Теоретические замечания.

Оглавление

Предисловие..............................................................................................................................................2

Лабораторная работа №1. Изучение последовательного и связанных колебательных контуров....3

Лабораторная работа №2. Мощность в цепи переменного тока и методы её измерения................11

Лабораторная работа №3. Изучение полевых транзисторов..............................................................17

Лабораторная работа №4. Снятие характеристик полупроводниковых триодов и определение

их параметров..........................................................................................................................................25

Лабораторная работа №5. Усилители напряжения низкой частоты..................................................33

Лабораторная работа №6. Изучение выпрямительных схем..............................................................39

Лабораторная работа №7. Изучение однофазного трансформатора..................................................49

Лабораторная работа №8. Изучение мультивибраторов и триггеров................................................55

Лабораторная работа №9. Исследование работы транзисторного ключа.........................................65

Лабораторная работа №10. Изучение электронных схем элементов или, и, не, или-не, и-не, и

дешифратора с трёхразрядным счётчиком..........................................................................................75

Лабораторная работа №11. Исследование регистра сдвига на базе R,S - триггеров........................83

Лабораторная работа №12. Цифро-аналоговый преобразователь......................................................89

Лабораторная работа №13. Знакогенераторы ЭВМ.............................................................................97

Предисловие

Курс «Промышленная электроника» предназначена для подготовки студентов по специальности «Электроэнергетика» в области электроэнергии и электротехники.

Технический прогресс современной техники широко базируется на применении электронных устройств. Курс относится к общеинженерным дисциплинам и не ставит своей задачей подготовку специалистов в области электронной схемотехники.

Целью курса «Промышленная электроника» является изучение принципа действия и возможности электронных устройств, формирование навыков расчетов, измерение параметров и характеристик аналоговых и цифровых электронных устройств.

Задачи курса – сформировать необходимый минимум специальных теоретических и практических знаний, которые обеспечили бы возможность понимать и анализировать процессы в электронных цепях.

При изложении курса большое внимание уделяется электронным приборам, импульсных и цифровым устройствам. В рамках теории электронных цепей изучаются такие квазилинейные устройства, как усилители. Рассматриваются выпрямители однофазного и трехфазного тока, стабилизаторы напряжения.

В результате освоения курса «Промышленная электроника» студент должен:

• иметь представление об электронике как основной технической базе при создании современных информационных систем;
• знать основы элементной базы современных аналоговых и цифровых устройств;
• знать основы анализа базовых элементов и устройств радиоэлектронной аппаратуры;
• знать принцип работы элементов электронных приборов и физические процессы, протекающие в них.

Курс «Промышленная электроника» читается на 3 курсе, рассчитан на 40 часов, из них 20 часов – лекций, 20 часов – практических занятий. Контроль за эффективностью усвоения курса проводится систематически на практических занятиях, в конце шестого семестра – зачет.

В программе дан подробный перечень вопросов, рассматриваемых в лекционном курсе и на практических занятиях, приведен список основной и дополнительной литературы.

Дисциплина входит в состав федерального компонента цикла специальных дисциплин государственного общеобразовательного стандарта высшего профессионального образования второго поколения для специальности – Профессиональное обучение, специализации 050501.19 электроэнергетика, электротехника и электротехнологии.

Лабораторная работа №1. Изучение последовательных и связанного колебательных контуров

Цель работы: Построить амплитудно-частотные характеристики последовательного и связанных колебательных контуров, определить параметры контуров, изучить явление резонанса напряжений.

Приборы и оборудование:

1.Генератор стандартных сигналов Г4-18А.

2.Катодный вольтметр ВКС - 7в.

3.Миллиамперметр.

4.Набор катушек и конденсаторов.

5.Монтажные провода.

Теоретические замечания.

Колебательный контур представляет собой один из основных элементов радиосхем. Схема замещения контура с сосредоточенными параметрами с учетом потерь энергии, представлена на рис.1.

Активное сопротивление R введено для учета потерь энергии в контуре. В реальном колебательном контуре L, С, R распределены по всей схеме. На схеме, представленной на рис.1 параметры L, С, R "привязаны" к определенному участку схемы. Такая идеализация допустима, если размеры элементов контура много меньше длины волны колебаний.

Резонансная частота ω_p колебательного контура определяется из условия равенства нулю реактивной составляющей полного сопротивления колебательного контура

или

Отсюда: , где собственная частота контура.

Характеристическим сопротивлением ρ называется сопротивление индуктивности или емкости на резонансной частоте:

Пусть контур (рис.1) подключен к источнику внешней ЭДС

По закону Кирхгофа: .

, где – ЭДС самоиндукции,

, где

- напряжение на конденсаторе,

– напряжение на активном сопротивлении.

В соответствии с законом Кирхгофа получаем:

(1)

Если е_г= 0, в контуре совершаются свободные затухающие колеба­ния, уравнение (1), описывающее свободные колебания, примет вид:

, или (1а)

Обозначив через (коэффициент затухания), (ω₀ –собственная частота контура), получим уравнение (1а) в виде:

(2).

Если >> (этот случай наиболее инте­ресен для радиотехники), решение (2) может быть записано в виде:

, где

Зависимость заряда на конденсаторе от времени (рис.2) имеет ха­рактер затухающих колебаний, частота которых ω называется частотой свободных колебаний.

Рис.2.

Для характеристики скорости процесса затухания свободных колебаний в контуре пользуются коэффициентом затухания δ, логарифми­ческим декрементом затухания d и добротностью контура Q.

1. Коэффициент затухания

Возьмем промежуток времени τ=NT до истечении которого амплитуда колебаний уменьшается в " e " раз.

,

Таким образом коэффициент затухания δ – величина обратная времени, по истечении которого амплитуда колебаний уменьшается в " e "раз.

2. Логарифмический декремент затухания d равен натуральному логариф­му отношения амплитуд колебаний, взятых через период.

Учитывая, что , , а получим:

Следовательно, логарифмический декремент затухания – это величина обратная тому числу полных колебаний, по истечении которых амплиту­да колебаний уменьшается в “ e ” раз.

3. Добротность Q характеризует относительную убыль энергии в процес­се колебаний:

Энергия, теряемая в контуре, идет на потери в активном сопротивлении:

Энергия, запасенная колебательной системой, равна максимальной энергии, накопленной конденсатором или индуктивностью:

тогда:

Величина, обратная добротности, называется затуханием контура:

Если к контуру подвести внешнюю ЭДС, то решение уравнения (1) равно сумме общего решения однородного уравнения (описывающие свободные колебания в контуре) и частного решения неоднородного (описывающего вынужденные колебания в контуре). Так как свободные колебания имеют затухающий характер, то ими можно пренебречь и считать, что в конту­ре существуют лишь вынужденные колебания:

(3)

Рассмотрим случай резонанса, когда ,при этом уравнение (3), примет вид:

Амплитуда напряжения на конденсаторе равна:

или:

Амплитудно-частотная характеристика последовательного колеба­тельного контура приведена на рис.3. Разность между частотой источника напряжения и резонансной частотой принято называть абсолютной растройкой контура:

,

аотношение - относительной растройкой.

Среди ЭДС одинаковых амплитуд, но не одинаковых частот, наибольший ток создает та, для которой величина растройки наименьшая. Иными словами, из всех ЭДС, воздействующих на контур, последний “избирает” некото­рый, вполне определенный спектр частот. Это свойство контура называ­ется частотной избирательностью.

Избирательные свойства колебательного контура определяются шириной его резонансной характеристики.

Диапазон частот, пропускаемых контуром, характеризуют полосой пропускания контура - областью частот, в пределах которой амплитуда колебаний тока(или напряжения) уменьшается менее чем в раз по сравнению с резонансом. Это соответствует уменьшению мощности при резо­нансе в раза, т.е.

Полоса пропускания контура определяется равенством:

Влияние добротности контура на полосу пропускания отражено на ампли­тудно-частотной характеристике (рис. З).

Рис.3.

При добротности Q₂ характеристика менее острая, чем при более высокой добротности Q₁ и поэтому полоса пропускания контура с добротностью Q₂ шире, чем полоса пропускания контура 2Δ f ₁ с добротностью Q₁. Для воспроизве­дении радиосигнала полоса пропускания контура должна быть не менее ширины ос­новной части спектра радиосигнала. Если же это требование не выполняется, при­ходится снижать добротность контура, но тогда ухудшается его избирательность.

Противоречие между избирательностью и полосой пропускания не может быть решено полностью, если в схеме используется одиночный колебатель­ный контур.

В радиоаппаратуре колебательный контур обычно связан с другими цепями, в которые передается часть энергии, поступающей от внешнего источника. Контур, колебания в котором возбуждаются внешним источни­ком, называется первичным, а тот, в который передается часть энергии называется вторичным.

Энергия, подводимая от внешнего источника к первичному контуру, расходуется не только в нем, но и частично передается во второй кон­тур. Потребление вторичным контуром энергии из первичного эквивалент­но включению в первичный контур активного сопротивления, потребляю­щего тоже самое количество энергии, которое потребляет вторичный контур. Поэтому говорят, что в результате связи вторичный контур вносит в первичный некоторое сопротивление , где - сопротивление связи. Это приводит к уменьшению добротности и резо­нансного сопротивления контура.

Контуры могут быть связаны между собой различными способами. Например, если катушки контуров расположить близко одну к другой, то часть переменного магнитного потока, создаваемого током в обмотке первичной катушки, будет пронизывать витки катушки вторичного контур и наводить в нем переменную ЭДС E₁₂ величину которой можно опре­делить по закону электромагнитной индукции:

где - поток связи, W₂ - число витков катушки вторичного контура_. Если ток меняется по синусоидальному закону, то где М - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом взаимоиндукции.

Вводят понятие коэффициента связи χ₁₂, определяемого как отношение . Если числитель и знаменатель этого отношения умножить на I₁ω, то окажется, что коэффициент связи выражает отношение ЭДС, наведен­ной во вторичном контуре, к напряжению на индуктивности первичного контура: . Причём, .

Амплитуда наведенной ЭДС в катушке вторичного контура:

Величина ωM имеет размерность сопротивления и называется сопротив­лением связи .

С увеличением коэффициента взаимной индукции М ЭДС, наводимая во вторичном контуре, возрастает.

В связанных контурах, имеющих одну и ту же частоту собственных колебаний, при некоторых условиях может возникнуть резонанс не толь­ко на частоте собственных колебаний, но и еще на двух других час­тотах, которые можно определить по формуле:

Частоты ω_1,2 называют частотами связи, или нормальными частотами системы.

При некоторой частоте, меньшей частоты собственных колебаний, сопротивление контуров имеет емкостный характер. Наведенная во вторичном контуре ЭДС E₁₂ отстает на 90^° относительно тока в пер­вичном контуре I₁ (рис.4).

Рис.4.

Так как сопротивление вторичного контура имеет емкостный характер, то ток в нем I₂ опережает ЭДС Е₁₂ на угол φ. ЭДС E₂₁,наводи­мая в первичном контуре вторичным отстает от тока I₂ на угол 90^°. Эту ЭДС можно разложить на две составляющие: первая E_21a имеет направление, противоположное вектору тока в первичном контуре, вторая E_21p отстает от него на 90^°. Таким образом, первая составля­ющая E_21a стремится уменьшить ток в первичном контуре, что равносильно увеличению активного сопротивления первичного контура, а вторая E_21p увеличивает ЭДС катушки, которая отстает от тока на 90^°, что равносильно увеличению ее индуктивности. Говорят, что при емкостном сопротивлении вторичного контура в первичный контур вносится активное сопротивление и индуктивное. При доста­точно большой связи, при некоторой растройке контуров относительно частоты источника вносимое индуктивное сопротивление скомпенсирует собственное емкостное сопротивление контура. При этом контур представляет собой для источника переменной ЭДС чисто активное сопротивление, и в системе контуров имеет место резо­нанс. Благодаря этому токи в первичном и во вторичном контурах резко возрастают. Нетрудно убедиться, что аналогичная картина может наблю­даться и на частоте, превосходящей частоту собственных колебаний контура, т.е. оказывается, что система из двух одинаковых достаточно сильно связанных контуров обладает тремя резонансными частотами, одна из которых является частотой их собственных колебаний ω₀, другая несколько ниже ω₁<ω₀, а третья выше ω₂> ω₀. Две последние резо­нансные частоты называются частотами связи.

Разность между частотами ω₁ и ω₂ тем больше, чем больше коэффи­циент связи; при связи меньше некоторого значения, называемой крити­ческой, вносимых реактивных сопротивлений не хватает для компенсации собственных реактивных сопротивлений контура и резонанс имеет место только на частоте собственных колебаний контуров. По этому при связи меньше критической резонансная характеристика (рис.5 кривая №1) напоминает характеристику одиночного контура. При связи больше крити­ческой резонансная характеристика приобретает вид двугорбой кривой, максимумы которой соответствуют частотам связи ω₁ и ω₂ (кривая №2):

При более сильной связи частоты ω₁ и ω₂ расположены еще дальше друг от друга (кривая №3).

Дата добавления: 2015-07-08