 21
Литература 28
Общие требования к выполнению и оформлению расчетно-графических работ
Количество расчетно-графических работ определяется учебной программой курса.
При выполнении и оформлении расчетно-графических работ следует:
- на титульном листе указать название университета, кафедры, номер учебной группы, фамилию, имя и отчество студента, название и номер работы;
- использовать стандартные листы бумаги формата А4;
- при расчетах пользоваться международной системой единиц СИ;
- схемы и графики выполнять, используя стандартные графические обозначения элементов схем и стандартные буквенные обозначения величин;
- характеристики полупроводниковых приборов и все необходимые графические построения должны быть выполнены в прямоугольной системе координат с указанием масштабов по осям координат;
- перечень литературы должен быть оформлен в полном соответствии с требованиями библиографического описания документов.
Расчетно-графическая работа № 1
Расчет и применение усилительных устройств
В рекомендованной литературе представлены наиболее распространенные методы расчета транзисторных усилительных каскадов. Прежде, чем начать расчет, следует разобраться с принципом действия схемы, уяснить назначение ее элементов и требования, предъявляемые к ним. В работе должны быть приведены характеристики транзистора, используемые при расчете.
Номер варианта задания соответствует порядковому номеру фамилии студента в списке группы.
Задание № 1
Рассчитать усилительный каскад на биполярном транзисторе, выполненный по схеме с общим эмиттером (рис. 1). Данные для расчета: амплитуда напряжения на выходе каскада 
, сопротивление нагрузки 
, нижняя граничная частота 
, допустимое значение коэффициента частотных искажений каскада в области нижних частот 
приведены в табл. 1. Считать, что каскад работает в стационарных условиях (
; 
), влиянием температуры на режим работы транзистора пренебречь.
Рисунок 1 – Усилительный каскад на биполярном транзисторе с общим эмиттером
Таблица 1 – Данные для выполнения задания № 1
| Номер варианта | 
| 
| 
| 
|
| 3,0 | 1,2 | |||
| 2,0 | 1,2 | |||
| 1,0 | 1,25 | |||
| 5,0 | 1,3 | |||
| 8,0 | 1,3 | |||
| 2,4 | 1,25 | |||
| 3,4 | 1,25 | |||
| 1,6 | 1,3 | |||
| 4,0 | 1,3 | |||
| 2,2 | 1,4 | |||
| 3,4 | 1,25 | |||
| 1,5 | 1,25 | |||
| 1,7 | 1,5 | |||
| 1,8 | 1,5 | |||
| 2,0 | 1,4 | |||
| 2,1 | 1,3 | |||
| 2,3 | 1,25 | |||
| 2,5 | 1,25 | |||
| 2,7 | 1,3 | |||
| 2,8 | 1,5 | |||
| 3,0 | 1,3 |
Окончание таблицы 1
| 3,1 | 1,4 | |||
| 3,2 | 1,5 | |||
| 3,5 | 1,25 | |||
| 3,6 | 1,3 | |||
| 1,6 | 1,3 | |||
| 4,0 | 1,4 | |||
| 2,2 | 1,25 | |||
| 3,4 | 1,25 | |||
| 1,5 | 1,5 |
Методика расчета
Выбирают значение ЭДС источника питания исходя из условия
.
Из стандартного ряда значений выбирают ближайшее большее номинальное значение 
.
Выбирают тип транзистора, руководствуясь следующими условиями:
,
где 
– наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером, приводится в справочниках;
,
где 
– наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки.
Указывают основные электрические параметры выбранного типа транзистора.
Режим работы транзистора определяют по нагрузочной прямой, построенной на семействе выходных статических (коллекторных) характеристик транзистора (рис. 2). Нагрузочная прямая строится по двум точкам. Первая точка – точка 0 –точка покоя (рабочая). Координатами точки покоя являются: значение тока покоя
,
и значение напряжения покоя
,
где 
– напряжение на коллекторе, соответствующее области нелинейных начальных участков выходных характеристик транзистора. Для маломощных транзисторов можно принять 
.
Вторая точка нагрузочной прямой – точка 1 – имеет координаты: 
, 
.
Рисунок 2 – Выходные характеристики транзистора
Находят максимальное значение тока насыщения транзистора 
, определяемое точкой пересечения нагрузочной прямой с осью токов коллектора.
Зная ток насыщения транзистора, можно найти общее сопротивление в цепи коллектор – эмиттер.
.
Принимая 
, определяют сопротивление в цепи коллектора
.
Из стандартного ряда сопротивлений выбирают ближайшее номинальное значение 
.
Тогда сопротивление в цепи эмиттера
.
Из стандартного ряда сопротивлений выбирают ближайшее номинальное значение 
.
Используя нагрузочную характеристику (рис. 2), определяют значения тока базы 
и 
, соответствующие значениям тока коллектора 
и 
.
По входной статической характеристике (рис. 3) и найденным значениям и находят значения напряжений 
и 
.
Рисунок 3 – Входные характеристики транзистора
Определяют входное сопротивление транзистора переменному току (без учета делителя напряжения 
и 
).
.
Рассчитывают сопротивления делителя и . Для уменьшения шунтирующего действия делителя на входную цепь каскада по переменному току принимают
.
Отсюда, с учетом того, что 
, получают:
,
.
Из стандартного ряда сопротивлений выбирают ближайшие номинальные значения 
и 
.
Определяют емкость разделительных конденсаторов 
и 
.
Емкость рассчитывается по формуле
,
где
.
Из стандартного ряда емкостей выбирают ближайшее номинальное значение .
Емкость 
рассчитывается по формуле
,
,
где 
– выходное сопротивление транзистора, определяемое по выходным статическим характеристикам для схемы с ОЭ. В большинстве случаев во много раз больше 
, поэтому принимают 
.
Из стандартного ряда емкостей выбирают ближайшее номинальное значение 
.
Определяют емкость конденсатора . Для того, чтобы шунтировать резистор 
и исключить ООС по переменному току, величину емкости конденсатора выбирают такой, чтобы его сопротивление на нижней граничной частоте пропускания усилителя 
было в 10 раз меньше, чем сопротивление резистора . Тогда
Обычно используют 
.
Рассчитывают коэффициент усиления каскада по напряжению
,
где 
.
Задание № 2
Рассчитать бестрансформаторный усилитель мощности (рис. 4), работающий в режиме АВ. Данные для расчета: мощность в нагрузке 
, сопротивление нагрузки , нижняя граничная частота , верхняя граничная частота 
, допустимое значение коэффициента нелинейных искажений 
приведены в табл. 2.
Рисунок 4 – Бестрансформаторный усилитель мощности
Таблица 2 – Данные для выполнения задания № 2
| Номер варианта | 
|
| 
| 
| 
|
| 3,0 | |||||
| 10,0 | |||||
| 6,0 | |||||
| 5,0 | |||||
| 8,0 | |||||
| 2,5 | |||||
| 3,5 | |||||
| 1,5 | |||||
| 4,0 | |||||
| 2,5 | |||||
| 3,5 | |||||
| 7,5 | |||||
| 3,0 |
Окончание таблицы 2
| 2,0 | |||||
| 7,0 | |||||
| 2,5 | |||||
| 3,0 | |||||
| 2,5 | |||||
| 5,0 | |||||
| 6,0 | |||||
| 3,0 | |||||
| 3,5 | |||||
| 7,5 | |||||
| 4,5 | |||||
| 8,0 | |||||
| 5,5 | |||||
| 4,0 | |||||
| 8,5 | |||||
| 5,5 | |||||
| 6,5 |
Методика расчета
Определяют максимальную мощность рассеяния на коллекторе транзистора одного плеча усилителя
.
Находят максимальный коллекторный ток транзистора одного плеча усилителя
.
Определяют напряжение источника питания из выражения 
:
Из стандартного ряда значений напряжений выбирают ближайшее номинальное значение 
.
Находят граничную частоту усиления предполагаемого типа транзистора из условия 
принимая 
Учитывая полученные значения 
, 
, а также условие
,
по справочнику выбирают транзисторы, составляющие p-n-p и n-p-n пару и обеспечивающие симметрию плеч каскада, и указывают их основные электрические параметры.
Построив на графике семейства выходных характеристик одного из транзисторов (рис. 5) динамическую нагрузочную прямую, отсекающую на оси абсцисс значение 
а на оси ординат – значение , определяют значения 
и 
, соответствующие границам линейной и нелинейной частей выходных характеристик.
Рисунок 5 – Выходные характеристики транзистора
Находят реальную мощность в нагрузке, соответствующую площади треугольника ABC (рис. 5)
.
Определяют мощность, отбираемую каскадом от источника питания
.
Находят КПД каскада
.
Используя входную характеристику одного из выбранных транзисторов (рис. 6), определяют по значению тока 
значение напряжения 
, соответствующее амплитуде тока 
.
Определяют усредненное входное сопротивление 
транзистора:
.
Рисунок 6 – Входные характеристики транзистора
Находят глубину обратной связи при максимальной амплитуде входного сигнала
.
Определяют входное сопротивление плеча каскада
.
Смещение на базе каждого транзистора, обеспечивающее работу каскада в режиме класса АВ создается за счет падения напряжения на диодах в прямом направлении. По входной характеристике определяют соответствующее минимальному (для треугольника АВС на рис. 6) току базы 
значение напряжения смещения 
. Выбирают по справочным данным тип диода, соответствующий заданному напряжению смещения, указав его параметры 
и 
.
Определяют сопротивление резисторов 
. Оно должно обеспечивать такую величину тока, протекающего через диоды, чтобы падение напряжения на них в прямом направлении составляло . Тогда падение напряжения на одном резисторе:
,
а сопротивление каждого резистора
.
Из стандартного ряда сопротивлений выбирают ближайшее номинальное значение .
Находят входную мощность каскада, предварительно рассчитав амплитуду напряжения базы транзистора:
.
Тогда
.
Рассчитывают коэффициент усиления по мощности
.
Определяют коэффициент нелинейных искажений сигнала по третьей гармонике с помощью сквозной динамической характеристики одного плеча усилителя 
. Сквозную динамическую характеристику строят, используя входные и выходные характеристики транзистора и зная положение нагрузочной прямой (рис. 7).
Рисунок 7 – Определение данных для сквозной динамической характеристики
На выходных характеристиках по заданным в точках пересечения значениям коллекторного тока определяют соответствующие им значения базового тока. По входным характеристикам для данных базовых токов находят значения напряжений «база-эмиттер». Затем, используя формулу 
, находят ряд значений 
и строят сквозную динамическую характеристику (рис. 8).
Рисунок 8 – Сквозная динамическая характеристика
Используя построенную сквозную динамическую характеристику, определяют значение тока 
, соответствующее значению 
и рассчитывают коэффициент нелинейных искажений сигнала по третьей гармонике
.
Учитывая нелинейные искажения по второй гармонике за счет асимметрии схемы, находят коэффициент нелинейных искажений.
.
Сравнив полученное значение 
с заданным 
, убеждаются, что полученное значение меньше заданного.
Определяют емкость разделительного конденсатора из формулы
,
Из стандартного ряда емкостей выбирают ближайшее большее номинальное значение 
.
Задание № 3
Провести расчет основных параметров инвертирующего (рис. 9) и неинвертирующего (рис. 10) усилителей на операционном усилителе (ОУ). Данные для расчета: коэффициент усиления ОУ без обратной связи 
, входное сопротивление ОУ 
, выходное сопротивление ОУ 
, сопротивления резисторов схем 
и 
приведены в табл. 3.
Рисунок 9 – Инвертирующий усилитель на ОУ
Рисунок 10 – Неинвертирующий усилитель на ОУ
Таблица 3 – Данные для выполнения задания № 3
| Номер варианта |
| 
| 
| 
| 
|
| 103 | 0,5 | ||||
| 104 | |||||
| 105 | |||||
| 103 | 2,5 |
Окончание таблицы 3
| 104 | |||||
| 105 | 1,5 | ||||
| 103 | 0,5 | ||||
| 104 | |||||
| 105 | 2,5 | ||||
| 103 | 3,5 | ||||
| 104 | 1,5 | ||||
| 105 | |||||
| 103 | 0,5 | ||||
| 104 | 0,5 | ||||
| 105 | |||||
| 103 | 1,5 | ||||
| 104 | 3,5 | ||||
| 105 | |||||
| 103 | 2,5 | ||||
| 104 | 0,5 | ||||
| 105 | 3,5 | ||||
| 103 | |||||
| 104 | 0,5 | ||||
| 105 | 2,5 | ||||
| 103 | 1,5 | ||||
| 104 | |||||
| 105 | 3,5 | ||||
| 103 | 0,5 | ||||
| 104 | |||||
| 105 |
Методика расчета
Расчет неинвертирующего и инвертирующего усилителей на ОУ сводится к определению параметров цепи отрицательной обратной связи, вводимой в усилитель.
Коэффициент усиления усилителя, охваченного петлей отрицательной обратной связи, можно определить по выражению
,
где – коэффициент усиления усилителя без обратной связи;
b – коэффициент обратной связи.
Для практических расчетов операционный усилитель можно считать идеальным, полагая, что 
. Тогда:
– для неинвертирующего усилителя
,
;
– для инвертирующего усилителя
,
.
Знак «минус» в выражении 
отображает инвертирование входного сигнала.
Входные сопротивления усилителей, охваченных отрицательной обратной связью, равны:
,
.
Выходные сопротивления усилителей, охваченных отрицательной обратной связью, рассчитываются одинаково:
,
.
Задание № 4
Рассчитать элементы схемы последовательного стабилизатора напряжения на ОУ. Данные для расчета приведены в табл. 4. Упрощенная схема стабилизатора на ОУ представлена на рис. 11. По результатам расчета и выбора элементов начертить полную принципиальную электрическую схему стабилизатора.
Таблица 4 – Данные для выполнения задания № 4
| Номер варианта | 
| 
| 
| 
| 
|
| 0,8 | ||||
| |||||
|
| 1,2 | ||||
| 1,5 | ||||
|
| 0,8 |
Окончание таблицы 4
| 1,5 | ||||
|
| 0,5 | ||||
|
| 1,2 | ||||
|
| 0,9 | ||||
|
| 0,3 | ||||
|
| 1,5 | ||||
|
| |||||
|
| 0,5 | ||||
|
| 0,7 | ||||
|
| |||||
|
| 1,5 | ||||
|
| 0,6 | ||||
|
| 0,3 | ||||
|
| 1,3 | ||||
|
| 0,2 | ||||
|
| 0,5 | ||||
|
| 1,3 | ||||
|
| 0,8 | ||||
|
| 0,4 | ||||
|
| 1,5 | ||||
|
| |||||
|
| 0,6 | ||||
|
| 0,3 | ||||
|
| 1,3 | ||||
|
| 0,6 |
Рисунок 11 – Последовательный стабилизатор напряжения на ОУ
Методика расчета
При использовании ОУ в цепи управления компенсационного стабилизатора напряжения расчет параметров элементов схемы стабилизатора проводят в следующем порядке.
Выбирают тип регулирующего транзистора из условий:
,
,
.
Указывают основные электрические параметры выбранного типа транзистора.
Рассматривают возможность получения заданных параметров схемы при использовании в качестве усилительного элемента ОУ.
Тип ОУ выбирают из условий:
,
.
где 
, 
– предельные значения выходных напряжения и тока ОУ.
Указывают основные электрические параметры выбранного типа ОУ.
В том случае, если первое условие не выполняется, то в качестве усилительного элемента следует использовать транзистор (или включить его между ОУ и регулирующим транзистором), а при невыполнении второго условия – в качестве регулирующего элемента можно использовать составной транзистор. В этом случае
,
где 
, 
– коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов.
Опорное напряжение 
формируют с помощью стабилитрона, для которого 
, 
.
Указывают основные электрические параметры выбранного типа стабилитрона.
Определяют сопротивление балластного резистора 
.
.
Из стандартного ряда сопротивлений выбирают ближайшее номинальное значение .
Для расчета сопротивления резисторов , , 
предполагают, что движок в потенциометре стоит в крайнем верхнем положении. Тогда выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение
.
При крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально
Объединяют данные уравнения в систему. Задавшись величиной , решают систему уравнений относительно неизвестных и .
Из стандартного ряда сопротивлений выбирают номинальные значения и .
Опреде