Курс лекции и примеры решения задач по электротехнике и электронике

Электротехника
Расчет трансформатора
Выбор типа выпрямителя
Выбор типа сглаживающего фильтра
Определение тока холостого хода
Расчет магнитной системы
Методы расчета электрических цепей
Курсовая работа
Метод проводимостей
Метод узловых и контурных уравнений
Метод законов Кирхгофа
Метод контурных токов
Метод узловых потенциалов
Метод двух узлов
Расчет электрических цепей переменного тока
Расчёт трёхфазной цепи
Векторные диаграммы переменных токов
Мощность переменного тока
Активные и реактивные составляющие токов и напряжений
Резонанс в электрических цепях
резонанса токов
Достоинства трехфазной системы
Мощность трехфазной цепи
Расчет магнитных цепей
Магнитносвязанные электрические цепи
Сложная цепь с магнитносвязанными катушками
Круговая диаграмма тока и напряжений
Топологические методы расчета
Уравнения Ома и Кирхгофа в матричной форме
Вращающееся магнитное поле
Расчет токов коротких замыканий
Курсовая работа по ТОЭ
Анализ линейных электрических цепей
Расчет методом узловых потенциалов
Расчет методом эквивалентного генератора
Расчет методом контурных токов
Переходные процессы в линейных цепях
Сборник задач с решениями по ТОЕ
Цепи постоянного тока
ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
Лабораторные по электротехнике
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
ЧАСТИЧНЫЕ ЕМКОСТИ В СИСТЕМЕ ПРОВОДНИКОВ
Доказать закон Ома с помощью эксперимента
Линейные цепи
  • Электрический ток
  • Источник ЭДС и источник тока
  • Электрическая энергия и электрическая мощность
  • Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС
  • Преобразование линейных электрических схем
  • Метод преобразований треугольника резисторов
  • Расчет разветвленной электрической цепи с помощью законов Кирхгофа
  • Метод двух узлов
  • Принцип наложения
  • Резистор, индуктивная катушка и конденсатор в цепи
  • Анализ цепей синусоидального тока с помощью векторных диаграмм
  • Параллельное включение приемников энергии
  • Мощности цепи синусоидального тока
  • Комплексный метод расчета цепей синусоидального тока
  • Мощности в комплексной форме
  • Электрические цепи с взаимной индуктивностью
  •  

    ЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ

    Электронные усилители

    Транзисторные усилители

    Назначением усилителя как электронного устройства является увеличение мощности сигнала за счет энергии источника питания.

    В зависимости от формы электрических сигналов усилители разделяют на: усилители непрерывных сигналов, называемые усилителями постоянного тока; усилители сигналов с гармоническим несущим процессом, которые называют усилителями переменного тока; усилители импульсных сигналов – импульсные усилители. Из усилителей переменного тока выделяют узкополосные, или избирательные, усиливающие только одну гармоническую составляющую из ряда гармоник несинусоидального периодического тока. Импульсные усилители являются широкополосными.

    В электронных устройствах применяют также усилители, преобразующие изменения амплитуды или фазы гармонического тока в соответствующие изменения значения и знака постоянного тока (напряжения). Называют их усилителями среднего значения тока.

    В соответствии с назначением коэффициентом преобразования усилителя является коэффициент усиления мощности

    ,  (14.1)

    где ,  – мощность выходного и входного сигналов соответственно.

    Однако в зависимости от режимов работы выходной и входной цепей усилителя практическое значение может иметь не усиление мощности сигнала, а повышение его уровня по напряжению или по току. Поэтому на практике различают усилители мощности, усилители напряжения и усилители тока. Соответственно в качестве коэффициентов преобразования используются коэффициенты усиления напряжения и тока

    . (14.2)

    Очевидно, что .

    Режим работы усилителя определяется соотношениями входного , выходного  сопротивлений и сопротивлений источника сигнала  и нагрузки . Для усилителя напряжения характерны соотношения: , , которые дают режим, близкий к режиму холостого хода на выходе. Источником сигнала является источник напряжения. Для усилителя тока соотношения ,  дают режим, близкий к короткому замыканию на выходе. Источником сигнала служит источник тока.

    Однако рассмотренные идеальные режимы усиления напряжения или тока на практике встречаются редко. Транзисторные усилители большей частью работают как усилители мощности в режиме согласованной нагрузки источника сигнала, а иногда и согласованной нагрузки усилителя, т.е. при  и .

    Простейший усилитель принято называть усилительным каскадом. При недостаточном усилении сигнала одним каскадом усилитель выполняется из нескольких каскадов. Усилители электронных устройств, как правило, состоят из двух или трех каскадов, которые называются входным, выходным и промежуточным каскадами.

    Общим требованием к усилителям электронных устройств является как можно меньшее искажающее воздействие на сигналы. Необходимые информационные характеристики и параметры усилителей обеспечиваются при достаточно высокой стабильности коэффициентов усиления, практически линейной проходной характеристике, ограниченных линейных искажениях (сдвигах фаз гармонических составляющих сигналов) и малой инерционностью. Перечисленные свойства усилителей достигаются главным образом за счет обратных связей. Поэтому практически все усилители электронных устройств выполняются с обратными связями. Особое место занимают усилители с глубокой положительной, обеспечивающей релейный или автоколебательный режим их работы, и отрицательной  обратной связью – операционные усилители.

    Усилительный каскад может быть выполнен на основе любой из трех схем включения транзистора. Однако преимущественно используются усилительные каскады по схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) биполярного и схеме с общим истоком (ОИ) полевого транзисторов, как обеспечивающие наибольшее усиление (рис. 14.1 а, б).

    Режим работы транзистора в усилительном каскаде отличается от режима работы в схеме включения транзистора, так как его выходные зажимы размыкаются и к ним подключается нагрузка с сопротивлением , а к входным зажимам подключается источник сигнала с сопротивлением  и ЭДС . При = 0 транзистор находится в некотором исходном режиме, задаваемом источником питания  и источником смещения .

    Резистор  уменьшает коэффициент усиления по току биполярного транзистора и крутизну характеристики полевого транзистора, поскольку их выходные сопротивления конечны.

    Внутренняя положительная обратная связь в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ, увеличивая коэффициент усиления мощности каскадом, одновременно увеличивает нестабильность коэффициента усиления. Поэтому усилительные каскады на основе схемы с ОЭ биполярного и с ОИ полевого транзисторов всегда выполняются с внешними (специально введенными) отрицательными обратными связями  (рис. 14.2 а, б).

    В усилителях переменного тока частота несущего процесса, как правило, равна промышленной (50 Гц) или кратна ей. Наибольшие частоты не выходят за пределы звукового диапазона, наименьшая может составлять 25…30 Гц.

    В усилителях переменного тока возможно гальваническое разделение цепей усиливаемого сигнала и цепей постоянного тока, задающих исходный режим транзистора, что является важной их особенностью. Разделение достигается путем использования реактивных сопротивлений – кондесаторов или трансформаторов для связи транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Соответственно различают усилители переменного тока с конденсаторными (RC-связями) и трансформаторными связями.

    Достоинствами конденсаторных усилительных каскадов являются их относительная простота и технологичность изготовления. Однако их параметры, прежде всего коэффициент усиления мощности, хуже параметров трансформаторных каскадов. Достоинством последних является свойство обеспечения возможно большего приближения к оптимальному режиму усиления мощности вплоть до согласования транзистора с источником сигнала и нагрузкой. Однако в связи с низкими значениями напряжений, применяемых для питания транзисторов, согласование возможно только в усилителях слабых сигналов. Такие усилители выполняют, как правило, с конденсаторными связями. С трансформаторными связями выполняют усилители больших сигналов, особенно выходные каскады (на биполярных транзисторах).

    Часто, особенно в электронных устройствах с преобразователями неэлектрических величин, необходимо усиление сигналов очень низких частот (). В этом случае используют усилительные каскады постоянного тока, имеющие амплитудно-частотную характеристику, равномерную в диапазоне от  до . Так как использование конденсаторов и трансформаторов в усилителях постоянного тока невозможно, для связи между каскадами используют только резисторы.

    Из числа схем усилителей постоянного тока наибольший интерес представляет параллельно-баланс–ная или дифференциальная схема (рис. 14.3). В ней использован принцип четырехплечего моста. Однако в такой схеме предъявляются особые требования к идентичности характеристик транзисторов и других элементов. Такие усилители могут выполняться как на биполярных, так и на полевых транзисторах. В дискретных устройствах (например, ЭВМ) их используют для выполнения арифметических операций.

     

     

     

     

     

     

    Усилители на микросхемах

    В настоящее время многокаскадные усилители переменного тока с RC-связью выполняют на основе интегральных микросхем. Они состоят, как правило, из нескольких (не менее двух) каскадов. Полоса пропускания частот таких усилителей находится в пределах от 200 Гц до 100 кГц. Особенностью интегральных усилителей являются непосредственные (гальванические) связи между каскадами. Связь с источником сигнала и нагрузкой конденсаторная. Так как конденсаторы большой емкости трудно выполнить в интегральном исполнении, то в микросхемах предусматривают специальные выводы для подключения внешних конденсаторов и резисторов. На рис. 14.4 показаны схема интегрального усилителя (обве– дена пунктиром) и схема его включения.


    Рис. 14.4

    При выведенных отрицательных обратных связях коэффициент усиления напряжения  в зависимости от модификации усилителей составляет 250…800. При входном сопротивлении   = 1,5 кОм и сопротивлении нагрузки  = 5 кОм коэффициент усиления мощности может составлять (2…20)·104. Такое усиление позволяет за счет сильных общих отрицательных обратных связей обеспечить высокую стабильность коэффициента усиления мощности. При этом наибольшая выходная мощность  может достигать 1 мВт.

    Усилитель на рис. 14.4 трехкаскадный, причем третий каскад выполнен на основе включения транзисторов Т3 и Т4 по схеме составного транзистора, поэтому в нем возможны общие отрицательные обратные связи.

    Операционные усилители

    С развитием интегральной технологии производства наиболее распространенным элементом для построения электронных устройств стал операционный усилитель. Он представляет собой высококачественный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом, обладающий высоким коэффициентом усиления, большим входным и малым выходным сопротивлениями.

    На принципиальных схемах в самом общем виде операционный усилитель обычно изображают в виде прямоугольника с двумя входными и одним выходным выводами (рис. 14.5). Один из входов усилителя, напряжение на котором усиливается с тем же знаком, называется неинвертирующим и обозначается «+». Напряжение на другом входе – инвертирующем («–») – усиливается с изменением знака на обратный. Коэффициент усиления в схеме с разомкнутой обратной связью одинаков для обоих входов операционного усилителя, причем во всем рабочем температурном диапазоне. Этого достигают выполнением всех элементов усилителя, в том числе и входных транзисторов, на одной кремниевой пластине.

    Основные параметры схем, выполняемых на операционном усилителе (ОУ), удобно рассматривать, считая его идеальным, с параметрами:

    1) коэффициент усиления  в схеме с разомкнутой обратной связью бесконечно большой;

    2) напряжение на выходе равно нулю при нулевой разности входных напряжений;

    3) входное сопротивление бесконечно большое;

    4) выходное сопротивление равно нулю;

    5) полоса пропускания частот бесконечна (усилитель не вносит задержки).

    Схема операционного усилителя, изображенная на рис. 14.6 называется инвертирующей схемой ОУ. Характерной особенностью ее является то, что неинвертирующий вход заземлен, а инвертирующий вход связан с выходом через сопротивление обратной связи  Для инвертирующего включения ОУ характерны перемена знака входного сигнала, а также зависимость коэффициента усиления (коэффициента передачи) только от параметров цепи обратной связи. При достаточно большом значении коэффициента усиления, даже в случае его изменения от экземпляра к экземпляру ОУ или от температуры, параметры усилителя практически не меняются. Такая схема, называемая инвертирующим повторителем входного сигнала, используется как промежуточное звено при связи источника сигнала, имеющего относительно большое внутреннее сопротивление (но меньшее, чем входное сопротивление ОУ), с низкоомным приемником.

    Определим с учетом знака выходного напряжения  значение входного тока

    .  (14.3)

    Из этого следует, что напряжение на инвертирующем входе для данной схемы стремится к нулю. Поэтому здесь инвертирующий вход может рассматриваться как точка «кажущейся» земли.

    На основе инвертирующего усилителя выполняют сумматоры, у которых с инвертирующим входом связано несколько источников сигналов со своими входными сопротивлениями (рис. 14.7).

    Поскольку инвертирующий вход, называемый в данном случае «суммирующей точкой», сохраняет потенциал земли, входные токи каждого из источников не зависят друг от друга. Через элемент обратной связи  протекает сумма этих токов.

    При малом переменном напряжении входного сигнала, соизмеримом с падением напряжения на открытом диоде, для его выпрямления могут применяться схемы на основе ОУ. В них практически исключается влияние падения напряжения на диоде. На рис. 14.8 представлена схема однополупериодного выпрямителя, где диод VD1 включен в цепь обратной связи.

    Для схемы, показанной на рис. 14.9 а с учетом того, что потенциал точки суммирования токов за счет обратной связи совпадает с потенциалом земли, имеют место следующие зависимости

    ;

    .  (14.4)

    Таким образом, посредством этой схемы осуществляется интегрирование входного сигнала с изменением знака. Такой интегратор может применяться, для сглаживания выпрямленного напряжения. Например, подключив в схеме (рис. 14.8) параллельно резистору  конденсатор, получим выпрямитель.

    Схему дифференциатора, выполняющего операцию, обратную интегрированию, т.е. дифференцирование, можно получить из предыдущей схемы, поменяв местами конденсатор и резистор (рис. 14.9 б). Для этой схемы характерны следующие

    соотношения

      . (14.5)

    В схеме неинвертирующего усилителя (рис. 14.10) источник входного сигнала с внутренним сопротивлением  связан с неинвертирующим входом, а инвертирующий заземлен через резистор  и имеет обратную связь через резистор .

    Этот усилитель в определенном масштабе  воспроизводит на выходе входное напряжение. Достоинством его является большое входное и малое внутреннее выходное сопротивления. При = 0 усилитель превращается в повторитель входного напряжения.

    Для сравнения двух сигналов используют схемы ОУ в режиме компаратора. В этих схемах для получения максимальной точности, определяемой чувствительностью схемы, петля обратной связи обычно не замыкается.

    На рис. 14.11 показан компаратор, применяемый для сравнения разнополярных входных сигналов – сигнала  и опорного . Если одно напряжение

     превышает другое, то выходная часть ОУ за счет большого коэффициента усиления переходит из одного состояния насыщения в другое. Таким образом, компаратор служит для преобразования разности аналоговых входных сигналов в дискретный выходной.

    Реальный ОУ отличается от рассмотренного ранее идеального наличием входных токов и выходного сопротивления, несбалансированностью обоих плеч входного дифференциального усилителя и конечным значением коэффициента усиления . Поэтому выбор параметров элементов внешних связей ОУ с другими узлами схемы связан с его электрическими параметрами. Для этого в справочной литературе приводится около 20 параметров.

    14.2. Электронные генераторы

    Электронным генератором называют устройство, создающее электрические колебания определенной частоты и формы и использующее для этого  энергию источника постоянного тока (напряжения).

    По принципу действия генераторы бывают с внешним и внутренним возбуждением. Генераторы с внутренним возбуждением (автогенераторы) возбуждаются самостоятельно (без внешнего источника). Основными характеристиками генераторов являются форма, частота и амплитуда создаваемых колебаний.

    По форме колебаний генераторы подразделяются на генераторы синусоидальных колебаний и генераторы несинусоидальных (релаксационных) колебаний.

    По частоте колебаний генераторы подразделяются на низкочастотные (от долей герц до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц … 10 мГц) и сверхвысокочастотные (более 10 мГц).

    Важными характеристиками являются мощность выходного сигнала, стабильность частоты и коэффициент полезного действия.

    Генераторы синусоидальных колебаний Любой генератор состоит из усилителя и цепи положительной обратной связи

    ЭЛЕКТРОННЫЕ КОММУТИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА Электронные ключи Для выполнения различных коммутаций в устройствах автоматики и вычислительной техники, включения и выключения элементов, источников питания используют электронные ключи.

    Логический элемент – это электронная схема, которая имеет один или больше входов X, реализующая на каждом выходе соответствующую логическую функцию Y от входных переменных. Логические элементы являются важнейшей составной частью устройств цифровой (дискретной) обработки информации – цифровых измерительных приборов, устройств автоматики и ЭВМ. Логические элементы, как правило, выполняют на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. В связи с этим цифровая информация представляется в виде логической переменной, принимающей всего два различных значения: логическая 1 – истинно и логический 0 – ложно.

    ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Применение различного рода электронных устройств для управления производственными процессами подразумевает использование электрической энергии определенного вида для их питания (постоянный, переменный ток).

    Сглаживающие фильтры Для уменьшения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения используют специальные устройства – сглаживающие фильтры.

    Словарь терминов ГЛОССАРИЙ.

    Практикум по решению задач (практических ситуаций) по темам лекций

    Несимметричный трехфазный приемник включен в четырехпроводную цепь с фазным напряжением генератора 127 В

    Лабораторные по электротехнике