Электронные устройства. Задача Поясните принцип параметрической стабилизации на примере работы стабилитрона
 Скачать 1.74 Mb.
|
ЗАДАНИЕ 1 Задача 9. Поясните принцип параметрической стабилизации на примере работы стабилитрона. В большинстве случаев радиоэлектронные устройства требуют для своей работы стабильного напряжения, которое не должно зависеть от колебаний сетевого напряжения, а также от изменения тока в нагрузке. Для стабилизации напряжения применяются параметрические и компенсационные стабилизаторы. Действие параметрических стабилизаторов основано на использовании нелинейности вольт-амперной характеристики некоторых элементов. В схемах параметрических стабилизаторов постоянного напряжения используются полупроводниковые кремниевые стабилитроны (при напряжении до 180 В), а также газонаполненные стабилитроны тлеющего и коронного разряда (при напряжениях выше 80 В). Схемы включения указанных стабилитронов приведены на рисунке ниже (рисунок 2). Рассмотрим типовую вольтамперную характеристику стабилитрона (рисунок 1). При включении стабилитрона в прямом направлении его характеристика напоминает характеристику обычного кремниевого диода. При включении стабилитрона в обратном направлении (на аноде - «минус», на катоде - «плюс») ток через него вначале растёт очень незначительно, но при определённом значении напряжения возникает «пробой» - режим, при котором незначительное приращение напряжения вызывает значительный ток через стабилитрон (вертикальный участок обратной ветви). Напряжение пробоя называется напряжением стабилизации. В начале пробоя через стабилитрон протекает ток Iст.мин. Чтобы стабилитрон не вышел из строя, ток через него ограничивают с помощью резистора до значения Iст.макс. При изменении тока через стабилитрон от минимального до максимального значения напряжение на нём остаётся практически постоянным.  Рисунок 1 – Вольтамперная характеристика стабилитрона. Схема представляет делитель напряжения, состоящий из балластного (гасящего) резистора Rб и стабилитрона V, параллельно которому подсоединено сопротивление нагрузки Rн. При изменении напряжения питания U изменяется ток через резистор. Стабилитрон принимает эти токовые изменения на себя: изменяется ток, проходящий через него, а напряжение на нём, а значит и на сопротивлении, нагрузки остаётся без изменения. Если будет изменяться сопротивление нагрузки, то ток через стабилитрон также будет изменяться, а напряжение на нагрузке не изменится.  Рисунок 2 – Схемы параметрических стабилизаторов напряжения Схема представляет делитель напряжения, состоящий из балластного (гасящего) резистора Rб и стабилитрона V, параллельно которому подсоединено сопротивление нагрузки Rн. При изменении напряжения питания U изменяется ток через резистор. Стабилитрон принимает эти токовые изменения на себя: изменяется ток, проходящий через него, а напряжение на нём, а значит и на сопротивлении, нагрузки остаётся без изменения. Если будет изменяться сопротивление нагрузки, то ток через стабилитрон также будет изменяться, а напряжение на нагрузке не изменится. При повышении напряжения питания ток через стабилитрон резко возрастает, что приводит к увеличению падения напряжения на ограничивающем резисторе R, а выходное напряжение остается почти неизменным. При изменении напряжения питания приращение напряжения на резисторе R равно приближенно приращению входного напряжения. При изменении тока нагрузки, например увеличении, ток через стабилитрон уменьшается, а суммарный ток через резистор R остается величиной неизменной. В обоих случаях выходное напряжение стабилизатора изменяется незначительно. Основным параметром всех стабилизаторов является коэффициент стабилизации К, представляющий собой отношение относительных изменений входного и выходного напряжений стабилизатора:  где nст = Е0/Ест; Iст – ток через стабилитрон; R – ограничивающее сопротивление; Rдин –динамическое сопротивление стабилитрона. Rдин определяется из вольт-амперной характеристики стабилитрона по формуле  При выборе стабилитрона рекомендуется, чтобы ток нагрузки схемы стабилизатора Iн не превышал 70 – 80% максимально допустимого тока через стабилитрон, указанного в справочниках. Для расчета схемы стабилизатора должны быть заданы:
Для увеличения выходного стабилизированного напряжения стабилитроны включают последовательно. Если последовательно включены стабилитроны разных типов, то значения Iст.макс и Iст.мин должны лежать в пределах, допустимых для любого из включенных стабилитронов. В этом случае в вышеприведенных формулах значение Ест представляет собой сумму напряжений стабилизации всех последовательно включенных стабилитронов, а Rдин – сумму динамических сопротивлений всех стабилитронов. Для облегчения зажигания последовательно включенных стабилитронов тлеющего разряда рекомендуется часть из них шунтировать сопротивлениями 0,1 – 1 МОм. Для увеличения коэффициента стабилизации применяются двухкаскадные схемы параметрических стабилизаторов, расчет которых производится по приведенным формулам для каждого каскада в отдельности. В случае необходимости можно использовать напряжение первого каскада Ест1, имеющего невысокую стабильность, для питания дополнительной нагрузки Rн1 (рисунок 2). Током нагрузки первого каскада является сумма Iн1общ = Iн1 + Iн2 + Iст2 Коэффициент стабилизации схемы равен произведению коэффициентов стабилизации каждого каскада К = К1К2. Рассмотренные схемы стабилизаторов постоянного напряжения обладают также сглаживающим действием. Коэффициент пульсации на выходе схемы kп1 уменьшается в К раз по сравнению с коэффициентом пульсации на входе kп0. Это справедливо в тех случаях, когда частота пульсации выпрямленного напряжения (mf) не влияет на динамическое сопротивление Rдин стабилитрона. У стабилитронов тлеющего и коронного разряда динамическое сопротивление растет с повышением частоты. Заметный рост начинается при частотах 200 – 300 Гц. Для температурной компенсации напряжения кремниевых стабилитронов используют такие же стабилитроны или германиевые диоды, включаемые в прямом направлении последовательно с основными стабилитронами. При прямом включении температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилитронов и диодов становится отрицательным, что позволяет осуществить температурную компенсацию основных стабилитронов, включенных в обратном направлении и имеющих положительный ТКН. При этом абсолютное значение суммарного ТКН диодов и абсолютное значение ТКН основного стабилитрона должны быть примерно равны. У кремниевых стабилитронов и диодов, включенных в прямом направлении, ТКН составляет – (1,4-1,7) мВ/°С, а у германиевых диодов – (1,5-1,9) мВ/°С. Регулируя дополнительный токIдоп, проходящий через компенсирующие диоды, можно в небольших пределах изменять их ТКН. Основными недостатками параметрических стабилизаторов напряжения является:
Задача 19. Нарисовать схемы выпрямления (одно, двухполупериодную и мостовую) и характер входного и выходного напряжений. Различные типы выпрямителей сущесвуют для преобразования переменного тока в постоянный. Но все выпрямители делятся на два главных типа: однополупериодные и двухполупериодные. Ярчайшим представителем двухполупериодной схемы является схема мостового выпрямления. Такой выпрямитель может состоять из четырёх отдельных диодов или быть в монолитном корпусе с четырьмя выводами, внутри которого находятся всё те же четыре диода. Двухполупериодной эта схема называется потому, что на выходе используются обе половины каждого периода колебания переменного тока.   Рисунок 3 – Схема двухполупериодного выпрямителяСуществует ещё одна схема двухполупериодного выпрямления, так называемая двухполупериодная со средней точкой, имеющая на выходе такую же диаграмму. Она значительно менее популярна, хотя там и используется всего два диода вместо четырёх. Но зато там используется двойная вторичная обмотка с отводом от середины. Этот средний вывод обмотки используется как ноль, а с двух других обмоток ток идёт через свой диод. Диоды подключены одинаково и соединяются между собой либо катодами, либо анодами. Использовать четыре диода вместо двух значительно проще, чем делать двойную обмотку на трансформаторе. Однополупериодная схема выпрямления подразумевает в качестве выпрямителя всего один диод. Поэтому на выходе такого выпрямителя из двух полупериодов остаётся только один. Отсюда и название - однополупериодная.   Рисунок 4 – Схема однополупериодного выпрямителя Такие пульсации довольно сложно сгладить до уровня, подходящего для питания электронных схем, если только это не слаботочные схемы. В слаботочных схемах сглаживающий конденсатор в фильтре не успевает полностью разрядиться между импульсами полупериодов. Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним. Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные. Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки. На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.   Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.   Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению: Uср= Umax/ π = 0,318 Umax, где: π - константа равная 3,14. Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток. Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная. Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.   Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В». Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю. Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.  По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно. Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению: Uср= 2*Umax/ π = 0,636 Umax, где: π - константа равная 3,14. Задача 29. Источник постоянного напряжения 11 В соединен последовательно с резистором и полупроводниковым диодом для подачи на диод прямого напряжения. Каково должно быть наименьшее значение сопротивления резистора, чтобы не превысить максимально допустимый ток через диод, 50 мА?  где  – прямое падение напряжения на диоде (около 0,7 В). Ом.Задача 30 (33). Для заданной схемы выпрямителя определить для режима холостого хода постоянную составляющую (среднее значение) напряжения на выходе и амплитуду пульсаций, если входное напряжение равно U. Данные: U = 220 В, Схема выпрямителя – В (однофазная мостовая). Решение: Постоянная составляющая (среднее значение) напряжения на выходе: Uо =  = 2∙ 1,41  9 ∙ 220 = 198 ВАмплитуду пульсаций найдем из соотношения: Кп =  = 0,67,где Кп – коэффициент пульсаций выпрямителя. Отсюда: Uп макс = 0,67 Uо = 0,67∙198 = 132,7 В ЗАДАНИЕ 2 Задача 2. Нарисовать основные характеристики и указать основные параметры неуправляемых тиристоров. Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод). Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n . Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом.  а б в Рисунок 5 – Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора.  Рисунок 6 – Структура динистора При включении динистора по схеме, приведенной на рисунке 7, коллекторный p-n-переход закрыт,а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 рисунка 8). Рисунок 7 – Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора)  Рисунок 8 – Вольтамперная характеристика динистора Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. При напряжении Uвкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 рисунка 8). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора. После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении. При уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд. Напряжение Uвкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (Uупр) обычного диода. При очень больших обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора. Параметры тиристоров. 1. Напряжение включения (Uвкл) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние. 2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (Uo6p.max ) - это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров Uвкл = Uo6p.max. 3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток. 4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (Unp = 0,5÷1В). 5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности. 6. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается. 7. Время отключения – это время, в течение которого закрывается тиристор. 8. Предельная скорость нарастания анодного тока. Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой . 9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения. Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи. 10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена». 11. Управляющее напряжение отпирания – это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена». Задача 12. Назовите достоинства оптопары и отдельно взятого источника и приемника излучения. Оптрон – полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор. В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 107..108 раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что и обусловливает широкую применимость резиновых оптопар в аналогичных устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие – 0,01..1 c. В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей – тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5..50 мкс. Для некоторых оптронов это время меньше. Рассмотрим несколько подробнее оптопару светодиод-фотодиод. Условное графическое обозначение оптопары показано на рисунке 9 а:  Рисунок 9 – Графическое обозначение Излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод – в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя). Задача 24. Пояснить маркировку элементов согласно номеру своего варианта.
Задача 29. По входной характеристике транзистора (рис. 22) определить сопротивление резисторов в цепи базы (рис. 23) при условии, что ток смещения базы равен Iбс, при напряжении питания Ек . Использовать данные табл. 3. Данные: Iбс = 1,2 мА, Ек = 5 В   Решение: Для нормальной работы усилительного каскада необходимо обеспечить режим по постоянному току. Для этого рабочую точку выбирают на линейном участке входной характеристики транзистора (рис. 22). Значение тока базы Iбс = 1,2 мА отвечает этому условию. По входной характеристике определим напряжение смещения Uбс, соответствующее току Iбс = 1,2 мА: Uбс = 0,8 В (Iбс = 1,2 мА и Uбс = 0,8 В – это координаты рабочей точки на входной характеристике). В схеме рис. 23 по второму закону Кирхгофа определим значение сопротивления резистора в цепи базы: Rб =  = 5,25 кОмВыбираем ближайшее стандартное значение сопротивления резистора из ряда Е24: Rб = 5,6 кОм. Ответ: Rб = 5,6 кОм. Задача 30. Определить для указанного на рис. 24 усилителя приближенное значение коэффициента усиления по напряжению, а также входное и выходное сопротивления. Значения RК, Rб, h11, h21 указаны в табл. 4. Данные:  Rб = 4 кОм Rк = 3 кОм h11 = 500 Ом h21 = 20 Ом Решение: Входное сопротивление каскада: R вх = Rб || h11 =  =  = 444 ОмВыходное сопротивление каскада: R вых =  ≈ Rк = 3 кОмКоэффициент усиления по напряжению: КU = -  = - h21 = - 20  = - 135Знак « - » указывает на то, что рассмотренный усилительный каскад изменяет фазу входного сигнала на 180 градусов. ЗАДАНИЕ 3 Задача 2. Коэффициент усиления каскада К0=50. Как изменится усиление при введении ООС с  =0,02?Количественно действие отрицательной обратной связи характеризуется коэффициентом А, который показывает, во сколько раз отрицательная обратная связь уменьшает усиление усилителя: A = 1 + βKо=1+50*0,02=2 Задача 12. Рассчитать Кu трехкаскадного усилителя, если К1= 10 ДБ , К2 = 20 ДБ, К3= Кu=10+20+20lg1000=10+20+60=90 ДБ Задача 22. Определить коэффициент нелинейных искажений (гармоник) КГ , если на выходе усилителя появляются гармонические составляющие напряжения U2m=5mВ, U3m=3,3 mВ. Амплитуда первой гармоники выходного напряжения U1m=100mВ.  0,06Задача 38. Определить частоту максимального усиления избирательного усилителя с симметричным 2-Т мостом, если R = 10 КОм; С=0,5 мкФ.  ГцЗАДАНИЕ 4 Задача 1 Исходные данные для варианта 18: На основе операционного усилителя (ОУ) проектируется неинвертирующий усилитель низкой частоты с коэффициентом усиления напряжения равным 100, минимальное входное напряжение 5 мВ. Решение: 1 Схема неинвертирующий усилитель низкой частоты с заданными характеристиками приведена на рисунке 10.1.  Рисунок 10.1 – Схема усилителя Входное напряжение подается на канал А осциллографа, выходное – на канал В. 2. Для коэффициента усиления равного 100 необходимо выполнение соотношения R2/R1=100. Зададимся величиной сопротивления R1=1 кОм, тогда сопротивление R2=100 кОм. 3. Найденные величины сопротивлений приведены на схеме. 4. Зададимся входным сигналом в виде синусоиды частотой 1 к Гц и амплитудой 5 мВ. Выходной сигнал при этом будет синусоида той же частоты, но с амплитудой 500 мВ (см. рисунок 10.2). Для возможности удобного одновременного просмотра двух осциллограмм добавлено смещение графиков по оси Y.  Рисунок 10.2 – Осциллограммы входного и выходного напряжений. Задача 2 Исходные данные для варианта 18: На основе операционного усилителя проектируется инвертирующий сумматор для выполнения заданной операции.
Сопротивление нагрузки значительно больше выходного сопротивления ОУ. Решение:
 Рисунок 11.1 – Схема сумматора
 Рисунок 11.2 – Схема сумматора с указанием токов С учетом, того входной ток ОУ iвх близок к нулю:  ,а так как ΔUвх ОУ также примерно равно нулю:  , , .Выходное напряжение ОУ равно:  +  С учетом заданных величин определим:  кОм. 
 Рисунок 11.3 – Проверка работы сумматора
 Рисунок 11.4 – Диаграмма входных и выходных напряжений Задача 3 Исходные данные для варианта 18: На основе операционного усилителя проектируется схема вычитания для выполнения заданной операции с гармоническими сигналами амплитуды которых 4 и -1. Выполнить расчет сопротивлений для обеспечения коэффициента усиления разности равного 3. Сопротивление нагрузки значительно больше выходного сопротивления ОУ. Решение:
 Рисунок 12.1 – Схема вычитания
R2/R1=R4/R3=3 Зададимся величиной R2=R4=15 кОм, тогда R1=R3=5 кОм.
 Рисунок 12.2 – Проверка Проверим правильность: 3*(2,8-0,7)=6,3. Схема работает правильно.
 Рисунок 12.3 – Осциллограммы входных и выходного сигналов Задача 4 Исходные данные для варианта 18: На основе операционного усилителя проектируется схема компаратора. На вход компаратора подается гармонический сигнал амплитудой 10 В. Функция компаратора и значение опорного напряжения: Если Uвх Uоп, то на выходе -1 (-Uпит.) Uоп=6 В Сопротивление нагрузки значительно больше выходного сопротивления ОУ. Решение:
 Рисунок 13.1 – Схема компаратора
 Рисунок 13.2 – Осциллограммы входного и выходного сигналов
 Рисунок 13.3 – Передаточная функция |