Физические основы электроники

Министерство образования Российской Федерации

Южно-Уральский государственный университет

Кафедра электропривода и автоматизации

промышленных установок

621.314(07)

Г322

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

Программа, методические указания

и контрольные задания для студентов-заочников

Челябинск

Издательство ЮУрГУ

2007

УДК 621.314 (07)

Физические основы электроники. Преобразовательная техника: Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников/ Составитель М.В. Гельман. – Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2007. – 36 с.

Методические указания предназначены для студентов специальности «Электропривод и автоматика технологических процессов и комплексов». Они содержат программу курсов лекций по физическим основам электроники и преобразовательной технике, методические указания к ним, контрольные вопросы и контрольные задания. Программа разбита на разделы и главы, для которых указаны страницы основной литературы.

Табл. 2, список лит. – 12 назв.

ВВЕДЕНИЕ

«Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» являются неразрывно связанными курсами и поэтому рассматриваются совместно. Эти дисциплины занимают важное место в системе подготовки дипломированных инженеров-специалистов по специальности 180400 “Электропривод и автоматизация промышленных установок и технологических комплексов”.

Глобальная цель дисциплин
«Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» состоит в том, чтобы сформировать навыки чтения элементарных схем информационной электроники и устройств преобразовательной техники, понимания происходящих в них процессов, научить их рассчитывать и применять, создать базу для изучения последующих курсов – ”Теории электропривода”, ”Систем управления электроприводами”, ”Элементов автоматизированного электропривода”.

Дипломированный инженер по специальности 180400 должен

знать
: принципы построения, статические и динамические характеристики и параметры полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники; принципы построения, методы расчета и анализа, параметры и характеристики полупроводниковых преобразователей электрической энергии; основные стандарты, условные буквенные и графические обозначения электронных элементов и устройств, используемых в системах автоматизированного электропривода промышленных установок и технологических комплексах;

уметь
: грамотно применять и эксплуатировать основные виды электронных приборов и устройств, формулировать технические требования на разработку новых электронных устройств; составлять структурные и функциональные схемы несложных устройств автоматики на базе интегральных микросхем, оценивать их достоинства и недостатки, рассчитывать и осуществлять стыковку различных преобразовательных устройств; выбирать для данного объекта типовой вентильный преобразователь или из отдельных силовых блоков скомпоновать требуемый преобразователь, пользоваться стандартами при выполнении конструкторских, исследовательских и других видов работ, использовать стандартную терминологию, определения и обозначения электронных приборов и устройств;

иметь представление
: о технологиях производства полупроводниковых приборов и микроэлектронных схем; о перспективах и путях совершенствования аналоговых, импульсных цифровых, микропроцессорных и преобразовательных устройств, используемых в различных автоматизированных системах.

Изучение курса рекомендуется начать с самостоятельной проработки теоретического материала по учебникам и учебным пособиям [1 – 4, 8], пользуясь методическими указаниями. При изучении курса постарайтесь ответить на все контрольные вопросы. Это залог успешной сдачи экзаменов. Основные вопросы выделены курсивом. Обратите на них особое внимание. Ряд вопросов плохо освещен в учебниках. На них будет обращено особое внимание на лекциях. На ряд контрольных вопросов студенты отвечают письменно, выполняя контрольные задания.

С целью приобретения практических навыков студенты выполняют лабораторные работы. Контрольные задания включают предварительные расчеты к лабораторным работам. Студенты для проведения лабораторных работ объединяются в бригады. Номера лабораторных работ и номера вариантов заданий (номера бригад) выдаются преподавателем. Каждый вариант содержит три подварианта: А, Б, В. Подварианты присваиваются членам одной бригады (одного варианта).

Так как в лаборатории проводится проверка расчетов, выполненных в задании, то к лабораторным работам допускаются студенты, получившие зачет по контрольному заданию, Нет расчетов, – нечего делать в лаборатории. Перед каждой работой проводится контрольный опрос.

После защиты отчетов по лабораторным работам студенты получают зачеты и допускаются к сдаче экзаменов. Экзамены проводятся по курсам «Физические основы электроники» и «Преобразовательная техника» отдельно, сначала по первому предмету, а затем по второму.

ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

И КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Роль электроники в современной науке и технике

Краткий исторический очерк развития электроники. Преобразовательная техника как предмет. Классификация электронных приборов и устройств. Значение преобразовательной техники для комплексной автоматизации производства. Перспективы развития преобразовательной техники.

Методические указания

Обратите особое внимание на классификацию электронных приборов и устройств. Уясните преимущества электронных приборов и устройств. Оцените важность знаний в области электроники для Вашей будущей специальности.

Литература:
[1, с. 190 – 192; 2, с. 3 –6].

Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются полупроводниковые приборы?

2. Преимущества полупроводниковых приборов и устройств.

3. Какие существуют полупроводниковые приборы и устройства?

2. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

2.1. Физические основы полупроводниковых приборов.

Проводники, полупроводники, диэлектрики. Собственные полупроводники. Примесные полупроводники. P-п переход и его вольт- амперная характеристика (ВАХ). Емкость р-п перехода. Переходные процессы в р-п переходе.

Методические указания

Возможность изменения вида проводимости и широчайшего изменения ее величины явились предпосылкой расцвета полупроводниковой техники.

Обратите особое внимание на понятие смещение
p
-
n
перехода. При прямом смещении
основные носители преодолевают потенциальный барьер и переходят в соседний слой. Переход основных носителей заряда в соседний слой, где они становятся неосновными, называется инжекцией
. При обратном смещении
через p
-
n
переход протекает обратный ток. При достижении высокого напряжения происходит лавинный пробой
. Лавинный пробой обратим. При увеличении тока и выделении большой мощности может произойти тепловой пробой
. Он необратим и приводит к разрушению p-n перехода.

Вольтамперная характеристика (ВАХ)
p

-

n

перехода
является основой понимания ВАХ всех полупроводниковых приборов. Нужно уметь объяснить ее вид на основе процессов на p
-
n
переходе. При повышении температуры различные участки ВАХ изменяются по-разному. Падение напряжения на прямо смещенном переходе при повышении температуры уменьшается незначительно. Особенно сильно меняется обратный ток. При увеличении температуры напряжение лавинного пробоя растет. Нужно уметь объяснить такое поведение участков ВАХ.

Литература:
[1, с. 193 – 199; 2, с. 7 – 13].

Контрольные вопросы

1. В чем отличие проводников, полупроводников и диэлектриков?

2. В чем отличие собственного и примесного полупроводника?

3.
В чем состоит преимущество примесных полупроводников по сравнению с проводниками (металлами и их сплавами), обеспечившее развитие полупроводниковой техники?

4. Назовите виды носителей зарядов.

5. Что такое p-n
переход?

6. Какие бывают p-n
переходы?

7. Что такое смещение p-n
перехода?

8.
Объясните вид каждого участка ВАХ p-n перехода.

9. Что такое лавинный пробой?

10. Поясните, как и почему влияет повышение температуры на каждый участок ВАХ p-n перехода.

11. Поясните переходные процессы при смещении p-n перехода.

2.2. Полупроводниковые диоды

Классификация.

Выпрямительные диоды. Устройство. Схема для снятия характеристики. Понятие о выпрямлении. Однофазный однополупериодный выпрямитель. Параметры диодов. Применение.

Стабилитроны. Назначение и устройство. Вольтамперная характеристика. Параметры. Схема параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне. Способ повышения термостабильности стабилизатора напряжения. Применение.

Методические указания

Нужно знать разновидности диодов, их назначение, ВАХ и схемы включения в устройствах. ВАХ диода имеет такой же вид, как и ВАХ p
-
n
перехода. Нужно уметь нарисовать схему для снятия ВАХ диода на постоянном токе и с помощью осциллографа. Обратите внимание на параметры выпрямительных диодов и стабилитронов. Изучите схему параметрического стабилизатора напряжения и способ повышения его термостабильности.

Литература:
[1, с. 199 – 203; 2, с. 14 – 18].

Контрольные вопросы

1. Назначение различных видов диодов.

2.
Нарисуйте схему простейшего однополупериодного выпрямителя.

3.
Постройте временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодном выпрямителе.

4. Как выглядит ВАХ выпрямительного диода?

5.
Как и зачем идеализируют ВАХ выпрямительного диода? Назовите параметры мощных выпрямительных диодов.

6.
Укажите порядок величин параметров мощных выпрямительных диодов.

7. Принцип действия стабилитрона.

8.
Нарисуйте схему простейшего стабилизатора напряжения. Укажите назначение элементов.

9.
Как и почему зависит напряжение стабилизации от температуры? Как повысить термостабильность стабилизатора напряжения?

10. В каких случаях и почему вместо стабилитронов используют стабисторы?

2.3. Транзисторы

Классификация.
Биполярные транзисторы. Устройство и принцип действия. Схемы включения. Статические характеристики. Параметры. Работа транзистора в линейном режиме. Классы усиления. Ключевой режим. Особенности работы транзисторов на высоких частотах.
Униполярные (полевые) транзисторы. Устройство и принцип действия транзисторов с затвором в виде р-п перехода и с изолированным затвором. Характеристики в схеме с общим истоком. Параметры.
IGВT (БТИЗ) транзисторы. Характеристики. Параметры.
Сравнение транзисторов. Применение.

Методические указания

Транзисторы по принципу действия делятся на биполярные
(управляемые током), униполярные (управляемые электрическим полем или полевые
) и IGBT
-транзисторы
. Аббревиатура IGBT – это сокращение названия Insulated gate bipolar transistor. В переводе это значит биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ).
Нужно знать разновидности транзисторов, их принципы действия, ВАХ и схемы включения в усилительных каскадах. Нужно уметь нарисовать схемы для снятия ВАХ транзисторов любого типа на постоянном токе и с помощью осциллографа. Обратите внимание на параметры транзисторов, порядок их величин. Следует уметь сравнивать транзисторы по основным показателям.

Ключевой режим
важнейший режим работы транзистора. Нужно уметь обосновать его преимущества.

Литература:
[1, с. 203 – 219; 2, с 19 – 32].

Контрольные вопросы

1.
Принцип действия биполярного транзистора.

2.
Объясните вид выходных характеристик биполярного транзистора.

3.
Сравните схемы включения биполярного транзистора. Укажите преимущества и недостатки схем по усилительным свойствам, частотным характеристикам и термостабильности.

4.
Нарисуйте схему простейшего усилительного каскада. Укажите назначение элементов.

5. Почему отличаются характеристики прямой передачи по току транзистора и транзисторного усилительного каскада?

6. Нарисуйте нагрузочную диаграмму транзисторного усилительного каскада. Что произойдет с выходным сигналом, если сместится рабочая точка покоя?

7.
Что такое ключевой режим и каковы его преимущества?

8.
Назовите основные параметры транзисторов.

9.
Укажите порядок величин параметров мощных транзисторов.

10.
Принципы действия полевых транзисторов.

11.
Характеристики и параметры полевых транзисторов.

12.
Принцип действия БТИЗ.

13.
Характеристики и параметры БТИЗ.

14.
Сравните параметры транзисторов, имеющих различные принципы действия.

15. От чего и как зависит переходный процесс при переключении транзисторного ключа?

16. Что такое защищенный транзисторный ключ?

2.4. Тиристоры

Устройство и принцип действия. Схемы включения в управляемом выпрямителе и прерывателе постоянного тока. Вольтамперные характеристики. Диаграмма управления. Переходные процессы в тиристорах. Параметры тиристоров. Разновидности тиристоров: симметричные тиристоры, запираемые тиристоры, динисторы. Групповое соединение тиристоров и диодов. Сравнение тиристоров и транзисторов. Применение.

Методические указания

Наиболее часто тиристоры применяют в управляемых выпрямителях
. В настоящее время тиристоры являются основными приборами в мощных преобразователях электрической энергии, особенно, в преобразователях связанных с сетью переменного тока. Нужно знать разновидности тиристоров, их принципы действия, ВАХ и схемы включения в устройствах преобразовательной техники. Принцип действия тиристора лучше изучить на двухтранзисторной модели. Основной способ включения тиристора – по управляющему переходу. Чем больше ток управления, тем при меньшем напряжении на аноде включается тиристор. Коэффициент передачи тиристора по току очень велик (тысячи) После включения тиристора ток управления можно прекратить, однако, тиристор будет удерживаться во включенном состоянии. Чтобы выключить тиристор, нужно уменьшить ток в цепи анода до очень малой величины или приложить к нему обратное напряжение. Таким образом, обычный тиристор – это прибор с неполной управляемостью
. Возможность выключения – это большое преимущество запираемых тиристоров, но они имеют и существенный недостаток – их коэффициент усиления по току при выключении не превышает 3...4.

Нужно уметь нарисовать схемы для снятия ВАХ тиристоров любого типа на постоянном токе и с помощью осциллографа. Надо знать назначение и уметь пользоваться диаграммой управления
. Следует уделить внимание переходным процессам в тиристорах. Обратите внимание на параметры тиристоров
, порядок их величин, зависимость допустимого тока от условий работы тиристора.

Литература:
[1, с. 219 – 230; 2, с. 37 – 48].

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип действия тиристора.

2.
Нарисуйте схему простейшего однополупериодного управляемого выпрямителя.

3.
Сравните тиристоры и транзисторы по возможностям управления и области применения.

4.
Постройте временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодном управляемом выпрямителе.

5. Объясните вид анодной ВАХ тиристора.

6.
Каково назначение диаграммы управления и как ею пользоваться?

7.
От чего и как зависит переходный процесс при включении тиристора?

8. Как протекает процесс выключения тиристора?

9. Почему напряжение на тиристоре не может нарастать слишком быстро?

10. Чем отличаются разновидности тиристоров?

2.5. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы.

Классификация. Оптоизлучатели. Светодиоды. Фотоэлектрические приемники излучения. Фотодиоды. Фототранзисторы. Фототиристоры. Фоторезисторы. Оптопары. Оптодиоды, оптотранзисторы, оптотиристоры. Принципы действия. Характеристики. Параметры. Применение.

Методические указания

Все полупроводниковые фотоэлектрические
приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n
переходах появляется ЭДС.

Оптоэлектронные приборы
(оптроны
) – приборы с двойным преобразованием энергии, обеспечивающие потенциальную развязку между двумя электрическими цепями (рис. 1.43). Тиристорные оптроны (оптотиристоры
) значительно упрощают построение систем управления полупроводниковых преобразователей электроэнергии.

Обратите внимание на характеристики, схемы включения и применение приборов.

Литература:
[1, с. 230 – 234; 2, с. 49 – 53].

Контрольные вопросы

1. Принципы действия фотоэлектронных приборов.

2. Схемы включения и применение фотоэлектронных приборов.

3. Режимы работы фотодиода.

4. Объясните вид ВАХ фотодиода.

5. Принцип действия светодиода.

6. Схема включения и применение светодиодов.

7. Принципы действия оптронов.

8.
Основное назначение оптронов.

9. Объясните вид ВАХ оптронов.

2.6. Терморезисторы.

Назначение и принцип действия. Характеристики. Применение.

Методические указания

Принцип действия терморезистора основан на увеличении числа свободных носителей при повышении температуры полупроводника. Их недостаток – большой разброс характеристик.

Литература:
[1, с. 234; 2, с. 54].

Контрольные вопросы

1. Принцип действия терморезистора.

2. Схема включения и применение терморезисторов.

2.7. Интегральные микросхемы (ИМС).

Основные понятия. Классификация ИМС. Полупроводниковые, пленочные и гибридные ИМС. Большие интегральные схемы. Основы технологии ИМС. Изменение критериев оптимизации при переходе от дискретных схем к ИМС. Интеграция силовых приборов. Гибридные силовые модули.

Методические указания

Микроэлектроника
– область электроники, изучающая вопросы создания и применения микроэлектронных изделий. Она перспективнейшее направление информационной электроники. Аналоговые интегральные
микросхемы
предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции. В них любому допустимому значению входного сигнала соответствует определенное значение выходного. Цифровые интегральные микросхемы
предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции, т.е. сигналов, которые могут принимать только два значения, условно называемые 0 и 1. Гибридные силовые модули – путь к интеграции и упрощению силовых схем.

Литература:
[1, с. 235 – 237; 2, с. 54 – 57].

Контрольные вопросы

1.
Что такое ИМС?

2. Что такое серия ИМС?

3.
Как классифицируются ИМС?

4. Каковы тенденции интеграции силовых приборов?

5.
Что такое гибридный силовой модуль?

2.8. Маркировка полупроводниковых приборов и ИМС

2.9. Рекомендации по применению полупроводниковых приборов и ИМС

Литература:
[1, с.237 – 238; 2, с. 57 – 58].

2.10.
Электронные приборы для отображения информации.

Назначение и классификация. Вакуумно-люминесцентные, жидкокристаллические элементы индикации.

Литература:
[5, с. 183 – 186].

3. Усилители и аналоговые ИМС

3.1. Общая характеристика усилителей

Классификация. Характеристики и параметры усилителей. Обратные связи в усилителях. Коэффициент усиления усилителя с обратной связью. Отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь.

Методические указания

Устройства, усиливающие мощность входного сигнала за счет энергии источника питания называются электронными усилителями
. В электронном усилителе имеется два канала: информационный канал
и энергетический канал
. По первому от входа к выходу передается информация за счет энергии, поступающей по второму каналу от источника питания (ИП). Все усилители делятся на усилители мгновенных значений сигнала и усилители действующих или средних значений сигнала. Здесь будем рассматривать только усилители мгновенных значений.

Свойства усилителей определяются их характеристиками и параметрами. Основной параметр усилителя коэффициент усиления
(коэффициент
передачи)
усилителя. Линейные (частотные) искажения
являются важнейшим показателем качества усилителей. Это такие искажения, при которых сохраняется форма синусоидального входного сигнала, но коэффициент усиления изменяется при изменении частоты. При этом, если входной сигнал несинусоидален, то выходной сигнал будет отличаться и по форме. Линейные искажения определяются по амплитудно-частотной
характеристике.
Нелинейные искажения
определяются амплитудной характеристикой
(АХ).
Нелинейные искажения возникают, когда усилитель начинает работать на нелинейных участках АХ, и форма выходного сигнала начинает отличаться от формы входного синусоидального сигнала. Когда сигнал на входе имеет произвольную форму, то пользуются понятием передаточная характеристика.

Обратная связь
- это передача части мощности с выхода или промежуточного звена на вход. Обратите внимание на преимущества отрицательных обратных связей
и их широчайшее применение. Обратите внимание на нецелесообразность применения положительной обратной связи в усилителях.

Литература:
[1, с. 239 – 247; 2, с.. 59 – 67].

Контрольные вопросы

1.
Что такое коэффициент усиления (коэффициент передачи)?

2.
Что можно определить по АЧХ?

3.
Что можно определить по амплитудной или передаточной характеристике?

4. Какие параметры и характеристики относятся к информационному, а какие к энергетическому каналу?

5.
Что такое ОС?

6. Что такое коэффициент передачи цепи ОС?

7.
Преимущества и недостатки ООС.

8. Преимущества и недостатки ПОС.

3.2. Усилители переменного тока

Одиночные усилительные каскады. Схема стабилизации рабочей точки покоя. Каскад с общим эмиттером. Схема замещения. Каскад с общим коллектором.

Многокаскадные усилители. Паразитные связи. Помехи. Методы борьбы.

Методические указания

Усилители переменного тока служат для усиления сигналов, в которых нет постоянной составляющей. Усилительный каскад с общим эмиттером требует из-за нетермостабильности применения схемы стабилизации рабочей точки покоя. Двухкаскадный усилитель переменного напряжения с емкостной связью представляет собой два каскада с общим эмиттером, соединенных через конденсатор.

Паразитные обратные связи
возникают благодаря передаче энергии электромагнитного поля с выхода на вход, в частности через паразитные емкости и взаимоиндуктивности, а также из-за внутреннего сопротивления источника питания. Методы борьбы с паразитными обратными связями: правильное взаимное расположение элементов, экранирование и применение развязывающих фильтров.

Литература:
[1, с. 247 – 253; 2, с. 68 – 74].

Контрольные вопросы

1.
Как стабилизировать рабочую точку покоя?

2.
Как определить коэффициент усиления каскада с ОЭ?

3.
Как определить АЧХ каскада с ОЭ? Как можно влиять на нее?

4. В чем состоят преимущества каскада с ОК?

5. Как строятся многокаскадные усилители переменного тока?

3.3. Усилители постоянного тока

Назначение и особенности
усилителей постоянного тока (УПТ). Трудности согласования каскадов. Дрейф нуля и методы его уменьшения. Классификация усилителей.

Усилители с промежуточным преобразованием. Модулятор. Демодулятор. Усилители прямого усиления и элементы аналоговых ИМС. Дифференциальный усилительный каскад. Каскад сдвига уровня. Каскад усиления мощности.

Методические указания

УПТ - это усилитель с полосой пропускания, включающей нулевую частоту. УПТ очень широко применяются в системах автоматического регулирования. В УПТ применяется гальваническая связь каскадов. Из-за этого возникает ряд проблем:а) трудность согласования потенциалов соседних каскадов, трудность независимого выбора рабочей точки покоя;б) нестабильность выходного сигнала при изменении напряжения питания, температуры, параметров элементов, получившая название дрейф нуля. Обратите внимание на причины и пути уменьшения дрейфа нуля.

Дифференциальный (балансный) усилительный каскад
(ДУ) имеет ряд преимуществ: входной сигнал подается относительно земли, малый дрейф нуля, ослабляется синфазный сигнал, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, так как помехи одновременно поступают на оба входа.

Выходной каскад усиления мощности с заземленной нагрузкой обеспечивает усиление мощности. При этом выходной сигнал снимается относительно земли. Эти каскады являются основой создания операционных усилителей.

Литература:
[1, с. 253 – 258; 2, с. 74 – 80].

Контрольные вопросы

1. В чем состоят особенности УПТ?

2.
Что такое дрейф нуля и как с ним бороться?

3. Как в дифференциальном усилительном каскаде уменьшается дрейф нуля без уменьшения коэффициента усиления?

4.
Что такое коэффициент передачи дифференциального и синфазного сигнала?

5. Каков недостаток дифференциального усилительного каскада и как с ним борются?

6. Как работает усилитель мощности с заземленной нагрузкой?

3.4 Аналоговые ИМС и устройства на их основе

Классификация. Операционные усилители. Характеристики и параметры. Схемы замещения. Инвертирующий усилитель Неинвертирующий усилитель. Повторитель. Интегратор. Компаратор. Регенеративный компаратор (триггер Шмидта). Мультивибратор. Элементы расчета схем. Частотные свойства.

Методические указания

Операционный усилитель
(ОУ) - это усилитель постоянного тока прямого усиления с дифференциальным входом, предназначенный для выполнения математических операций. Обратите внимание на передаточные характеристики ОУ по инвертирующему и неинвертирующему входам. Современные ОУ характеризуются очень высоким коэффициентом усиления (ku
=103
...107
) и очень большим входным сопротивлением (до 107
Ом)
. При анализе схем с ОУ обычно применяют допущения, существенно упрощающие расчеты:

1) входное сопротивление , оно действительно велико, см. выше;

2) напряжение непосредственно на входе в точке суммирования . Оно мало по сравнению с выходным и с входным напряжениями, т.к. ku
очень велико).

Чтобы ОУ выполнял различные операции, его по-разному включают, охватывают различными обратными связями. Коэффициент усиления инвертирующего и неинвертирующего усилителя определяется отношением резисторов и не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя. Нужно уметь определить какой сигнал будет на выходе интегратора, если известен сигнал, подаваемый на вход.

Компаратор - это устройство для сравнения двух сигналов. Недостаток компаратора – низкая помехоустойчивость. Это вызвано тем, что помеха накладывается на полезный сигнал и вызывает многократные ложные переключения. Регенеративный компаратор применяется для повышения помехоустойчивости. Передаточная характеристика регенеративного компаратора имеет петлю гистерезиса. Преимущества регенеративного компаратора: большая помехоустойчивость и быстрое переключение. Недостаток: меньшая точность.

Мультивибратор - это генератор прямоугольных колебаний. Нужно уметь путем изменения параметров схемы повлиять на частоту мультивибратора.

Литература:
[1, с. 258 – 267; 2, с. 80 – 89].

Контрольные вопросы

1. Обоснуйте допущения, принимаемые при расчете схем на основе ОУ.

1.
Как определить коэффициент усиления (коэффициент передачи) инвертирующего усилителя?

2.
Как определить коэффициент усиления (коэффициент передачи) неинвертирующего усилителя?

3.
Как определить коэффициент усиления повторителя?

4.
Какой сигнал будет на выходе интегратора, если на вход подается знакопеременный прямоугольный входной сигнал?

5.
Какой сигнал будет на выходе интегратора, если на вход подается серия однополярных прямоугольных импульсов?

6.
Как работает компаратор?

7.
В чем преимущества регенеративного компаратора перед простым компаратором? В чем его недостаток?

8. Поясните временные диаграммы мультивибратора. Как можно изменить частоту?

4. Цифровые ИМС (ЦИМС)

Общая характеристика ЦИМС. Классификация. Типы логических схем и их сравнение. Элементы алгебры логики.

Комбинационные ЦИМС. Схемы ДТЛ и ТТЛ. Характеристики и параметры

Последовательностные ЦИМС. Определение и классификация. RS-триггер. Синхронный RS-триггер. Д-триггер. JK-триггер. Т-триггер.

Понятие о микропроцессорах (МП) и МП-системах. ЦИМС – элементы ЦВМ.

Методические указания

Цифровые схемы, которые управляются уровнями напряжения, называются потенциальными
. Логические микросхемы делятся на комбинационные и последовательностные микросхемы.

Принцип действия комбинационных схем рассмотрите на примере схемы типа ТТЛ. Состояние входов и выходов логического элемента характеризуется таблицей истинности. Обратите внимание на характеристики, а также статические и динамические параметры ЦИМС.

Логические схемы с памятью могут создаваться на основе комбинационных схем. Триггер - это элементарная последовательностная схема с двумя устойчивыми состояниями выходов. Выходы триггеров находятся в противоположном состоянии (в противофазе). Входной сигнал может перевести триггер из одного устойчивого состояния в другое. По структуре триггеры делятся на: RS-триггеры, JK- триггеры, Т-триггеры, D-триггеры и др. Переключения триггера определяются по таблице переключений. RS-триггер имеет запрещенные комбинации входных сигналов. Определите, что произойдет при подаче на вход триггера этих сигналов. JK-триггер состоит из двух триггеров – триггера внутренней памяти и выходного триггера. Обратите внимание на его преимущество. Подумайте, как его превратить в Т-триггер.

Литература:
[1, с. 268 – 278; 2, с. 90 – 103].

Контрольные вопросы

1.
Чем отличаются ЦИМС от АИМС?

2.
В чем отличие последовательностных схем от комбинационных?

3. Какие типы логик Вы знаете?

4. В чем отличие синхронных схем от асинхронных?

5. Принцип действия схемы ТТЛ.

6. Что такое таблица истинности?

7.
Назовите характеристики комбинационных ИМС и объясните их вид.

8. Что можно определить по характеристикам комбинационных схем?

9. Динамические свойства АИМС.

10. Основные виды триггеров.

11. Что такое таблица переключений?

12. Что будет с
RS
-триггером, если на его входы подать запрещенную комбинацию сигналов?

13. В чем преимущества синхронных схем перед асинхронными?

14. В чем преимущества JK-триггера по сравнению с RS-триггером?

15. Как превратить JK-триггер в T-триггер.

5. Вентильные преобразователи

5.1. Общая характеристика преобразователей

Назначение и классификация вентильных преобразователей. Преобразователи, ведомые сетью, и автономные преобразователи.

Методические указания

Нужно знать назначение и виды преобразователей. Обратите внимание на отличие ведомых преобразователей от автономных.

Литература:
[1, с. 286 – 288; 3, с. 3 – 5].

Контрольные вопросы

1. Каково назначение преобразователей
?

2. Как классифицируются преобразователи
?

3. В чем отличие ведомых преобразователей от автономных?

5.2. Выпрямители

Классификация. Структурная схема. Виды нагрузок.

Методические указания

Выпрямители классифицируются по ряду признаков: по числу фаз, по числу выпрямляемых полуволн, по построению схем, по мощности по возможностям управления.

Обобщенная структурная схема выпрямителя, содержит сетевой фильтр, трансформатор, вентильный блок, сглаживающий фильтр, стабилизатор, нагрузку. Не все указанные блоки обязательно присутствуют в схеме. В зависимости от предъявляемых требований могут отсутствовать некоторые блоки.

Ввиду сложности расчетов выпрямителей, анализ процессов в них в первом приближении выполняется при упрощающих допущениях об индуктивности нагрузки. Принимается, что, либо индуктивность в цепи выпрямленного тока , либо .

Литература:
[1, с. 289 – 291; 3, с. 6 – 8].

Контрольные вопросы

1. По каким признакам классифицируются выпрямители
?

2. Как изменяется структурная схема выпрямителей в зависимости от требований?

5.3. Неуправляемые выпрямители

Однофазные схемы выпрямления. Однофазная однополупериодная схема. Учет неидеальности вентилей и трансформатора. Однофазная нулевая и мостовая схемы. Временные диаграммы. Основные соотношения в схемах.

Многофазные схемы выпрямления. Трехфазная нулевая схема. Поток вынужденного намагничивания. Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом и вторичными обмотками, соединенными в зигзаг. Параллельная работа трехфазных нулевых схем. Схема две обратные звезды с уравнительным реактором. Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова). Составные схемы. Временные диаграммы и основные соотношения в схемах. Сравнение схем.

Методические указания

При изучении этого параграфа нужно обратить внимание на схемы, построение временных диаграмм
и элементы расчета. Обратите внимание на особенности отдельных схем.

Вид временных диаграмм зависит от схемы и характера нагрузки. Диаграммы строят при следующих допущениях: вентиль и трансформатор идеальны.

Рассмотрим построение диаграмм напряжений и токов в однофазной нулевой схеме для случая . При построении диаграмм для вторичных ЭДС и выпрямленного напряжения потенциал нулевого вывода трансформатора принимают за 0. На вторичной стороне трансформатора действуют противофазные напряжения. Когда напряжение в точке a
положительно по отношению к точке 0, то в точке b
оно отрицательно. При этом проводит вентиль V
1,
а V
2
заперт. Ток через нагрузку в соответствии с законом Ома повторяет форму напряжения на нагрузке. Когда один из вентилей проводит, к запертому прикладывается двойное напряжение.

Если , то форма напряжения на нагрузке сохраняется. Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и гармоники, но, т.к. , то ток от гармоник равен нулю и строго постоянен. Поэтому токи через вентили и обмотки трансформаторов превращаются в прямоугольники.

Расчет схем выпрямления позволяет установить связь между токами и напряжениями на стороне переменного и на стороне постоянного тока, определить ток и напряжение на вентиле, а также расчетную мощность трансформатора.

Расчет схемы производится в несколько этапов:

1. Определение токов и напряжений на стороне нагрузки,

2. Определение токов и напряжений для вентиля,

3. Определение токов и напряжений для трансформатора.

Вентили выбираются по среднему току, для трансформатора важно действующее значение, для нагрузки важно среднее значение тока и напряжения.

Обратите внимание на сравнение схем выпрямления. В большинстве случаев в выпрямителях средней мощности применяется трехфазная мостовая схема.

Рассчитав идеальный выпрямитель, нужно уметь учесть неидеальность вентилей и активные сопротивления обмоток трансформатора.

Литература:
[1, с. 291 – 312; 3, с. 8 – 32].

Контрольные вопросы

1. Назовите основные однофазные и трехфазные схемы выпрямления.

2. Назовите основные величины, используемые при описании работы выпрямителей.

3. Почему при
xd
=
¥
в токе нагрузки отсутствуют пульсации
?

4. Сравнить однофазные схемы выпрямления по основным показателям.

5. Что такое внешняя характеристика
?

6.
Что такое поток вынужденного намагничивания и как он влияет на работу трансформатора?

7. Методы борьбы с потоком вынужденного намагничивания
.

8. Сравнить многофазные схемы выпрямления по основным показателям
.

9. Какова частота пульсаций в изучаемых схемах?

10. Сравните форму токов
ia
и
для трехфазной нулевой схемы при
xd
=
¥
. Почему отличаются формулы для
Ia
и
?

11. Как строятся временные диаграммы токов и напряжений в изученных схемах?

12. Как изменятся временные диаграммы токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме (при xd
= 0), если сгорит предохранитель в цепи одного вентиля?

13. Как изменятся временные диаграммы токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме (при
xd
=
¥
), если сгорит предохранитель в цепи одного вентиля?

5.4. Управляемые выпрямители

Понятие о режимах работы. Процессы и основные соотношения в управляемых выпрямителях. Регулировочные характеристики. Влияние анодных индуктивностей на коммутацию тока и внешние характеристики в непрерывном режиме. Влияние анодных индуктивностей на регулировочные характеристики в непрерывном режиме. Особенности работы выпрямителей на противо-ЭДС. Внешние и регулировочные характеристики в прерывистом режиме.

Методические указания

В зависимости от вида выпрямленного тока существует три режима: граничный, прерывистый и непрерывный
. Угол управления
измеряется от точки естественной коммутации (в которой начал бы проводить вентиль в неуправляемом выпрямителе) до момента подачи управляющего импульса и включения тиристора. Угол управления, при котором меняется режим, называется граничным. Обратите внимание на основные понятия: регулировочная характеристика, внешняя характеристика. Внешняя характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока при постоянном угле управления. Регулировочная характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от угла управления при постоянстве выпрямленного тока.

Анодное активное сопротивление
- это активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной стороне, а анодное индуктивное сопротивление
- это индуктивное сопротивление рассеивания, приведенное ко вторичной стороне.

Коммутация в вентилях осуществляется под действием линейной ЭДС. В период коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения падает и находится посредине между фазными ЭДС. Это нужно учитывать при построении временных диаграмм. В фазных напряжениях в моменты коммутаций также появляются провалы и выбросы.

Все соотношения, полученные при активно-индуктивной нагрузке в непрерывном режиме, справедливы и для нагрузки с ПЭДС в непрерывном режиме.

Очень важно усвоить, как влияют режим и параметры схемы на вид, положение, наклон характеристик.

Литература:
[1, с. 312 – 326; 3, с. 33 – 49].

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются режимы работы выпрямителя?

2.
Что такое угол управления
a
и как он определяется по осциллограмме?

3.
Что такое регулировочная характеристика?

4.
От чего зависит вид регулировочной характеристики?

5. Можно ли снять регулировочную характеристику на холостом ходу? Обоснуйте ответ.

6.
Как изменяется соотношение между приведенным индуктивным сопротивлением рассеивания трансформатора и приведенным активным сопротивлением обмоток при изменении мощности трансформатора?

7.
Что такое внешняя характеристика?

8.
От каких параметров зависит положение и наклон внешней характеристики в непрерывном режиме?

9.
От каких параметров зависит положение регулировочной характеристики в непрерывном режиме?

10. Как снимаются внешние и регулировочные характеристики выпрямителя?

11. Что такое граничный ток Idгр
и граничный угол
a
гр
?

12. От чего зависят
Id
гр
и
a
гр
?

13. Как определить экспериментально Id
гр
и aгр
?