рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Лекция №1 Электротехника и основы электроники

Лекция №1 Электротехника и основы электроники - раздел Электротехника, Лекция №1 ...

Лекция №1

Электротехника и основы электроники

Введение.

Электротехника – наука о техническом использовании электричества и магнетизма в народном хозяйстве.

Электроника – отрасль науки и техники, изучающая электронные приборы, схемотехнические устройства на их базе и применение этих устройств в различных промышленных установках.

В результате изучения курса студент должен знать:

1) Основные электротехнические законы, методы анализа и расчета электрических цепей, простейших электрических и электронных устройств;

2) Принципы действия и использования основных электротехнических, электронных устройств и электроизмерительных приборов;

3) Электрическую терминологию и символику;

Студент должен уметь

4) Выбирать и эксплуатировать в соответствии с паспортными данными необходимые электрические и электронные устройства и приборы;

5) Формулировать требования (выдавать техническое задание), предъявляемые к электроустановке, а при необходимости – и создавать несложные установки самостоятельно.

6) Оценивать перспективы своей отрасли с точки зрения автоматизации и кибернетизации производственных процессов

Электротехника

Электрические цепи постоянного тока

Электрическая цепь и ее элементы

Для удобства описания, анализа и расчета эл. цепей используют ее графическое изображение, называемой схемой эл. цепи (рис.1.1) - Гальванический элемент И служит источником эл. энергии;

Признаки классификации электрических цепей

В зависимости от характеристик источников эл. цепи подразделяются на цепи постоянного и переменного тока.

В зависимости от структуры различают неразветвленные (одноконтурные) и разветвленные (многоконтурные) цепи

 

Рис.1.5. Схема разветвленной эл. цепи.

 

Элементы разветвленной цепи: узлы, ветвь, контуры

В узле-точке (а,в) разветвления сходится не менее 3 ветвей

Ветвь – это заключенный между двумя узлами участок эл. цепи, образованный одним или несколькими последовательно соединенными эле-ментами, через которые протекает один и тот же эл. ток (a-m-b, a-n-b, a-p-b)

Контур - это замкнутый путь, проходящий по ветвям эл. цепи, причем ни одна ветвь в процессе обхода не повторяется дважды (a-m-b-p-a, a-m-b-n-a,

a-n-b-p-a). I

Независимым наз. контур разветвленной цепи, отличающийся от других контуров этой цепи хотя бы одной ветвью.

Для эл. цепи (рис.1.5) количество ветвей в=3; узлов у=2; контуров Nk=3; независимых контуров Nнк=[в-(у-1]=[3-(2-1)]=2.

Эл. цепи, содержащие один источник эл. энергии, наз. простыми, а более одного – сложными. R3

Эл. цепи наз. линейными, если сопротивление ее элементов не зависит от силы протекающего по ним тока и от приложенных к ним напряжений. В противном случае цепь нелинейна.

 

a) б)

Рис 1.6. Вольт-амперные характеристики цепи: а) линейной; б) нелинейной

Графически выраженную зависимость между напряжением, приложенным к цепи, и протекающим в ней током наз. вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Пример ВАХ линейной цепи, описываемой линейной зависимостью , где , показан на рис.1.6.а, а нелинейной цепи, описываемой нелинейной зависимостью – на рис 1.6.б

Далее преимущественно рассматриваются линейные цепи.

Задачи анализа и расчета электрических цепей

1. Определение токов, напряжений и мощности различных участков цепи при заданных параметрах источников и приемников эл. энергии.

2. Вычисление параметров источников и приемников эл. энергии при заданных токах и напряжениях по участкам цепи.

3. Видоизменение (упрощение) разветвленной эл. цепи с целью определения ее сопротивления путем последовательного свертывания, преобразования треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду и т.д

4. Преобразование цепи путем замены части ее эквивалентным активным двухполюсником.

Э.д.с., напряжение, ток и их условные положительные

Рис.1.7 Схема, иллюстрирующая положительные направления э.д.с., тока и напряжения в цепи. В источнике эл. энергии существует силовое поле, под действием которого внутри… Силовое поле источника имеет не электростатическое происхождение и поэтому наз. сторонним. (в генераторах постоянного…

Сопротивление проводников

Проводники оказывают противодействие движению в них эл. зарядов, что оценивается величиной, называемой сопротивлением.

За единицу сопротивления принят 1Ом – сопротивление участка проводника, через который при напряжении 1В протекает ток 1А.

 

Величина, обратная сопротивлению наз. проводимостью:

 

В зависимости от материала и размеров проводника его сопротивление описывается формулой

 

где – удельное сопротивление, Ом.м;

- длина проводника, м;

- площадь поперечного сечения, м2 .

Удельная проводимость

 

Сопротивление металлических проводников растет с увеличением температуры

Rt2=Rt1[1+ t2-t1)]

Rt2,Rt1 – сопротивление при температурах t2 и t1

- температурный коэффициент, 1/

Источники эл. энергии и схемы их замещения

Идеальный источник ЭДС имеет нулевое внутреннее сопротивление Ri и, следовательно, неизменное напряжение на зажимах равное напряжению холостого хода… Uaв измен. при любых Rн  

Основные законы электрических цепей.

  Рис.1.13. Схема замкнутой цепи, содержащей источник ЭДС.  

Лекция №2

В цепях постоянного тока эл. энергия, вырабатываемая источниками, равна энергии, потребляемой приемниками. Резистивные элементы преобразуют эл. Энергию в тепловую, по закону…

Простые эл. Цепи с параллельными соединением приемников.

 

Рис.1.18. Схема цепи с параллельным соединением приемников.

 

Для этой цепи уравнение по первому закону Кирхгофа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т.е. в параллельной цепи токи и мощности распределяются по ветвям обратно пропорционально их сопротивлениям.

Здесь допустима независимая коммутация приемников; «обрыв» не влияет на остальные ветви.

Простые эл. цепи со смешанным соединением приемников.

 

Рис.1.19. Схема цепи со смешанным соединением приемников.

 

 

 

а) б) в)

Рис.1.20. Последовательное свертывание схемы рис.1.19.

(рис.1.20,в)

 

 

Электрические цепи, содержащие соединения приемников

  Рис.1.21. Схема эл. цепи, содержащей соединения сопротивлений треугольником и…  

Методы расчета электрических цепей постоянного тока

  Рис.1.25. 1. Определяем количество ветвей в=3, узлов у=2, независимых контуров

Лекция №3

1.1.14. Баланс мощности в цепях постоянного тока.

В общем виде уравнение баланса мощности имеет вид:

 

Где m, n – количество источников и приемников соответственно.

Определение: условия баланса мощности.

Алгебраическая сумма мощностей, вырабатываемых источниками, равна арифметической сумме мощностей, которые потребляют приемники и вспомогательные элементы (т.к. в правую часть уравнения входит квадрат тока, т.е. его направление не имеет значения; поэтому сумма арифметическая).

В левой части уравнения возможны следующие случаи:

- При совпадении по направлению в активной ветви ЭДС и тока слагаемым присваивается знак «+» (т.е. источник отдает энергию в цепь);

- Если направление ЭДС и тока противоположны, слагаемым присваивается знак «-» (т.е. источник работает в режиме приемника).

Способы соединения источников электрической энергии.

Рис.1.32.    

Условие передачи максимальной мощности источника во внешнюю цепь.

Рис.1.34. Рассмотрим цепь (рис.1.34.), в которой может меняться от 0 до ток в этой…

Лекция №4

Основные понятия о синусоидальном переменном токе.

Переменный ток используется в различных областях электротехники. Электрическая энергия в промышленной энергетике почти во всех случаях производится, распределяется и потребляется в виде энергии переменного тока. Это объясняется тем, что переменный ток легко трансформировать, преобразовывая переменный ток высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения и наоборот.

Переменным током (напряжением) называется такой ток (напряжение), который периодически во времени изменяет своё значение и направление.

Закон изменения тока (напряжения, ЭДС) во времени может быть любым. Однако в промышленной энергетике используется преимущественно ток (напряжение, ЭДС) изменяющийся по гармоническому закону. При этом обеспечивается наиболее простой механизм получения синусоидальной ЭДС (модель – рамка, вращающаяся с постоянной угловой скоростью ω в равномерном магнитном поле), достигается максимальной КПД генераторов, двигателей и трансформаторов.

Возникающая в катушках индуктивности ЭДС самоиндукции

e= -L di/dt

и ток через конденсаторы

i=C duc/u

также изменяются по закону, что невозможно при любой другой функции. При этом существенно упрощается расчёт электрических цепей.

Мгновенные значения ЭДС, тока и напряжения:

e=Emsin(ωt+Ψe)

i=Imsin(ωt+Ψi)

u=umsin(ωt+Ψu)

где um ,Im ,Em - максимальное (амплитудное) значение ЭДС тока, напрямую полученное при sin(ωt+Ψe)=1 т. е. (ωt+Ψe)=π/2.

ω=2πƒ – условная частота, рад/с

ƒ=1/Т – циклическая частота, 1/с

Т – период колебания.

Период – это время, в течении которого совершается один цикл периодического процесса.

Ψе , Ψi , Ψu – начальные фазы (при t=0).

(ωt+Ψ) – текущая фаза колебания.

 

Временный график синусоидального

тока

 

1.2.2 Элементы электрических цепей синусоидального тока.

Одна из особенностей цепей синусоидального тока заключается в том, что в них могут присутствовать емкостные и индуктивные элементы, которые вносят фазовые сдвиги между током и напряжением; их сопротивление переменному току зависит от частоты.

1. Емкостный элемент.

Пусть имеется плоский конденсатор емкостью c, к которому подключен источник постоянного напряжения u.

В процессе заряда этого конденсатора на его обкладках накапливаются заряды противоположенного знака.

q=cu , где с – емкость конденсатора.

 

Таким образом, емкость – это коэффициент пропорциональности между приложенным к конденсатору напряжением и наложенным в нём зарядом:

c= q/u; Кл/В=Ас/В=с/Ом=Ф

Емкость выражается в фарадах (а также в микро-, нано-, пикофарадах)

Емкость плоского конденсатора

с= ε ε0 S/d=εа *S/d

ε0= 8,854 * 10-12 Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума.

ε= относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

S – площадь пластин

d - расстояние между пластинами/

Напряжение и ток емкостного элемента связаны уравнением:

i=dq/dt=c*duc/dt; отсюда

u=1/с ∫ i* dt+A где А – постоянная величина.

При синусоидальном токе А=0, т.к. эта функция не имеет составляющей.

 

Процесс заряда конденсатора от источника постоянного напряжения

Заряд емкости через сопротивление а) схема; б) эпюры напряжений  

Действующее значение синусоидальных ЭДС, тока и напряжения.

Мгновенное значение синусоидального тока: i=Imsin(ωt+Ψi) При ωt+Ψi)=π/2 i=Im

Методы описания и представления синусоидального тока, ЭДС и напряжения

а) декартова плоскость; б)комплексная плоскость.  

Трансформаторы.

Назначение и принцип действия трансформатора.

Принцип действия основан на законе эл.-магн. индукции, согласно которому возникает ЭДС взаимоиндукции между двумя индуктивно связанными контурами. … Повышение напряжения с помощью трансформатора снижает ток и, соответственно,… Поэтому в месте производства електрической енергии (на эл.мтанции) напряжение повышают до 104...105 В и выше, а в…

Холостой ход трансформатора.

    Рис. (1.82.). Холостой ход трансформатора.

Нагрузка трансформатора.

  Рис. 1.83. Нагрузка трансформатора. В этом случае можно указать следующие составляющие магнитного потока:

Схема замещения трансформатора с нагрузкой.

Расчеты токов и напряжений в трансформаторе, в котором первичная и вторичная обмотки гальванически разобщены, могут быть сведены к обычным расчетам разветвленной цепи переменного тока.

Для этой цепи составляется схема замещения трансформатора, процессы в которой описываются теми же уравнениями, что и процессы в трансформаторе (рис 1.84.)

 

 

Рис. 1.84. Т-образная схема замещения трансформатора с нагрузкой.

Здесь такие обозначения:

- приведенный ток || обмотки.

, - приведенное напряжение || обмотки.

Введем понятие приведенных сопротивлений

 

или

 

 

Отсюда следует:

 

 

Соответственно:

Где, Х1, Х2 – реактивное, и

r1, r2 – активное сопротивление | и || обмоток.

r0, Х0 – активное и реактивное сопротивления контура намагничивания (в режиме холостого хода.

Все параметры Т – образной схемы замещения определить сложно. Поэтому на практике используется упрощенная схема замещения (рис. 1.85).

 

Рис. (1.85) Упрощенная схема замещения трансформатора.

В этой схеме контур намагничивания отсутствует, т.к. ток холостого хода I0<<I2’, а активные и реактивные сопротивления обмоток объединены:

rт=r1+r2 ; xт=x1+x2.


Короткое замыкание трансформатора.

Для экспериментального определения параметров режима короткого замыкания проводится опыт к.з. трансформатора.

Упрощенная схема замещения трансформатора при к.з. показана на рис. 1.86.

 

Рис. 1.86. Опыт к.з. трансформатора.

На первичную обмотку подается пониженное напряжение U1k = 0,1 Uном.Токи короткого замыкания, а также его активная мощность определяется в первичной и вторичной обмотках.

Затем полученные параметры пропорционально увеличиваются и таким образом определяются параметры в режиме аварийного короткого замыкания при U1=U1ном.


Внешняя характеристика трансформатора.

- это зависимость напряжения на вторичной обмотке от протекающего в ней тока U2=f(I2) (рис.1.87).

 

Рис.1.87. Внешняя характеристика трансформации.

Вид характеристики соответствует внешней (нагрузочной) характеристике любого источника:

при I2=0, U2=U2x,

а с ростом I2 напряжение U2 падает, что обусловлено увеличением внутренних потерь в трансформаторе.

Для оценки этих потерь вводится показатель – процентное изменение напряжения:


Потери мощности и КПД трансформатора.

  P1 –мощность, потребляемая трансформатором от сети. P2 –мощность, отдаваемая в нагрузку.

На рис. 1.1. представлена схема энергетических зон

 

– разрешенные зоны

 

W , W1 – запрещенные зоны

Рисунок 1.1.

По оси ординат отложены величины энергии электронов, по оси абсцисс расстояние X в направлении толщины кристалла. Ширина верхней запрещенной зоны D W равна разности энергий между нижним уровнем (дном) зоны проводимости Wпр. и верхним уровнем (потолком) валентной зоны Wв. D W = Wпр – Wв.

В металлах, где все валентные электроны являются электронами проводимости, запрещенная зона отсутствует, и валентная зона частично перекрывается с зоной проводимости.

W

При D W < 3 эВ твердое тело принято считать полупроводником.

При D W > 3 эВ твердое тело принято считать диэлектриком.

Полупроводник приобретает проводимость в том случае, если электронам, находящимся на энергетических уровнях внутри валентной зоны, внешним воздействием (нагреванием, освещением) сообщается энергия (равная или больше DW), достаточная для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Электрон, находящийся в зоне проводимости и являющийся подвижным носителем заряда, называется электроном – проводимости.

Одновременно в валентной зоне из-за ухода электрона появляются свободные уровни и, следовательно, валентные электроны тоже получают возможность переходить с одних уровней на другие (свободные) и тем самым изменять энергию. Валентные электроны, как и электроны проводимости, могут создавать ток через полупроводник.

При уходе валентного электрона образуется положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона; этот положительный заряд следует относить к валентной связи между двумя атомами, нарушенной уходом валентного электрона.

Незанятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне, обладающее положительным зарядом, называется дыркой.

При создании электронного поля в полупроводнике валентные электроны переходят из заполненных связей в соседние незанятые связи в направлении увеличения потенциала поля, что эквивалентно перемещению дырок в обратном направлении.

Итак – в полупроводниковых приборах возможны 2 вида электропроводимости – электронная (в результате перемещения электронов проводимости) и дырочная (в результате перемещения дырок).

Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электропроводимости 10-6 – 10-8 1/Ом. см являются промежутожными между проводниками и диэлектриками. Их удельная проводимость сильно зависит от t и концентрации примесей и внешних воздействий света, электрического поля.

По составу полупроводники делятся на простые – образованными атомами одного химического элемента – германий Ge, кремний Si, селен Se и сложные – химические соединения или сплав двух или нескольких химических элементов – антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAs.

По типу электронной проводимости различают собственные полупроводники (полупроводники i-типа), если их электронная проводимость обусловлена генерацией пар – электрон-дырка, и примесные полупроводники с электронной проводимостью – n-типа, если их электропроводимость обусловлена перемещением электронов, появившихся в результате ионизации атомов донорной примеси (отдающей электроны) и примесные полупроводники c дырочной проводимостью – p-типа, если их проводимость обусловлена в основном перемещением дырок, возникших в результате ионизации атомов акцепторной примеси (отдающей электроны.)

2. Собственные полупроводниковые приборы.

Основным материалами, наиболее часто используемыми в полупроводниках, являются Ge и S; – элементы четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Среднее значение тепловой энергии валентных атомов, колеблющихся около узлов кристаллической решетки k.T = 0.027 эВ при комнатной температуре. Необходимая для генерации пары энергия равна для Ge – 0.72 эВ, для Si – 1,12 эВ. Одновременно с генерацией происходит и обратный процесс – исчезновение электронов и дырок в результате их рекомбинации, при которой электрон восстанавливает разорванную валентную связь. В собственных полупроводника при Т = 0 К электроны и дырки отсутвуют и внешнее напряжение не вызывает в нем ток. С возрастанием Т электропроводность растет по экспонентному закону. Собственная электропроводность может иметь место лишь в сверхчистых и сверхсовершенных кристаллах, где не содержится чужеродных атомов и не нарушена периодичность кристаллической решетки. Практически возможно только приближение к электропроводности i-типа.

3. Примесные поупроводники

В большинстве полупроводниковых приборов применяются примесные проводники, т.к. введение примеси увеличивает удельную электропроводность в тысячи раз. До внесения примеси полупроводниковый материал очищают от вредных примесей (железо, никель, медь), затем в него вносят полезные примеси обычно в пределах 10-5 – 10-7 концентрации атомов полупроводника. Чаще всего атомы примеси замещают атомы основного материала в узлах кристаллической решетки. В качестве донорной примеси используют элементы пятой группы периодической системы элементов: сурьму, мышьяк, фосфор. Четыре валентных электрона этих элементов образуют связи с четырьмя соседними атомами Ge или Si, а пятый валентный электрон, оказавшись несвязанным, уже при малых значениях сообщаемой ему энергии может оторваться от атома и стать электроном проводимости, атом же примеси превращается при этом в положительно заряженный ион (донор), который локализуется в узле кристаллической решетки и не участвует в создании тока.

Для получения акцепторных примесей используют элементы третьей группы периодической системы – индий, галлий, алюминий, бор. Атомы этих элементов захватывают электроны из валентных связей между двумя соседними атомами основного полупроводника создавая положительно заряженные акцепторы.

Минимальная энергия, необходимая для создания подвижного носителя электрона, называется энергией ионизации доноров. Wд = для Ge –0.01 –0.13 эВ, для Si – 0.04 – 0.05 эВ. Wд = Wа.

ННЗ. n>>p.

В полупроводнике n-типа основные носители заряда – электроны ОНЗ, неосновные носители заряда – дырки ННЗ p<<n

В полупроводниках p-типа основные носители заряда – дырки, неосновные носители заряда – электроны. p>>n.

Токи в полупроводниках – направленное движение зарядов – электронов и дырок.

Различают:

 

диффузионный ток – движение зарядов от большей концентрации к меньшей

дрейфовый – движение зарядов под действием электрического поля.

Электрон движется навстречу силовым линиям электрического поля, дырка – по силовым линиям.

 

 

2.1.2 Электронно - дырочный переход (р - n переход).

2.1.2.1 Процессы в p- n переходе при отсутствии внешнего источника.

(изолированный p- n переход)

 

Электронно – дырочным или p – n переходом называют область на границе полупроводника с различным типом проводимости.

Его получают вплавлением или диффузией соответствующих примесей в монокристаллы полупроводника.

Рассмотрим процессы в изолированном p – n переходе при одинаковой концентрации дырок и элементов в p и n областях:

эпюра напряжений

а) вследствие наличия градиента концентрации носителей зарядов начинается встречное движение электронов и дырок. à диффузионный ток ОНЗ – jдиф. ОНЗ.

б) электроны и дырки, переходя в соседние области рекомбинируют – концентрация основных носителей в пограничных областях снижается, т.е. на границе полупроводника с различным телом проводимости образуется

слой, бедный ОНЗ и близкий по проводимости к диэлектрику. б – изолирующий слой (запирающий).

в) по краям изолированного слоя в области n сосредотачиваются положительно заряженные ионы донорной примеси (неподвижные узлы кристаллической решётки – атомы, получившие положительную ионизацию, а в области p – отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси(атомы присоединившие элементы)).

Г) между противоположными зарядами возникает внутреннее электрическое поле Евнутр., силовые линии которого направлены из n к p.

Д) Евнутр препятствует диффузионному движению ОНЗ. jдиф. снижается.

е) Евнутр способствует движению через p – n переход

ННЗ à дрейфовый ток ННЗ ^ ; jдрейф ^ - направление ротивоположное jдиф

ж) Поскольку в изолированном полупроводнике плотность тока = 0 – наступает динамическое равновесие: jдиф.онз – jдрейф.онз = 0

з) в p-n переходе устанавливается контактная разность потенциалов (потенциальный барьер). Uконт ,которая определяется концентрацией примесей в n и p областях, чем > Uконт, тем более широкую полосу по кидают ОНЗ на границе.

2.1.2.2 Прямое включение p – n перехода.

Противоположно Eвнутр

а)контурная разность потенциалов снижается : Uрез=Uконт –Uпр ; и результ. поле в переходе снижается Ерез= Eвнутр – Eвнеш .

б)в результате ослабления результ. поля ОНЗ приближ. к р-п переходу, концентр. И градиент концентр.. растёт.

В)ширина изолированного слоя б уменьшается

Г)возрастает Iдиф. и Iпрямой. Переход ОНЗ через потенциальный барьер в ту сторону, где он становится ННЗ называется инжекцией.

Д)Iдрейф. по сравнению с Iдиф.ничтожно малое.

2.1.2.3 Обратное включение р-п перехода.

а)Пот. барьер и рез. поле увеличиваются:

Uрез=Uвн+Uвнутр; Ерез=Евн+Евнутр

Б)ОНЗ отодвигается от р-п перехода а ННЗ приближается.

В) б увеличивается

Г)диффузионный ток ОНЗ прекращается.

д)под действием Ерез. возникает дрейфовый ток ННЗ через р-п переход и обратный ток Iобр во внеш.цепи. Так как конц. ОНЗ в 10 раз выше ННЗ, то Iобр<<Inp.

2.1.2.4 Вольт – амперная характеристика р-п перехода.

Характеристика идеального р-п перехода:

I=I0 (eeU/kT - 1)

I0- обратный ток р-п перехода

е – основание натурального логарифма

U – напряжение, приложенное к р-п переходу

е – заряд электрона

к – постоянная Больцмана

Т – абсолютная температура

Прямая ветвь: Inp= I0e40U для Т=300 К

Обратная ветвь: Iобр= -Io.

При достижении Uобр определяем U, р-п переход пробивается. - 2 вида пробоя : 1)электронный ; 2)тепловой

1. электронный пробой – лавинообразное увеличение обратного тока вследствие ударной ионизации атомов кристаллической решётки быстрыми носителями заряда и отрывом валентных элементов. – образуется пара электрон – дырка, процесс происходит лавинообразно. Обратим: Если не обеспечен теплоотвод, электронный пробой может перейти в тепловой (необратимый) - интенсивная термогенерация носителей заряда:

при t°≥100-150 с и t°≤-60-70c р-п переход теряет свои свойства.

Т.о. ВАХ р-п перехода позволяет рассмотреть его, как нелинейный элемент, сопротивление которого резко изменяется в зависимости от направления и величины приложенного U. т.е.р-п переход обладает свойством односторонней проводимости.

2.1.3 Виды полупроводниковых диодов.

Выпрямительный диод.

Основные параметры:

Iпр.мах

Uобр.мах

Iобр.(Iо) – среднее значение

Rпр.диф.=∆Uпр./∆Iпр

Rобр.диф=∆Uобр/∆Iобр

Стабилитрон.

Предназначен для стабилизации постоянного U. Работает в режиме электрического пробоя(отвод тепла при повышении мощности).

Изгот. кремневые.

Основные параметры:

Uстаб от 3 до 180 (В)

Iст.мах т.к. H=∆Uст/∆T·100%

Iст.мin – температурный коэффициент нестабильного напряжения от 0,0005 до 0,2 %/°С

Варикапы.

Использ. зависим С р-п перех. при обратном включении (барьерной ёмкости) от Uобр.

Варикап – это конденсатор с электрически управляемой ёмкостью. При Со=300-600пф. с ↑Uобр δ р-п пер ↑-С↓. Кс= Со/Сmin Кс=3…4; Кс – коэффициент перекрытия.

Фотодиоды

Фотодиод светодиод

Фотодиод – работает в режиме фотопреобразователя – Iобр зависит от интенсивности падающего светового потока (обратное включение)

Светодиод – при прямом включении в процессе инжекции происходит оптическое излучение, цвет которого зависит от характера примеси. Жёлтый, красный, зелёный.

 

ЛЕКЦИЯ №10

 

2.1.4Транзисторы

Транзисторы – полупроводниковые приборы, которые могут быть использованы, как устройства, обеспечивающие усиление мощности электрического сигнала за счет энергии внешнего источника, принцип работы которых основан на физ. процессах, происходящих в одном или двух p-n переходах.

Различают следующие виды транзисторов:

1) биполярные (в процессах образов. токов участвуют носители зарядов обоих знаков – электроны и дырки)

Униполярные (полевые) - в процессе образования токов участвуют носители заряда одного знака - электроны или дырки.

Униполярные (полевые) транзисторы

Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает электрический ток под воздействием электрического поля.

По способу создания делятся на:

Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом;

2) МДП транзисторы с изолированным затвором:

А) со встроенным каналом;

Б) с индивидуальным каналом.

Интерес к ним вызван их преимуществами по сравнению с биполярными транзисторами:

Высокая технологичность;

Хорошая воспроизводимость требуемых параметров;

Малая стоимость;

Высокое входное сопротивление.

Полевые транзисторыс управляющим p-n переходом

Канал – полупроводник n-типа с относительно малым количеством донорской примеси. Затвор – кольцевой слой полупроводника p-типа с высоким содержанием… Электрод, от которого начинают движение носители заряда называется исток, электрод, к которому они движутся – сток. …

На входе его практ. не расходуется мощность.

Схема замещения пол. тр-ра с упр. p-n

В обл. выс. част. В обл. ниж. част.

 

Характеризует работу тр-ра в обл. 2 стоковой ВАХ для перемен. составл. тока и И

2.1.4.2 МДП транзистора

Полевые транзисторы с изолированным затвором в отличии от вышерассмотренных имеют затвор, изолированный от области канала слоем диэлектрика (им может быть SiO2)

Принцип действия основан на эффектах изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием поперечного электрического поля.

Приповерхностный слой полупроводников является токоведущим каналом этих транзисторов.

Выполн. Двух типов – со встр. индукц. кан.

2.1.4.3 МДП тр-ры со встроен. каналом

 

 

  2.1.4.4 МДП тр-р с индуц. каналом       Значение межэлектрод. емкостей Сзн1Сси<10пф Сзс<2пф Меньше, чем у тр-ров с упр. n-p пер. Применяется широко в интегр. исполнении.  

ЛЕКЦИЯ №11

2.1.5 Биполярные транзисторы

2.1.5.1 Структура, схемы включения, схемное обозначение

Биполярным транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий два взаимодействующих p-n перехода, выходной ток которого управляется изменением входного тока.

Э – эмиттер (испускающий заряды)

К – коллектор (собирающий заряды)

Б – база

Эмиттерный переход – ЭП

Коллекторный переход – КП

Различают три схемы включения биполярного транзистора:

А) с общей базой

Б) с общим эмиттером

В) с общим коллектором

а) Самая распространенная – обеспечивает усиление по U и I

Б) Усиливает только по U

В) Усиливает только I

Токи транзистора связаны равенством Iэ=IБ+Iк

2.1.5.2 Устройство и принцип действия транзистора.

Основные уравнения токов транзистора

Рассмотрим принцип действия биполярного транзистора на примере схемы ОЭ

Биполярные транзисторы функционируют при следующих начальных условиях:

Ширина базы меньше длины свободного пробега неосновных носителей заряда (ННЗ)

Концентрация примесей в Э и К значительно больше, чем в базе (база легируется слабо)

На ЭП подается прямое напряжение

На КП подается обратное напряжение

5) UКЭ>>UБЭ

В данном случае непосредственно к КП источник не подключен, но, так как UКБ=UКЭ-UБЭ и UБЭ<<UКЭ, UКБ имеют ту же полярность, что и UКЭ, то есть обратную к КП. На ЭП подано прямое U и электроны инжектируют из Э в Б (инжекцией дырок из Б в Э пренебрегаем ввиду их малой концентрации).

Пусть m-число электронов, инжектированных в базу. Так как ширина базы меньше длины свободного пробега носителей заряда, большинство электронов достигают КП и пересекая его, в результате экстракции попадают в К (действующее в районе КП поле является ускоряющим для ННЗ, которыми являются электроны в базе.

Пусть αm – число электронов, экстрактированных в коллектор

α- коэффициент передачи тока эмиттера α=0,9-0,99 тогда (1-α)m – число электронов, рекомбинировавших с дырками базы.

Из Э уходят электроны, создавая ток IЭ.

Из К во внешнюю цепь уходят электроны, создавая ток IK.

Из базы во внешнюю цепь уходят электроны, освобождающиеся в процессе рекомбинации, создавая ток IБ.

Согласно первому закону Кирхгофа:

IЭ=IK+IБ

m=mα+(1-α)m кроме этого необходимо учесть обратный ток коллекторного перехода IКБО, образованный движением ННЗ через КП, совпадающий по направлению с IК и направленный навстречу IБ, следовательно

IK=αIЭ+IКБО

IБ=(1-α)IЭ-IКБО

IЭ=IК+IБ

В схеме ОЭ вход – IБ, а для выходного управляемого IK необходимо получить уравнение в виде IK=f(IБ)

IK=αIЭ+IКБО=α(IK+IБ)+IКБО

α 1

IK = IБ+ IБКО

1-α 1-α

=β – коэффициент передачи тока базы = 10÷1000

1-α

=1+β

1-α

IK=βIБ+(1+β)IКБО

βIБ- управляемая составляющая коллекторного тока, показывающая что изменение малого IБ вызывает в β раз больше изменение Ik.

Биполярный транзистор сам по себе не усиливает мощность, а лишь регулирует отдачу мощности от источника коллекторного напряжения Uкэ.

2.1.5.3 ВАХ БТ

Икэ = 5

IБ=f(UБЭ)

ИКЭ

Семейство входных характеристик для БТ с ОЭ.

Увеличение Uкэ смещает ВАХ в область малых токов, так как увеличивается ширина КП за счет базы, ширина базы уменьшается, вероятность рекомбинации ОНЗ в базе уменьшается. IБ – уменьшается. Это явление называется «модуляцией ширины базы».

IБ”’

IБ

IБ

IБ=0

IКБО

Семейство выходных характеристик для БТ с ОЭ.

IБ’”>IБ”>IБ

I-обл. отсечки

Ik=βIБ+(1+β)IКБО

при IБ=0, Ik=(1+β)IКБО

при IБ=-IКБО, Ikmin=IКБО

транзистор заперт. UКБ- обр

UБЭ-обр

II – область насыщения
Ik зависит от Uкэ и практически не зависит от IБ

UБЭ – прямое

UКЭ – прямое

UКЭ<UБЭ

III- активный, рабочий режим

Ik зависит от IБ и не зависит от Uкэ

Незначительный рост Ik c Uкэ объясняется модуляцией базы (UБЭ – прямое, Uкэ – обратное. )

Это основной режим при усилении сигнала, т.к. выполняется условие Ik=f(IБ)

С увеличением температуры Ik увеличивается за счет роста IКБО (тепловая генерация ННЗ) и β, т.к. число рекомбинаций снижается.

2.1.5.4 Дифференциальные параметры БТ

Связь между малыми изменениями входных и выходных токов и напряжением БТ определяются дифференциальными параметрами.

Изобразим БТ как активный четырехполосник.

Запишем систему уравнений, предст. собой вх. и вых. хар-ки транзист.

Uвх=f1(Iвх,Uвых)

Iвых=f2(Iвх, Uвых)

Продифференцируем уравнения

əf1 əf1

dUвх= dIвх+ dUвых

əIвх əUвых

əf2 əf2

dIвх= dIвх+ dUвых

əIвх əUвых

Перейдем от бесконечно малых к конечно малым приращениям и обознач.

əf1 əf1

= h11 =h12

əIвх əUвых

əf2 əf2

= h21 = h22

əIвх əUвых

∆Uвх=h11∆Iвх+h12∆Uвых

∆Uвых=h21∆Iвх+h22∆Uвых

Откуда получим

∆Uвх

h11= при ∆Uвых=0

∆Iвых Uвых

∆Uвх

h12= при Iвх

∆Uвых

∆Iвых

h21= при Uвых=c

∆Iвх

∆Iвых

h22= при Iвх

∆Uвых

h11 – входное сопротивление (Ом)

h12 – коэффициент внутренней обратной связи близок к 0 – не рассматриваем

h21 – коэффициент передачи входного тока

h22 – выходная проводимость (1/Ом)

Сх. О.Э.

∆UБЭ

h11э= Uкэ=с – сотни Ом

∆IБ

∆Ik

h21= Uкэ=с – 30 – 1000=β

∆IБ

Зависит от f, так как f влияет на время передвижения носителей заряда от Э и К

fгр – частота, при которой h21э=1

∆Ik

h22= IБ=с - 1-10 мк/м

∆Uкэ

2.1.5.5 Предельные параметры БТ

Мощность, развиваемая в выходной (коллекторной) цепи транзистора.

Р=IkUкэ ограничена Ркmax – с целью предотвращения выхода из строя транзистора

Uкэ≤Uкэ max (электрический пробой КП)

Ik≤Ikmax – (перегрев КП)

2.1.5.6 Схема замещения БТ с ОЭ

 

ЛЕКЦИЯ № 12

Усилительный каскад на БТ с ОЭ.

Динамический режим работы БТ.

 

 

 

По 2 закону Кирхгофа

Eк = Iк Rк + Uкэ

 

 

Iк = f (Uкэ) для Rк – ВАХ – линейная зависимость

Iк = f (Uкэ) для БТ – нелинейная.

Решим систему уравнений графически.

Iк = f (Iб) – переходная характеристика на которой удобно проводить анализ раб. Iк имеет линейный участок а б. Rб выбирают так , чтобы раб. т. А находилась на середине линейного участка… - примерно середине переходной х-ки (линейный участок).

Усилители - это устройства, предназначенные для повышения параметров электрического сигнала (U,I,P). Наиболее распространены на полупроводниковых элементах (биполярных и униполярных транзисторах) в виде ИМС.

Классифицируются по:

1. характеру усиливания сигнала: аналоговые, дискретные;

2. типу усиливающих элементов: транзисторы, усиливающие лампы;

Назначению;

Количеству каскадов;

Роду электропитания;

6. диапазону частот входных сигналов:

А) УНЧ -20Гц -20кГц;

б) УВЧ 10кГц –10 и 100мГц;

в) избирательные – работают с сигналом в узкой полосе f;

Г) широкополосные;

д) УПТ -0 – 10кГц.

О
ИС  
Н
ИП


Блок схема включения усилителя

Основные требования, предъявляемые к усилителям:

Должен обеспечивать усиление по амплитуде I,U,P без искажений (амплитудные соотношения всех гармонических составляющих и частотный спектр сигнала должны оставаться постоянными)

Основные технические показатели I (КПУ)

Важные технические показатели усилителя:

- входные и выходные данные;

- коэффициент усиления;

- КПД;

- полоса пропускания;

- динамический диапазон усилителя;

- чувствительность;

- уровень собственных помех;

- показат., характер искажения входного сигнала.

А. Входные данные усилителя

Структурная схема усилителя

Входной сигнал – эдс источника Eu

Внутреннее сопротивление источника Ru

Модуль действительных значений Uвх

Iвх

Входная мощность Рвх=IвхUвх

Входное сопротивление усилителя Rвх


Коэффициент передачи входной цепи


Откуда

Для снижения потерь во входной цепи необходимо, чтобы


Т.е. Rвх должно быть большим тогда


Б. Выходные данные усилителя

Расчетная выходная мощность


Uвых, Iвых при Rн номинальном


Выходное сопротивление

Нагрузочная характеристика усилителя на средней частоте


Из анализа структуры схемы:


Rн<<Rвых à



Rн>>Rвых à

В. Коэффициент усиления


Наряду с безразмерным выражением К применяют логарифметические единицы -

Kp[дБ]=10lgPвых/Pвх=10lgKp т.к. P­~I2 или U2

Kдб=20lgK Ki дб=20lgKi

Обратный переход K=101/20Kдб Kp=101/10Kp дб

Г. Сквозной коэффициент усиления


Т.к. Кскв

Д. Комплексный коэффициент усиления


Пусть


K-модуль,

Е. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя

N-каскадов


или


Ж. КПД

P0-мощность, потребляемая усилителем от всех источников питания.

З. Чувствительность усилителя

Номинальным входным называется U, которое нужно подать на вход усилителя, чтобы на выходе получить заданную мощность.

И. Уровень собственных помех

Причины возникновения помех на входе I при отсутствии входного сигнала:

- тепловые шумы, возникающие в элементах усилителей;

- наводки со стороны внешних электрического и магнитного полей;

- помехи из-за пульсации U питания.

Уровень собственных помех оценивается отношением сигнала / шум

q = Uвых min/Uвых n – уровень помех на выходе усилителя

К. Относительная нестабильность коэффициента усиления

К/К, К – абсолютное изменение коэффициента усиления.

Л. Искажение сигнала при усилении

Л 1. Нелинейные (амплитудные) искажения

- изменение формы кривой усиливания колебаний, вызванное нелинейными свойствами усилительных элементов (транзисторов), а также характеристиками намагничивания трансформаторов.


Амплитудная характеристика усилителя – зависимость действительного значения выходного напряжения от действительного значения Uвх

А-В - Uвых=K* Uвх

K=const

Степень нелинейных искажений оценивается коэффициентом гармоник Kг.


По теории Фурье всякая несинусоидальная периодическая функция может быть представлена суммой гармонических колебаний основной частоты и высших гармоник.

U1m – амплитуда колебаний осн f.


Динамический диапазон усиления

Л 2.Линейные (частотные и фазовые) искажения

Обуславливаются изменения модуля и фазы коэффициентом усиления на различных частотах.

Причина – присутствие в схеме элементов с частотозависящими сопротивлениями (L, с, межэлектрические емкостные транзисторы и диоды), емкости монтажа.

АЧХ K=F(f)Uвх=c


ФЧХ

АЧХ

Частоты на которых наблюдается понижение (заваливание) АЧХ в 21/2 раз (3 дБ) называются граничными fн гр, fв гр. Это объясняется свойством человеческого уха – низкие звучания > 3 дБ не различают четко.

полоса пропускания Y

П=fв гр- fн гр

ФЧХ

… - идеальная линейная характеристика – один и тот же временной сдвиг (тау)


получает любая гармоника сложного входного сигнала.


Нелинейные ФЧХ указывают на различные временные сдвиги для разных гармоник входных сигналов сложной формы.


Различия между (фи) идеального и реального усилителей на этих f.

Y – относительній коєффициент усиления,


Uвх=const

М=1/Y - коэффициент частного искажения

2.2.1.3 Однокаскадные усилители на БТ с ОЭ

Простейший усилитель– усилительный каскад содержит нелинейный управляемый элемент УЭ (БТ или ПТ) , источник питания Е , R в выходной цепи .

Структурная схема усилительного каскада

Усилительный каскад с ОЭ

Схема замещения

Усилительного каскада на БТ с ОЭ



R>>h11, RH<<Rk,

Температурная стабилизация режима покоя

У с ОЭ

УК с ОЭ . Эмиттерный повторитель.



Многокаскадные усилители

Для многих устройств пром. эл. требуются усилители с высокими Ки – используют многокаскадный усилитель в том числе с резистивно-емкосной связью.

Схема замещения

С0вх2м=(1+Кик2

\

Емкость коллекторного перехода


Эквивалентная схема замещения УК с ОЭ


Т.к. в усилителях имеются частотнозависящие элементы, то Ки зависит от f \

Квазирезон f

на НЧ на к оказывает влияние Сс , с понижением f хс Uxc Uвых

Ки

На ВЧ влияет С0

ХС0 на НЧ >>Rвх на НЧ не влияет

На ВЧ ХС0 соизмеримо с f ХС0 шунтование Rвх Ки

АЧХ

Лекция № 13

2.2.2. Обратные связи в усилителе

Обратной связью (ОС) называют передачу сигнала с выхода на его вход.

Блок-схема усилителя с ОС:

 


Ůвх Ůвых

Ůист
К

Ůос = β • Ůвых

β

β – коэф. передачи цепи ОС

А. Классификацируются ОС

· специально организуемые для улучшения параметров усилителя

· паразитные, возникают независимо от желания разработчика.

По способу снятия сигнала ОС с выхода:

А) по U

Б) по I

В) смешанная

А)

Б)

По способу подачи на вход

а)параллельнaя

б)последовательная

в)смешанная

Последовательная ОС по U

последовательная ОС по I

параллельная ОС по U

ОС бывают положительные и отрицательные

ПОС → Ůвх = Ůист + Ůос

ќ = кеJ×j

β = β еJ×j φкβ = 2πn

ООС Ůвх = Ůист - Ůос

φк + φβ = (2n +1)π

2.2.1.4

Влияние ОС на основные технические показатели усилителя

А. Коэффициент усиления

пусть φк ≈ 0

φβ ≈ 0

ООС

Uвх = Uи - Uос

Uос = β Uвых

Uвых

к=--------

Uвх Uвых

--------

Uвых Uвых Uвых Uвх к

Kβ = ---------- = -------------- = ------------------ = ----------------------- = ----------

Uи Uвх + Uос Uвх + β Uвх Uвх Uвых 1+βk

------- + β ---------

Uвх Uвх

1+βk = A – глубина ОС

βk – петлевое усиление

к

коос = -----

A

ПОС

к

Kβ = --------- - усилитель превращается в генератор

K

т.к. βk < 1; ------------- > 1

K

Б. Стабильность коэффициента усиления

В. Входное сопротивление

UВХ ООС = UИ + UОС

UОС = K×b×UВХ

RВХ ООС = RВХ×(1+b×K)

Г. Выходное усиление

ООС по I

ПОС по U

при ООС по U Uвых меньше подвержено изменению при изменении Iвх (т.к. ООС уменьшает нестабильность коэффициента усиления) что соответствует ↓ Rвых

Rвых

RвыхООС по U = --------------

K

вводят для обеспечения меньшей зависимости Uвых при изменяющемся Rн.

Д. Амплитудная характеристика Е. АЧХ

Т.О. ООС

Уменьшает К в раз;

Стабилизирует коэффициент усиления при изменении параметров транзисторов, снижает уровень нелинейных искажений;

3. Последовательная ООС увеличивает RВХ, ООС по U уменьшает RВЫХ.

ООС нашла преимущественное применение в усилителях

ПОС скорее нежелательна в усилителе, но она может возникнуть через внутренние или внешние электрические связи. Она называется паразитной и может возникнуть через общие цепи питания усилительных каскадов и паразитные взаимоиндуктивности или емкость между выходными и входными цепями усилителя.

Наличие паразит. ПОС вызывает изменение АЧХ усилителя из-за ↑ коэффициента на отдельных участках частотного диапазона или может пожет привести к самовозбуждению усилителя, т.е. возникн на определенном f в нем генерации.

Борьба → по цепи питания устанавливают развязывающие фильтры RфCф, отделяющие цепи питания вход каскада от выход по ~ току.

· конструкт применение, исключающее близкое расположение вх и вых каскадов и применение длинных соединит проводов

· использование экранирование каскадов и монтаж экранирован проводом.

2.2.3 Усилители постоянного тока

 

Усилители, имеющие равном. АЧХ до самых низких частот. (УПТ)

В многокаскадных УПТ не могут быть использованы реактивные элементы связи (R,C). Спад АЧХ в области ВЧ появляется за счет паразитных емкостей каскадов, также как и в усилителе с RC связями.

Возникают трудности связанные с отделением усиливаемого сигнала от Uпит. пост. сост. U и I.

Как и в усилителе с RC связями в УПТ должны выполняться следующие требования:

  1. Uвх = 0 → Uвых = 0
  2. При изменении знака Uвх должен измен. знак Uвых
  3. Uн ~ Uвх.

И 3 требование выполняется при работе усилителя в режиме А

1 условие – необходимо отделить полезный сигнал от U питания.

Это производится компенсационным методом

А) УПТ компенсационные с 1 источника питания.

Б) Компенсационные УПТ с 2-мя источниками питания

УПТ с одним источником питания

Состоит из обычного УК

.

Потенц. средних точек делителей таковы, что при отсутствии Uвх φб = φ1, φк = φ2. Ток во входной цепи отсутствует и ток в нагр отсутствует. Для точной подстройки режима → R5

Rэ – для t° стабил.

ООС – для ↑ полосы проп.

Дрейф нуля в УПТ

Специфич недост который определяет нижний предел усиливаемого U.

Всякое изменение U0, Uбо из-за нестабильности источников питания, старения транзисторов, изменения температуры окружающей среды и т.д. не отличается… Наблюдают дрейф нуля УПТ при замкнутом Uвх на выходе милливольтметра. С… !!!! (график)

Дифференциальный УПТ

(балансный)

Построен по принципу четырехплечего моста.

Если мост сбалансирован !!! то, при изменении Eк баланс не нарушается и в нагрузочном резисторе Rн = 0. При пропорциональном изменении сопротивления R1,R2 или R3,R4 баланс тоже не нарушается.

Если заменить R2,R3 транзисторами, получим дифференциальную схему, часто применяемую в УПТ

Сопротивление R2 и R3 равны. Режимы работы T1 и T2 одинаковы. T1 и T2 выбирают со строго идентичными параметрами.

Лекция №14

2.2.4 Операционные усилители.

- усилитель постоянного тока с большим К, имеющий дифференциальный вход(2 вх. вывода) и один общий выход.

Предназначен для выполнения различных операций над аналоговыми величинами (сложение, вычитание, интегрирование и др.). В последнее время ОУ играют роль многоцелевых элементов при построении аппаратуры самого различного назначения. Применяется в усилительной технике, устройствах генерации сигналов синусоидальной и импульсных форм, стабилизаторах и активных фильтрах и т.д.

Условное обозначение

Условное графическое обозначение интегрирующих микросхем К140УД8

- инвертирующий вход ( - )

- неивертирующий вход ( + )

При подаче U на определённый вход, выходное U или совпадает по фазе, или противоположны по фазе U входное.

Основу ОУ составляет дифференциальный каскад в качестве входного усилителя. Выходным каскадом ОУ обычно служит ЭП обеспечивающий требуемую нагрузочную способность всей схемы.

Необходимое значение К достигается с помощью дополнительных усилительных каскадов между дифференциальных усилителей и ЭП(2,3 каскада).

ОУ характеризующиеся

- усилительными

- входными

- выходными

- энергетическими

- дрейфовыми

- частотными

- скоростными параметрами.

Важнейшими характеристиками является амплитудные (передаточные) характеристики.

Горизонтальные участки соответствуют режиму полностью открытого (насыщенного) либо закрытого транзистора выходного каскада ОУ (ЭП).

Наклонный (линейный) участок – пропорционально зависим U =f(U ). Угол наклона характеристики определяется :

К =

Значение К составляет от нескольких сотен до сотен тысяч. Большое значение К позволяют при охвате ОУ глубокой ООС получать схемы со свойствами, которые зависят только от параметров цепи отрицательной обратной связи.

Состояние, когда U =0 при U =0 называется балансом ОУ. И для реальных ОУ обычно не выполняется.

U - напряжение смещения, при котором U =0. Входное напряжение смещения нуля:

U =

Основная причина разбаланса – разброс параметров элементов дифференциального усилителя в частности транзисторов. Зависимость от t параметров ОУ вызывает температурный дрейф входного U смещения и температурный дрейф выходного U.

Основные параметры входящих цепей ОУ зависят от : R , I , , дрейф токов смещения, максимальный входящий дифференциал напряжения.

Схемы используемого дифференциального входного каскада.

Ввиду наличия U и I ОУ приходится дополнять элементами их начальной балансировки.

U - напряжение, подаваемое между входами. U =U -U

Вх

Для исключения повреждения транзисторов дифференциального усилителя

Выходные параметры : R

U

I

E =3 15 В, P

Частотные параметры определяются по АЧХ.

F - частотная среда спад АЧХ объясняется частотной зависимостью параметров транзисторов и паразит. емкостей ОУ.

f - частота, на которой К =1 называется частотой единичного усиления

F - граничная частота по ней оценивают полосу пропускания частот ОУ. Десятки мегагерц.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывает ООС. Высокие качества параметров ОУ позволяют при расчете принимать

К

К

R

2.2.4.2 Примеры схем на ОУ:

  1. Инвертирующий усилитель

Параллельно ООС поU

Для узла 1 R

I =I =0

тогда I =I

=

При К напряжение на входе ОУ U =

В связи с чем =-

К = =-

Выбор R =R когда К =-1 придает схеме свойство инвертирующего повторителя напряжения (инвертора сигнала).

Т.к. U ; R =R ; R =

Неинвертирующий усилитель.

Содержит последовательное ООС по U

В силу равенства напряжение между входами U (К )

U =U

К =1+

при R =0 и R = - схема повторителя

ЭП

R неинвертирующего усилителя R = R по неинвертирующему входу велико; R

Преобразователь тока в напряжение.

I =I =- ;

U =- I *R

Малое R и R - важное преимущество схемы при ее использовании для преобразования тока источника сигнала в напряжение.

Инвертирующий сумматор.

R =R =R =-R <<R

При I =0

I =I +I +…+I

U =-(U +U +…+U )

Суммирование может производится и с разными коэффициентами для каждого слагаемого

U =-( U + +…+ )

Неинвертирующий сумматор.

При U =0

U =U = U

U - напряжение на неинвертирующем входе

U - напряжение на инвртирующем входе

Т.к. R , I

+ +…+ =0

U +U +…+U =n U

U = (U +U +…+U )

Выбор параметров производят, исходя из равенства единице первого сомножителя в правой части выражения

=1

Интегратор.

R , Ic=Ir

-C =

U =-

где U - выходное напряжение при t=0

Изменение выходного напряжения при наличии единичного скачка на входе

т.к. при t=0 U и U , то U =-

при =RC=1c интегрирование осуществляется в реальном масштабе времени.

Масштаб интегрирования выбирают так, чтобы к концу проведения этой операции U не достигло предельного значения U . В противном случае интегрирование будет выполнено неверно.

На основе интегратора строятся генераторы линейно изменяющегося напряжения.

Дифференцирующий усилитель.

U =-Rс

 


Лекция№15

2.2.5 Генераторы гармонических колебаний(АГ).

Это устройство, преобразующее энергию источника питания в источник идеальных синусоидальных колебаний.

Структурная схема

Это усилитель, охваченный положительной О.С. при петлевом усилении

Условия, обеспечивающие в АГ незатухающие колебания

т.к. К и В – комплексные величины,

2 условие – условие баланса амплитуд

Условие баланса фаз

Условие баланса амплитуд означает, что потери энергии в АГ восполняются энергией от источника питания с помощью цепи с положительной О.С. (П.О.С.)

Условие баланса фаз – что в схеме существует П.О.С.

Появившиеся по какой либо причине на входе Y слабые колебания усиливаются Y в К раз и ослабляются в раз цепью ОС снова попадают на вход Y в той же фазе, но с большей амплитудой.

Далее процесс повторяется, что соответствует:

По мере роста амплитуды Uвх Y из-за нелинейности его амплитудной характеристики, которая при больших Uвх имеет участок насыщения К начинает уменшаться и становятся равным 1

При этом появляються колебания с постоянной и автоматически поддерживаемой амплитудой, что соответствует установившемуся режиму автоколебаний.

Причём min нелинейные искажения сигнала при

В цепи ОС должен быть частото-зависимый элемент (схема).

Если условие баланса выполняется для одной частоты, то колебания возникнут на этой частоте.

АГ могут быть: RC или RL автогенераторы

1) RC – АГ в качестве цепи ОС используют мост Вина, 3-х звенные RC или CR цепи.

Трудноперестраеваемые, обычно выдают колебания на одной фиксированной частоте.

RC – АГ строятся для частот 10Гц – 10мГц. Их преимущества (малые габариты и стоимость) перед LC – АГ проявляются на низких частотах.

2) LC – АГ используют в цепи ОС

LC – колебательный контур

АГ с кварцевой стабилизацией используют в качестве резонатора пластину кварца

Строятся на фиксированной частоте

Схема RC АГ на операционном усилителе с мостом Вина.

 
 

На частоте квазирезонанса

При

К. усилителя д. б. . Чтобы уменьшить К. до 3-х усилитель обычно охватывают ООС ( )

- терморезистор с отрицательной характеристикой

С ток через , его глубинно - это амплитудозависим. малое.

2) LC – АГ на операционном усилителе:

LC АГ с последовательным питанием.

Обладает большим КПД и большой мощностью генерируемых колебаний

LC – АГ с индуктивной ОС

LC контур включен последовательно с транзистором относительно Eк.

LC – АГ с параллельным питанием.

LC- контур включают через разделительный конденсатор параллельно транзистору.

LC- контур находится под более низшем напряжением меньше габариты конденсатора.

Lдр- дроссель предотвращает К.З. контура по переменной составляющей через Ек.

Разновидности АГ с параллельным питанием – трёхточки, ёмкостная и индуктивная.LC контур включают 3-мя точками, что позволяет снимать сигнал с контура.

LC – АГ – ёмкостная трёхточка

- момент резонанса

LC – АГ – индуктивная трёхточка

Условие баланса фаз выполняется благодаря тому, что Uк (усилителя) и Uос по отношению к (-Ек) в противофазе.

Условие баланса амплитуд – регулированием

Для уменьшения нелинейных искажений применяют контуры с высокой добротностью ., вводят ООС.

Чаще применяется индуктивная трёхточка, в качестве С применяют варикап. Генераторы с кварцевой стабилизацией Применяют кварцевые резонаторы что позволяет уменьшить относительную нестабильность частоты(10-8)

Носит индуктивный характер.

Может быть использован как С или L.

можно включить в цепь ПОС как послед. колебательный контур.

Применяют на строго фиксированной частоте.

Лекция № 16

2.2.6 Выпрямители

В. называется устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.

  Тр   В   СФ   СН …  

Рассматр. маломощные выпрямители (с потр. Р нагр. до сотен ватт), (для питания постоянным током различных схем и устройств промышленной электроники.

При этом задачу преобразования электр. энергии ~ тока в пост. решают при помощи однорофазныхных выпрямителей, питающихсяся от однофазной цепи переменного тока.

Наиболее распространёнными источниками воричного питания являются источники, преобразующие энергию сети ~ тока частотой 50 Гц.

Выпрямители малой и средней мощности обычно бывают однофазными, большой мощности – трёхфазные.

По форме выпрямители сигнала В м.б. однополупериодными , двухполупериодными

На работу выпрямителя оказывает влияние вид нагрузки:

- активная

- активно-индуктивная

- активно-емкостная

- противо э.д.с.

выпрямители малой мощности обычно работают на активную и активноемкостную нагрузку ,средней и большой мощности – на активноиндуктивную.

Нагрузки с противо э.д.с. имеют выпрямитель, когда питает двигатель постоянного тока или используется для зарядки аккумуляторов.

2.2.6.1 Схема однополупериодного однофазного выпрямителя

При работе на чисто активную нагрузку

 

 

Считаем r2ТР ≈ 0

rпр Д = 0

rД обр = ∞

Основные параметры выпрямителей.

Выпрямители

 

- мощность нагрузочного устройства

Umax n амплитуда основной гармоники выпрямленого U (Umax пульсаций)

- коэффициент пульсаций U.

Мощность трансформатора - S1, S2 -действительные значения мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора.

К.п.д. , где Ртр – потери в трансформаторе

РД – потери в диоде

Для однополупериодных выпрямителей

.

Преимущество - простота

Недостатки

- большой к-т пульсаций ,малое выпр. U

- max i2 имеет пост. составляющую которая вызывает подмагничивание сердечника тр-ра -↓ индуктивности обмоток тр-ра →↑ ток х.х →↓ к.п.д.В

Применяют для питания высокоомных нагруз. устр-в (электронно-лучевых трубок) допускающих большие пульсации

P ≤ 10 – 15 Вт

Осн. Элемент выпрямителя – диод для ↑ η UД пр д.б. min

Предельные электрические параметры диода

Uобр . max , Iпр. max, соотв. Iвыпр. max

fmax –в случае ↑ f > fmax диоды теряют вентильные свойства.

В настоящее время выпуск. n/n столбы Д1004, Д1005, 1Ц, 10Ц.

- выпр. столб – группа послед. соед. диодов , помещённых в один корпус. Такие столбы выдерживают Uобр. до 15кВ.

Двухполупериодный выпрямитель мостового типа

 

 

 

Uобр max = U2m

P = 0,67

Преимущества -Uон > Uон однополуп. В 2 раза

Iон> Iон

P <

Uобр. max = U2max к каждому Д. как и в однополупериодном выпрямителе.

Выпуск. n/n выпр. блоки – мосты

Один КЦ 402

два электр. не соединённых моста КЦ 403

Двухполупериодные выпрямители со средней точкой

- Сочетание 2-х однополупериодных выпрямителей , вкл. на один и тот же Рн

 

 

 

Те же преимущества , что и у выпрямителей мостового типа за исключением Uобр. max , которое опред. Uab

Uобр. max =πUОН =2U2m

Недостаток – габариты , масса и стоимость трансформатора больше , но в 2 раза меньше диодов.

2.2.6.4 Сглаживающие фильтры

 

С.Ф. называется устройство , предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямления напряжения.

Выпр. U является пульсирующим , в котором можно выделить постоянные и переменные составляющие.

К-т пульсаций p – однополупериодный = 1,57

однофазный – 0,67

трёхфазный выпрямитель с нейтральным выводом – 0,25

трёхфазный выпрямитель мост. типа 0,057

К-т пульс. U питания для электронных устройств не должен превышать 10-2 - 10-3, для выходных усилит. каскадов 10-4- 10-5 , автогенераторов

10-5- 10-6.

С.Ф. ставят между выпрямителями и стабилизатором пост.U.

Основные эл-ты С.Ф.- конденсаторы , индуктивности , транзисторы , сопротивления которых различны для постоянного и переменного тока.

Осн. параметр , хар-ий индуктивность С.Ф. является коэффициент сглаживания - относительный коэф. пульс. на входе и выходе.

Кроме того фильтры должны иметь min падение пост. U на эл-ах ,min габариты , массу и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают

- индуктивные - электронные фильтры. По количеству звеньев – однозвенные и многозвенные.

Многозвенные

 

 

 

Применяются , если не выполняются предъявленные требования с помощью однозвенных фильтров.

Более сложны , но обеспечивают большее падение коэф. пульсаций.

В маломощных выпрямителях вместо Lф включают Rф , создаётся большее падение U от переменных составляющих выпр. U , чем на Rн.

При Rф из соотношения

Падение пост. составл. на Rф будет min.

Коэффициент сглаживания RC фильтра меньше , чем LR.

П-обр. фильтры

 

Многозвенные

q = qc . qc - произв. коэф. сглаживания составных фильтров

CRC , CαC

Электронные фильтры

Вместо катушки индуктивности включается транзистор.

 

- последовательный электронный фильтр

Позволяет избавиться от переходных процессов , отрицательно влияющих на работу нагрузки и самого выпрямителя , ↓ габариты , масса, стоимость.

Внешние характеристики выпрямителей

Uн = f(Iн)

Так как в реальном выпрямителе Rд пр ≠ 0

Rтр ≠ 0

 

 

2.2.6.8 Стабилизаторы U и I

Устройства , автоматически обеспечивающее поддержание U(I) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

- Изменение U промышленных сетей переменного тока от +5 до -15% в соответствии с ГОСТ.

- Изменение температуры окружающей среды.

- Колебание f тока.

Современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего U (0,1-3)% и меньше.

Так для УПТ – 10-4

Стабилизаторы классифицируются:

1) По роду стабилизированной величины – стаб. U , стаб. I

2) По способу стабилизации – параметрические

- компенсационные.

Основной параметр – коэффициент стабилизации Кст.U. , Кст I.

 

Внутреннее сопротивление стабилизатора Riст. позволяет опред. падение U на стабилизаторе.

Параметрический стабилизатор U и I    

БС - блок сравнения (параметр . стабилизатора);

У - усилитель постоянного тока;

РЭ – регулирующий элемент

Т1

 

Rрег

 

Rб Rн ↑Uвых

↑Uвх

Uоп

Д

 

Схема компенсац. стаб. U на онерационном усилителе.

БС – Д , Rб , Rрег. – параметр. стат. U

РЭ – транзистор Т1

Происходит непрерывное сравнение Uн с U опорным , создаваемым параметр. стабилизат. при ↑Uвх → Uн ↑ , часть Uн с Rрег. сравнивается с, Uоп. снимаемым с парам. стабилизатором так как Uоп. = const , Uвых. ОУ ↓ → UкБТ1↓→ R Т1 ↑→U Т1 ↑→ Uн

Промышленностью выпускается в интегральном исполнении -компенсационные стабилизаторы непрерывного действия серии К142

К275 - Uст. 1- 24 В

К181 - Uст. -3 – 15В.

 

 

– Конец работы –

Используемые теги: Лекция, Электротехника, основы, электр0.07

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Лекция №1 Электротехника и основы электроники

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Еще рефераты, курсовые, дипломные работы на эту тему:

Лекции 1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КАТЕГОРИЯ ИНФОРМАТИКИ. 2 ЛЕКЦИИ 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ. 12 ЛЕКЦИЯ 3. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ. 20 ЛЕКЦИЯ 4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ.. 49 Широко распространён также англоязычный вар
gl ОГЛАВЛЕНИЕ... Лекции ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КАТЕГОРИЯ ИНФОРМАТИКИ... ЛЕКЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ...

Учебная программа курса. 4. Лекция 1. История психологии как наука. 5. Лекция 2. Античная философия и психология. 6. Лекция 3. Развитие психологии в Средневековый период. 19. Лекция 16. Тревога и защита
Введение... Учебная программа курса... Рабочая программа курса Лекция История психологии как наука...

ЛЕКЦИЯ № 1. Факторы выживания в природной среде ЛЕКЦИЯ № 2. Обеспечение водой ЛЕКЦИЯ № 3. Обеспечение питанием ЛЕКЦИИ по ОБЖ
КЛАСС Содержание Стр I четверть ЛЕКЦИЯ Факторы выживания в природной среде ЛЕКЦИЯ... ЛЕКЦИЯ Факторы выживания в природной... ЛЕКЦИЯ Обеспечение питанием...

Лекция первая. ИСТОРИЯ СОЦИОЛОГИИ КАК ОБЛАСТЬ ЗНАНИЯ Лекция вторая. ИЗ КАКИХ ИДЕЙ РОДИЛАСЬ СОЦИОЛОГИЯ: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИСТОКИ НОВОЙ НАУКИ Лекция третья. СОЦИОЛОГИЯ ОГЮСТА КОНТА ЛЕКЦИИ
Оглавление... ОТ АВТОРА... Лекция первая ИСТОРИЯ СОЦИОЛОГИИ КАК ОБЛАСТЬ ЗНАНИЯ Лекция вторая ИЗ КАКИХ ИДЕЙ РОДИЛАСЬ СОЦИОЛОГИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИСТОКИ НОВОЙ НАУКИ...

Основы планирования. Теоретические основы управления проектами. Основы планирования. Планирование проекта в MS Project 7
Использованная литература В В Богданов Управление проектами в Microsoft Project Учебный курс Санкт Петербург Питер г...

Лекция №1.Теоретические и методологические основы финансового менеджмента. Лекция рассчитана на 4 часа. 1.Цели и задачи финансового менеджмента в деятельности хозяйствующих субъектов. Условия реализации финансового менеджмента
Лекция Теоретические и методологические основы финансового менеджмента Лекция рассчитана на часа... Цели и задачи финансового менеджмента в деятельности хозяйствующих субъектов Условия реализации финансового...

Предмет Электротехника и промышленная электроника и его задачи. Обзор развития промышленной электроники
Введение... Предмет Электротехника и промышленная электроника и его задачи... Обзор развития промышленной электроники...

Основы электротехники и электроники
ЧОУ ВПО ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА г КАЗАНЬ... Факультет менеджмента и маркетинга...

Методическое пособие для практических (семинарских) занятий по дисциплине «Электротехника и электроника. Электротехника»
для практических семинарских занятий... по дисциплине Электротехника и электроника Электротехника... для направления подготовки Информатика и вычислительная техника...

ЛЕКЦИИ Лекция первая.ИСТОРИЯ СОЦИОЛОГИИ КАК ОБЛАСТЬ ЗНАНИЯ Лекция вторая. ИЗ КАКИХ ИДЕЙ РОДИЛАСЬ СОЦИОЛОГИЯ: ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ИСТОКИ НОВОЙ НАУКИ Библиотека
Библиотека... Учебной и научной литературы...

0.045
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • По категориям
  • По работам