Принципи побудови найпростіших електронних пристроїв

Зміст Вступ

Завдання 1

Завдання 2

Завдання 3.1

Завдання 3.2

Список використаної літератури

Вступ Контрольна робота з розрахункових завдань по дисципліні «Комп'ютерна електроніка».

Метою виконання розрахункових робіт є необхідність практичного застосування отриманих теоретичних знань про властивості, характеристики та параметри сучасних електронних приладів, принципах побудови найпростіших електронних пристроїв, самостійне вивчення властивостей приладів і способів розрахунку схем, одержання навичок роботи з довідковою літературою, а також перевірка ступеня оволодіння матеріалом курсу.

Для успішного рішення задач необхідно вивчити влаштування, принцип роботи, параметри, вольтамперні характеристики напівпровідникових діодів, біполярних та польових транзисторів. Необхідно знати режими роботи і властивості основних схем включення цих приладів. Цей матеріал викладений у [1, 2, 4]. Необхідні також знання основних законів для електричних ланцюгів: закони Ома, Кірхгофа.

Завдання 1

Для схеми, приведеної на мал. 1, б і форми зміни вхідних сигналів відповідно до діаграми № 1, зобразити часову діаграму зміни вихідної напруги, якщо UВХ1 = U1, UВХ2 = U2, напруга живлення ключа Е = 40 В, R = 3,2 кОм, RН = 2 кОм. Приймаємо амплітудне значення напруги U1 U1M = 0,5; ЕК = 20 В.

Малюнок 1- Схеми діодних ключів Діаграма № 1

Рішення:

Для оцінки стану діодів визначимо напругу на анодах діодів

ЕЕКВ = ЕRН/(R + RН) = 15 В.

Параметри діода в даному випадку відповідають ідеальній моделі

(RПР = 0, RЗВ = ?),

але при визначенні вихідної напруги необхідно врахувати вплив внутрішнього опору джерел сигналу. В результаті необхідно переходити до еквівалентної схеми, розглядаючи дільник R, RН як джерело сигналу з внутрішнім опором

RЕКВ = RRН/(R + RН) = 1,23 кОм.

Для подальшого рішення задачі необхідно зобразити часову діаграму зміни напруг у схемі з врахуванням заданих і розрахованих значень напруг (мал. 2).

Малюнок 2- Ілюстрація до рішенню задачі

На часовому інтервалі 0 — t1 відкритий діод VD1 і вихідну напругу розраховуємо по формулі:

UВИХ = UВХ1 RЕКВ /(RВН1 + RЕКВ) + ЕЕКВ RВН1/(RВН1 + RЕКВ) = 1,1 В.

На часовій ділянці t1 — t2 відкритий діод VD2 і для зображення вихідної напруги на діаграмі визначимо його значення аналогічно попередньому випадкові, використовуючи числове значення UВХ2 у точці t1 (визначаємо в масштабі по діаграмі) і замінивши RВН1 на RВН2. В результаті одержуємо значення UВИХ = 6,45 В. На інтервалі t2 — t3 обидва діоди закриті і UВИХ = ЕЕКВ.

З моменту часу t3 знову відкривається діод VD1 і напруга на виході UВИХ = 1,1 В.

У випадку, якщо задано падіння напруги на відкритому діоді UОСТ, немає необхідності розраховувати RЕКВ, тому що UВИХ у цьому випадку визначається в залежності від напрямку включення діода як сума або різниця напруги на вході відкритого діода і UОСТ.

Завдання 2

Вибрати схему транзисторного ключа, розрахувати опори і побудувати часову діаграму зміни вихідної напруги при наступних даних:

транзистор КТ358А, ЕК = 9 В, UВХm = 4 В, UВИХ? 7 В, RН = 5 кОм,

г = 15, tНАВ = (20 — 50)0С, № діаграми — 1.

Малюнок 3 — Схеми ключів на транзисторах

Діаграма № 1

Рішення:

Виписуємо з довідника наступні дані транзистора:

h21Еmin = 10,

IКБЗ = 10 мкА (t = 200C),

UКЕнас = 0.8 В,

UБЕнас = 1.1 В,

провідність n-p-n.

З урахуванням того, що транзистор кремнієвий (КТ) і має відносно високий рівень порогової напруги, а також з огляду на невеликий діапазон зміни температури навколишнього середовища транзистора, вибираємо для реалізації ключа схему без джерела зсуву (мал. 3, а). Розраховуємо опір резистора RК з умови забезпечення заданої вихідної напруги:

RК = (ЕК — UВИХ)/(IКБЗmax + UВИХ/RН),

де IКБЗmax = IКБЗ (t=20)2(50 — 20)/10 = 80 мкА.

Після підстановки значень одержуємо RК = 1.35 кОм.

Опір RБ визначаємо з умови насичення ключа:

RБ = (UВХ — UБЕнас)/(гЕК/RКh21Эmin) = 2.9кОм.

Перевіряємо виконання умови відсікання: IКБЗmaxRБ? UПОР і тому що ця умова виконується, залишаємо розраховане значення опору RБ.

Для побудови часової діаграми визначаємо UВХmin, при якому транзистор виходить на межу насичення:

UВХmin = (ЕК/RКh21Эmin)RБ + UБЄнас = 3 В.

На часовому інтервалі 0 — t1, (мал. 4) коли на вході напруга відсутня, транзистор закритий і на виході ключа максимальна напруга. На інтервалі t2 — t3, коли вхідна напруга перевищує мінімально необхідне значення для насичення, транзистор насичений, і рівень вихідної напруги визначається залишковою напругою насичення UКЕнас. У проміжках часу t1 — t2 і t3 — t4 транзистор знаходиться в активному режимі і вихідна напруга повторює за формою вхідну.

Малюнок 4 — Діаграма роботи ключа

Завдання 3.1

Розрахувати підсилювальний каскад на БТ за схемою 2 (Мал.5).

Малюнок 5 — Схема підсилювального каскаду на БТ У вихідних даних до розрахункової роботи заданий тип транзистора ГТ402А, амплітуда вихідної напруги UВИХМ = 5 В, опір навантаження RН = 4 кОм, нижня частота смуги пропускання каскаду fН = 300 Гц, коефіцієнт частотних викривлень на цій частоті МН = 3 Дб.

Рішення:

Провідність транзистора p-n-p, тому використовуємо в схемі джерело живлення негативної полярності. Виписуємо з довідника наступні параметри транзистора:

h21Е = 30 — 80,

UКЕМАХ = 25 В,

IКМАХ = 0.5А

і виконуємо наступні розрахунки:

— приймаємо RК = 1 кОм;

— приймаємо UКР? 1.2 UВИХМ = 1.2*5 = 6 В;

— розраховуємо амплітудне значення струму колектора :

IКм = UВИХМ/ RН + UВИХМ/ RК = 6.25 мА;

— приймаємо IКР? 1.2 IКм = 7.5 мА. Перевіряємо умову 2IКР< IКМАХ;

— розраховуємо напругу живлення підсилювального каскаду, склавши для вихідного ланцюга рівняння згідно з 2-м законом Кірхгофа

ЕК = IКР RК + UКР + 0.2ЕК.

Відкіля ЕК = (IКР RК + UКР)/0.8 = 16.875 В.

Приймаємо стандартне значення ЕК = 18 В.

Перевіряємо умову ЕК < UКЕМАХ.

— визначаємо струм бази

IБР = IКР/ h21ЭСР = 7.5/55 = 0.136 мА

і задаємося струмом дільника

IД = 10 IБР = 1,36 мА;

— розраховуємо інші опори резисторів підсилювального каскаду:

RЕ = 0.2ЕК/ IКР = 3.6/7.5 = 0,48 кОм,

R2 = 0,2ЕК/ IД = 2,65 кОм,

R1 = (ЕК — 0.2ЕК)/(IД + IБР) = 8,37 кОм;

— визначаємо параметри підсилювального каскаду. Для цього з табл. 1 виписуємо значення параметрів транзистора

h11Е = 1 кОм,

h22Е = 3 мкСм.

Вхідний опір каскаду RВХ = R1¦R2¦ h11Е = 0.67 кОм,

вихідний опір RВИХ = RК¦(1/ h22Е) = 0.99 кОм.

Коефіцієнт підсилення каскаду

електронний прилад схема пристрій КU = (h21ЭСР RВИХ)/(RВХ + RГ)*RН/(RВИХ + RН) = 50.57;

Коефіцієнт корисної дії підсилювального каскаду

з = РВИХ/РСПОЖ, де РВИХ =(UВИХМ)2/(2RН) = 3.12 мВт,

РСПОЖ = ЕК (IКР + IД) = 159.5 мВт. Тоді з = 1.9%.

— в зв’язку з тим, що в схемі відсутній блокувальний конденсатор, на резисторі RЕ відбувається послідовний ВЗЗ по струму, отже, необхідно перерахувати параметри каскаду з урахуванням дії ВЗЗ з коефіцієнтом передачі

г = RЕ/ RК = 0.48:

RВХВЗЗ = RВХ (1 + гКU) = 24.94 кОм,

RВИХВЗЗ = RВИХ + RЕ (1 + гКU) = 13.12 кОм, КВЗЗ = КU/(1 + гКU) = 2;

— розрахуємо ємності розділових конденсаторів. Для цієї мети розподілимо значення коефіцієнта частотних викривлень рівномірно по конденсаторах, тобто приймемо

МН1ДБ = МН2ДБ = 1.5Дб.

Переведемо отримане значення у відносні одиниці:

= 1.188.

Тоді С1 = 106/[2рfН (RГ + RВХ) v (МН2 — 1)] = 0.69 мкФ,

С2 = 106/[2рfН (RВИХ + RН) v (МН2 — 1)] = 0.166 мкФ.

Таблиця 1. Орієнтовні значення параметрів h11Э и h22Е транзисторів

Завдання 3.2

Розрахувати підсилювальний каскад, виконаний на ПТ за схемою № 8 (Мал. 6).

У вихідних даних до розрахункової роботи заданий тип транзистора КП302Б, амплітуда вихідної напруги UВИХМ = 3 В, опір навантаження RН = 10кОм, нижня частота смуги пропускання каскаду fН = 50Гц, коефіцієнт частотних викривлень на цій частоті МН = 3Дб.

Малюнок 6 — Схема підсилювального каскаду на ПТ Рішення:

Виписуємо довідкові дані транзистора:

UСІmax = 20 В,

ICmax = 43 мА,

початковий струм стоку IСПОЧ = 18 мА,

напруга відсікання UВІДС = 7 В,

крутизна характеристики S? 7 мА/В,

диференційний опір каналу RСІДИФ? 120кОм (визначаємо по ВАХ транзистора), визначаємо коефіцієнт підсилення по напрузі транзистора К = SRСІДИФ = 840; транзистор з каналом n-типу, що відповідає зображенню на схемі (Мал.6).

Розрахунок каскаду робимо в наступному порядку:

— задаємося напругою спокою транзистора UСР? 1.2UВИХ= 3.6 В;

— задаємося величиною опору резистора RС = 3 кОм;

— визначаємо амплітудне значення струму стоку транзистора

IСм = UВИХМ/ RН + UВИХМ/ RС = 1,3 мА;

— задаємося струмом спокою транзистора:

IСР? 1.5IСм = 2 мА.

Перевіряємо виконання умови IСР < 0.5 IСПОЧ.

— визначаємо значення UЗР = UВІДС v (1 — IСР/ IСПОЧ) = 6.6В;

— використовуючи 2-й закон Кірхгофа, визначаємо необхідну напругу живлення підсилювального каскаду

ЕС = UСР + IСР RС + UЗР + URф.

ПрийнявшиURф? 0.1ЕС,

одержуємо ЕС = (UСР + IСР RС + UЗР)/0.9 = 18 В;

— розраховуємо резистори

RІ = UЗР/ IСР = 3.3кОм,

RФ = 0.1ЕС/ IСР = 0.9 кОм, приймаємо опір RЗ = 200 кОм;

— визначаємо параметри підсилювального каскаду:

вхідний опір RВХ = RЗ = 200 кОм ,

вихідний опір RВИХ = RС¦RСИДИФ = 2.9 кОм ,

коефіцієнт підсилення по напрузі КU = S RВЫХ* RН/(RН + RВИХ) = 15.7,

коефіцієнт корисної дії підсилювального каскаду

з = РВИХ/ РСПОЖ, де РВИХ =(UВИХМ)2/(2RН) = 0.45 мВт,

РСПОЖ = ЕСIСР = 36 мВт. Тоді з = 1.2%.

— розрахуємо ємності розділових конденсаторів, прийнявши значення внутрішнього опору джерела сигналу RГ = 500 Ом. Для цієї мети розподілимо значення коефіцієнта частотних викривлень рівномірно по конденсаторах, тобто приймемо МН1ДБ = МН2ДБ = 1.5 Дб.

Переведемо отримане значення у відносні одиниці:

= 1.188.

Тоді С1 = 106/[2рfН (RГ + RВХ) v (МН2 — 1)] = 0.025 мкФ,

С2 = 106/[2рfН (RВИХ + RН) v (МН2 — 1)] = 0.38 мкФ.

Ємності блокувальних конденсаторів визначаємо в такий спосіб: СФ = 10/(2рfНRФ) = 35.4 мкФ, СІ = 10/(2рfНRІ) = 9.6 мкФ.

Список використаної літератури

1. Гусєв В.Г., Гусєв Ю.М. Електроніка.-М.:Высш.шк., 1991.-622с.

2. Скаржепа В. А., Луценко А. Н. Електроніка і микросхемотехника. Ч.1.Електронні пристрої інформаційної автоматики: Підручник/Під общ.ред.А. А. Краснопрошиной.-К.: Вища шк., 1989.-303 с.

3. Скаржепа В. А. і ін. Електроніка і микросхемотехника: Лабораторний практикум/Під общ.ред.А. А. Краснопрошиной.-К.: Вища шк., 1989.-279 с.

4. Основи електроніки і мікроелектроніки/Б.С.Гершунский.-3-і изд., перераб. і доп.-К.: Вища шк., 1987. 422 с.

5. Галкін В.И. і ін. Напівпровідникові прилади: Транзистори широкого застосування: Довідник/В.И.Галкін, А. Л. Булычев, П.И.Лямін.- Мн.: Бєларусь, 1995.-383 с.

6. Скаржепа В. А., Сенько В. И. Електроніка і микросхемотехника: Сб. задач / Під общ.ред. А. А. Краснопрошиной.-К.: Вища шк., 1989.-232 с.

7. Чекулаев М. А. Збірник задач і вправ по імпульсній техніці: Учеб. Посібник для учнів радиотехн. спец. технікумів. — М.: Высш. шк., 1986. — 280 с.

8. Розрахунок електронних схем. Приклади і задачі: Учеб. посібник для вузів по спец. электрон. техніки / Г. И. Изъюрова, Г. В. Корольов, В. А. Терехов і ін. — М.: Высш. шк., 1987. — 335 с.